攝影全站儀在電廠煙囪快速監測中應用研究

閭海慶，康 鑫，雷遠華，劉佳明

(湖南省電力勘測設計院，湖南 長沙 410007)

攝影全站儀在電廠煙囪快速監測中應用研究

閭海慶，康 鑫，雷遠華，劉佳明

(湖南省電力勘測設計院，湖南 長沙 410007)

概述了攝影測量方法在煙囪快速監測中的應用，提出了一種基于攝影全站儀的電廠煙囪變形監測方法，并對該方法所應用的理論進行嚴格縝密的驗證。通過與傳統方法對比表明其具有測量結果連續、效率高、周期短和成本低的優勢，說明這是一種具有實用意義值得推廣的好方法。

變形監測；攝影全站儀；攝影測量；最小二乘法；精度。

1 基于攝影全站儀的煙囪變形攝影測量方法及其特點

1.1 攝影全站儀

攝影全站儀將數碼相機與全站儀有機結合在一起，并且配有廣角和長焦兩種照相模式，可以同時獲取影像的內外方位元素等參數，實現了全站儀測量和數字攝影測量的結合。IS攝影全站儀的內參數是固定的(類似于量測相機)，每幅圖像的外方位元素可以直接由儀器生成并保存，無需定向，從而大大簡化了攝影測量的工作流程，而長焦相機更是可以達到1.3 mm/100 m的精度，對提高整個測量的精度非常實用。另外攝影全站儀還配有操作軟件，該軟件可安裝在筆記本上，通過有線或者無線連接全站儀，從而方便快捷地進行測量、拍照、數據傳輸等操作，提供圖像所見即所測的功能，在屏幕上拖動鼠標就可以旋轉全站儀對準目標，可以大大提高測量效率。

1.2 基于攝影全站儀的變形測量

基于攝影全站儀的變形測量基本原理是將空間斷面圓投影到影像上，一般將會得到一個橢圓，而根據攝影幾何知識，視線與空間斷面圓的切點在圖像上的投影必定位于影像上煙囪的輪廓線中。利用切點在圖像上的投影點與圖像煙囪輪廓線的距離最小的條件計算圓心坐標(X，Y)和半徑R，至少需要三個觀測(即三個視)條件，如果有多余觀測，則可以用最小二乘法，精確定出空間圓的中心坐標。

見圖2，設煙囪空間斷面圓為圓O，空間測站點為S，SZ為豎直向上方向。圓O所在平面為水平面，顯然沿Z負方向，其在經過站點S的水平面上的投影為正圓，設其投影圓為圓O′，設SL1′為圓O′的切線，切點為A′，則有O′A′⊥SL1′。設A是A′投影前點，則有AA′//SZ，所以點A在平面L′SZ上。由AA′//OO′可得AA′OO′共面。SL1′⊥O′A′，SL1′⊥OO′可得SL1′垂直于平面AA′OO′，故SL1′⊥OA，再由OA⊥SZ可得出OA平面L1′SZ。故OA⊥SA，A點即為影像上所看到的輪廓線上點，所有A點在影像上的投影即構成輪廓線。故視SL1與空間圓的“切點”A(準確說是經過站點S的鉛垂面與空間斷面圓相切的切點)平面坐標等價于由經站點S到空間圓O豎直向下在站點S所在水平面的投影圓O′的切線SL1′與圓O′的切點A′的平面坐標。

圖2 空間斷面圓投影示意圖

圖3 示意圖

為方便計算，見圖3，我們選擇將站點S沿豎直方向投影到空間斷面圓所在平面的方式，設空間圓圓心為O，S為攝影中心，D為S在空間圓所在平面的投影，A、C兩點為視線與圓的切點，在影響上表現為煙囪的輪廓。影像上煙囪的輪廓即為A點在影像上投影的集合。在圖中，設O點坐標為(X0, Y0, Z0)，則A、C兩點坐標可以表示為

由公式⑴⑵⑶⑷⑸可知，如果已知空間圓的位置(X0, Y0, Z0)與半徑R，攝影中心位置(Xs,Ys, Zs)，可以得到θ1和θ2，進而求出A、C的空間坐標。

攝影測量的共線方程[1][2]表達式如下：

(XA, YA)和(XC, YC)為觀測值，X0、Y0和R為待求未知數。給定X0、Y0和R的初始值，可計算 A、C兩點在影像上的坐標(XA, YA)和(XA, YA)， 認為輪廓線上距離(XA, YA)和(XA, YA)最近的點為兩點在影像上的真實坐標，與其比較并求解，可以得到X0、Y0和R的改正量，從而依此迭代求出空間圓的真實位置和半徑。

在公式⑽中根據最小二乘原理可得

事實上，每個站點可以有兩個視，即觀測到A點和C點。每個視的約束條件只有一個，即空間切點在影像上的投影點距離輪廓線距離最小，故每個視只有一個觀測值。理論上至少需要3個視求出空間圓的 X0、Y0和R。但考慮到多余觀測和網形的可靠性，一般建議至少三個測站環繞煙囪均勻分布。

1.支撐載體技術化。新媒體的最典型的特征就是依托現代先進技術提供媒介服務。新媒體的應用技術，主要表現為數字技術、計算機網絡技術以及移動通信技術。這三種技術不是相互獨立的，而是相互支撐，共同構成了新媒體的技術支撐系統。人類歷史上每一次重大的變革都與新技術的出現和使用密切相關。人們在技術的變革下獲得更加快捷、豐富的信息接受渠道，這些新技術顛覆了人們過去的習慣，強迫人們適應新的媒介傳播方式。可見不但是人類改變了媒體，媒體也改變了人類。

2 對比分析

對比傳統監測方法，新型監測方法在理論分析和實踐應用中都有巨大優勢，主要體現在以下幾個方面：

⑴理論嚴密，方法簡便易行

新型監測方法依據攝影測量基本原理，共線條件方程是其數學基礎。新方法的每一步都有嚴格的數學推導，確定了其高度的理論嚴密性性。攝影測量具有悠久的發展歷史，經歷了模擬攝影測量、解析攝影測量，現已經處于數字攝影測量階段，理論和應用已經相當成熟，將其應用于煙囪的變形監測中，無疑是最有保障的。且新型測量方法只需拍攝獲取煙囪的輪廓線信息，依次拍全煙囪的輪廓線即可，對外業無更多要求，外業人員只需遠程在電腦上操作，攝影全站儀既可以自動完成全站儀的所有拍攝任務，自動化程度高。

傳統方法雖然理論上可行，但其對外業人員要求較高，需要專業的測量人員對全站儀進行全手工操作，此外，傳統方法解算某一斷面圓平面坐標和半徑時，需外業人員多個測站均對準同一個空間斷面圓，煙囪表面紋理信息缺乏，不可能有空間斷面圓的標示環，故外業無法滿足理論上的這一要求。

⑵測前精度預估計，指導設站

測站點分布和位置對煙囪變形監測的精度是有影響的。傳統監測方法在設站前無法預估最后的監測精度，即便測量后也無法給出一個精確的誤差范圍，這在工程測量中是無法接受的。新型監測方法正是因為其有嚴密的數學推導，所以其測量后能給出解算嚴密的精度估計。更重要的是，其在測量前能更具測站點的大致分布和位置，預估測量后的精度。這對測量任務實施前確立方案的可行性是具有重大指導意義的。

新型監測方法因為其理論的嚴密性和實踐的可操作性，其最后的監測結果具有較高的精度。在湖南華能岳陽電廠和大唐婁底電廠的兩處實驗中，監測結果的精度評估中誤差均在12 mm左右，而煙囪設計規范規定200 m以上煙囪的允許傾斜率為2 ‰，即400 mm，所以新型監測方法的成果精度上完全滿足對煙囪安全監測的要求。

傳統監測方法對最后的監測成果精度上尚無嚴密的精度評定，一般只是根據測量人員經驗判斷，成果可信度不高。

⑷成果連續性

新型監測方法所測量的空間斷面圓的個數與外業作業量無關。內業解算時設置不同的斷面圓間隔參數，可以得到不同密度的空間斷面圓信息。另外可以直接指定空間斷面圓高程，得到空間斷面圓的平面坐標和半徑大小。簡單的說，可以認為新型監測方法測量的空間斷面圓是連續的。

而傳統監測方法外業工作量和所測量的空間斷面圓的個數是成正比的。每增加一個斷面圓的監測任務，外業監測中的每一測站點就各多一次測量，所以根本無法實現連續。而且考慮到外業的任務量，實際能測到的斷面圓的個數也非常有限。無法滿足需要查看指定高程斷面圓參數的要求。

⑸成果應用豐富

新型監測方法的監測成果具有連續性，可以很方便的做成各種曲線圖，各個不同時期的曲線做比較，斷面層密度大，更能反映細節，更能發現問題，對比分析得出的結論也更有說服力。同時也可以利用監測成果數據恢復煙囪的三維模型，用于演示展覽或者三維可視化分析等等。

傳統監測方法測量的斷面個數少，除簡單的對比分析外，不能轉化成其他成果。成果單一，應用范圍小，擴展性不好，無法滿足后續發展的需要。

⑹監測效率高

傳統監測方法每一斷面圓都需要人工去觀測、記錄，完成一個煙囪的監測任務需要兩天左右，而新型監測方法除去整平定向等基本操作人工進行外，拍攝操作全自動進行，數據自動記錄。完成一個煙囪的監測任務僅需要半天左右。

⑺監測成本低

新型監測方法基本實現了監測任務的自動化，大大減輕了外業強度，提高了作業效率。監測成本主要是外業成本。由于可以縮短外業工時，降低外業工作強度，監測成本得到大幅降低。成本降低能夠使監測頻率得到相應的上升，更進一步確保的了煙囪的安全。

表1 傳統方法與新型方法對比

3 應用

為了驗證基于攝影全站儀的煙囪變形測量方法，開發了專門的數據處理軟件。通過此軟件，可以實現工程管理，輪廓線自動提取，迭代初值求解，自動平差解算，平差解算精度評定等功能。

同時，將新型監測方法應用到華能岳陽電廠，實踐證明新型方法監測的平面精度在12 mm左右，而半徑精度在9 mm左右。完全滿足現行規范的要求。

4 結語

通過對比分析和實驗驗證，在煙囪變形監測中，本項目提出的基于攝影全站儀的變形測量方法相比傳統測量方法，具有理論嚴密，易于實施，并能在測量前進行精度預估和指導設站，測量結果精度高且有連續性、具有應用豐富，效率高，周期短，成本低的優勢，可以在今后的煙囪、冷卻塔和風機變形監測中加以推廣應用。

[1]馮文灝．工業測量[M]．武漢：武漢大學出版社，2004．

[2]馮文灝．近景攝影測量——物體外形與運動狀態的攝影法測定[M]．武漢：武漢大學出版社， 2002．

[3]岡薩雷斯．數字圖像處理(第二版)[M]， 北京：電子工業出版社， 2003．

[4]武漢測繪科技大學測量平差教研室．測量平差基礎(第三版)[M]．北京：測繪出版社， 2001．

[5]張祖勛， 張劍清．數字攝影測量學[M]．武漢：武漢大學出版社， 2002．

Application of Image Station to Quick-monitoring of Power Plant Chimney

LV Hai-qing, KANG Xin , LEI Yuan-hua , LIU Jia-ming
(Hunan Electric Power Design Institute, Hunan 410007, China)

This paper has introduced the photogrammetry method in Quick-Monitoring of Power Plant Chimney,proposed deformation monitoring of Power Plant chimney based on Image Station， and the theory which applies to this method carries on the strict meticulous con fi rmation。Compared with the conventional routes , it has the surveying result， the application to be continuous， ef fi cient， short -cycle and low –cost.So this is a good method which has the practical signi fi cance to be worth promoting.

deformation monitoring; image station; photogrammetry; least squares method; precision.

P2

B

1671-9913(2011)01-0028-06

2010-10-14

閭海慶 (1981-)，男，江蘇南通人 ，碩士，研究方向為近景攝影測量及航空攝影測量在電力行業中的應用。