摄影全站仪在电厂烟囱快速监测中应用研究

闾海庆，康 鑫，雷远华，刘佳明

(湖南省电力勘测设计院，湖南 长沙 410007)

摄影全站仪在电厂烟囱快速监测中应用研究

闾海庆，康 鑫，雷远华，刘佳明

(湖南省电力勘测设计院，湖南 长沙 410007)

概述了摄影测量方法在烟囱快速监测中的应用，提出了一种基于摄影全站仪的电厂烟囱变形监测方法，并对该方法所应用的理论进行严格缜密的验证。通过与传统方法对比表明其具有测量结果连续、效率高、周期短和成本低的优势，说明这是一种具有实用意义值得推广的好方法。

变形监测；摄影全站仪；摄影测量；最小二乘法；精度。

1 基于摄影全站仪的烟囱变形摄影测量方法及其特点

1.1 摄影全站仪

摄影全站仪将数码相机与全站仪有机结合在一起，并且配有广角和长焦两种照相模式，可以同时获取影像的内外方位元素等参数，实现了全站仪测量和数字摄影测量的结合。IS摄影全站仪的内参数是固定的(类似于量测相机)，每幅图像的外方位元素可以直接由仪器生成并保存，无需定向，从而大大简化了摄影测量的工作流程，而长焦相机更是可以达到1.3 mm/100 m的精度，对提高整个测量的精度非常实用。另外摄影全站仪还配有操作软件，该软件可安装在笔记本上，通过有线或者无线连接全站仪，从而方便快捷地进行测量、拍照、数据传输等操作，提供图像所见即所测的功能，在屏幕上拖动鼠标就可以旋转全站仪对准目标，可以大大提高测量效率。

1.2 基于摄影全站仪的变形测量

基于摄影全站仪的变形测量基本原理是将空间断面圆投影到影像上，一般将会得到一个椭圆，而根据摄影几何知识，视线与空间断面圆的切点在图像上的投影必定位于影像上烟囱的轮廓线中。利用切点在图像上的投影点与图像烟囱轮廓线的距离最小的条件计算圆心坐标(X，Y)和半径R，至少需要三个观测(即三个视)条件，如果有多余观测，则可以用最小二乘法，精确定出空间圆的中心坐标。

见图2，设烟囱空间断面圆为圆O，空间测站点为S，SZ为竖直向上方向。圆O所在平面为水平面，显然沿Z负方向，其在经过站点S的水平面上的投影为正圆，设其投影圆为圆O′，设SL1′为圆O′的切线，切点为A′，则有O′A′⊥SL1′。设A是A′投影前点，则有AA′//SZ，所以点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点即为影像上所看到的轮廓线上点，所有A点在影像上的投影即构成轮廓线。故视SL1与空间圆的“切点”A(准确说是经过站点S的铅垂面与空间断面圆相切的切点)平面坐标等价于由经站点S到空间圆O竖直向下在站点S所在水平面的投影圆O′的切线SL1′与圆O′的切点A′的平面坐标。

图2 空间断面圆投影示意图

图3 示意图

为方便计算，见图3，我们选择将站点S沿竖直方向投影到空间断面圆所在平面的方式，设空间圆圆心为O，S为摄影中心，D为S在空间圆所在平面的投影，A、C两点为视线与圆的切点，在影响上表现为烟囱的轮廓。影像上烟囱的轮廓即为A点在影像上投影的集合。在图中，设O点坐标为(X0, Y0, Z0)，则A、C两点坐标可以表示为

由公式⑴⑵⑶⑷⑸可知，如果已知空间圆的位置(X0, Y0, Z0)与半径R，摄影中心位置(Xs,Ys, Zs)，可以得到θ1和θ2，进而求出A、C的空间坐标。

摄影测量的共线方程[1][2]表达式如下：

(XA, YA)和(XC, YC)为观测值，X0、Y0和R为待求未知数。给定X0、Y0和R的初始值，可计算 A、C两点在影像上的坐标(XA, YA)和(XA, YA)， 认为轮廓线上距离(XA, YA)和(XA, YA)最近的点为两点在影像上的真实坐标，与其比较并求解，可以得到X0、Y0和R的改正量，从而依此迭代求出空间圆的真实位置和半径。

在公式⑽中根据最小二乘原理可得

事实上，每个站点可以有两个视，即观测到A点和C点。每个视的约束条件只有一个，即空间切点在影像上的投影点距离轮廓线距离最小，故每个视只有一个观测值。理论上至少需要3个视求出空间圆的 X0、Y0和R。但考虑到多余观测和网形的可靠性，一般建议至少三个测站环绕烟囱均匀分布。

1.支撑载体技术化。新媒体的最典型的特征就是依托现代先进技术提供媒介服务。新媒体的应用技术，主要表现为数字技术、计算机网络技术以及移动通信技术。这三种技术不是相互独立的，而是相互支撑，共同构成了新媒体的技术支撑系统。人类历史上每一次重大的变革都与新技术的出现和使用密切相关。人们在技术的变革下获得更加快捷、丰富的信息接受渠道，这些新技术颠覆了人们过去的习惯，强迫人们适应新的媒介传播方式。可见不但是人类改变了媒体，媒体也改变了人类。

2 对比分析

对比传统监测方法，新型监测方法在理论分析和实践应用中都有巨大优势，主要体现在以下几个方面：

⑴理论严密，方法简便易行

新型监测方法依据摄影测量基本原理，共线条件方程是其数学基础。新方法的每一步都有严格的数学推导，确定了其高度的理论严密性性。摄影测量具有悠久的发展历史，经历了模拟摄影测量、解析摄影测量，现已经处于数字摄影测量阶段，理论和应用已经相当成熟，将其应用于烟囱的变形监测中，无疑是最有保障的。且新型测量方法只需拍摄获取烟囱的轮廓线信息，依次拍全烟囱的轮廓线即可，对外业无更多要求，外业人员只需远程在电脑上操作，摄影全站仪既可以自动完成全站仪的所有拍摄任务，自动化程度高。

传统方法虽然理论上可行，但其对外业人员要求较高，需要专业的测量人员对全站仪进行全手工操作，此外，传统方法解算某一断面圆平面坐标和半径时，需外业人员多个测站均对准同一个空间断面圆，烟囱表面纹理信息缺乏，不可能有空间断面圆的标示环，故外业无法满足理论上的这一要求。

⑵测前精度预估计，指导设站

测站点分布和位置对烟囱变形监测的精度是有影响的。传统监测方法在设站前无法预估最后的监测精度，即便测量后也无法给出一个精确的误差范围，这在工程测量中是无法接受的。新型监测方法正是因为其有严密的数学推导，所以其测量后能给出解算严密的精度估计。更重要的是，其在测量前能更具测站点的大致分布和位置，预估测量后的精度。这对测量任务实施前确立方案的可行性是具有重大指导意义的。

新型监测方法因为其理论的严密性和实践的可操作性，其最后的监测结果具有较高的精度。在湖南华能岳阳电厂和大唐娄底电厂的两处实验中，监测结果的精度评估中误差均在12 mm左右，而烟囱设计规范规定200 m以上烟囱的允许倾斜率为2 ‰，即400 mm，所以新型监测方法的成果精度上完全满足对烟囱安全监测的要求。

传统监测方法对最后的监测成果精度上尚无严密的精度评定，一般只是根据测量人员经验判断，成果可信度不高。

⑷成果连续性

新型监测方法所测量的空间断面圆的个数与外业作业量无关。内业解算时设置不同的断面圆间隔参数，可以得到不同密度的空间断面圆信息。另外可以直接指定空间断面圆高程，得到空间断面圆的平面坐标和半径大小。简单的说，可以认为新型监测方法测量的空间断面圆是连续的。

而传统监测方法外业工作量和所测量的空间断面圆的个数是成正比的。每增加一个断面圆的监测任务，外业监测中的每一测站点就各多一次测量，所以根本无法实现连续。而且考虑到外业的任务量，实际能测到的断面圆的个数也非常有限。无法满足需要查看指定高程断面圆参数的要求。

⑸成果应用丰富

新型监测方法的监测成果具有连续性，可以很方便的做成各种曲线图，各个不同时期的曲线做比较，断面层密度大，更能反映细节，更能发现问题，对比分析得出的结论也更有说服力。同时也可以利用监测成果数据恢复烟囱的三维模型，用于演示展览或者三维可视化分析等等。

传统监测方法测量的断面个数少，除简单的对比分析外，不能转化成其他成果。成果单一，应用范围小，扩展性不好，无法满足后续发展的需要。

⑹监测效率高

传统监测方法每一断面圆都需要人工去观测、记录，完成一个烟囱的监测任务需要两天左右，而新型监测方法除去整平定向等基本操作人工进行外，拍摄操作全自动进行，数据自动记录。完成一个烟囱的监测任务仅需要半天左右。

⑺监测成本低

新型监测方法基本实现了监测任务的自动化，大大减轻了外业强度，提高了作业效率。监测成本主要是外业成本。由于可以缩短外业工时，降低外业工作强度，监测成本得到大幅降低。成本降低能够使监测频率得到相应的上升，更进一步确保的了烟囱的安全。

表1 传统方法与新型方法对比

3 应用

为了验证基于摄影全站仪的烟囱变形测量方法，开发了专门的数据处理软件。通过此软件，可以实现工程管理，轮廓线自动提取，迭代初值求解，自动平差解算，平差解算精度评定等功能。

同时，将新型监测方法应用到华能岳阳电厂，实践证明新型方法监测的平面精度在12 mm左右，而半径精度在9 mm左右。完全满足现行规范的要求。

4 结语

通过对比分析和实验验证，在烟囱变形监测中，本项目提出的基于摄影全站仪的变形测量方法相比传统测量方法，具有理论严密，易于实施，并能在测量前进行精度预估和指导设站，测量结果精度高且有连续性、具有应用丰富，效率高，周期短，成本低的优势，可以在今后的烟囱、冷却塔和风机变形监测中加以推广应用。

[1]冯文灏．工业测量[M]．武汉：武汉大学出版社，2004．

[2]冯文灏．近景摄影测量——物体外形与运动状态的摄影法测定[M]．武汉：武汉大学出版社， 2002．

[3]冈萨雷斯．数字图像处理(第二版)[M]， 北京：电子工业出版社， 2003．

[4]武汉测绘科技大学测量平差教研室．测量平差基础(第三版)[M]．北京：测绘出版社， 2001．

[5]张祖勋， 张剑清．数字摄影测量学[M]．武汉：武汉大学出版社， 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

闾海庆 (1981-)，男，江苏南通人 ，硕士，研究方向为近景摄影测量及航空摄影测量在电力行业中的应用。