专利名称：基于轮廓线的高大烟囱变形测量方法
技术领域：
本发明属于工程测量领域，涉及一种精确监测烟囱变形方法。
背景技术：
随着我国现代化事业的发展，越来越多的高层建筑物兴起。而烟囱作为高层建筑 物的代表之一，对工业生产有着重要的意义。高层建筑为现代化建设生产服务的同时，也存 在着安全风险，一旦发生意外，将给人民生命和国家财产造成无法估量的损失。工程变形观 测是高层建筑安全可靠运行的保证，所以超高烟囱必须定期进行安全监测。电力是我国生 产生活的基本需要，目前我国80%的电力来自火电，而烟囱是火电站必不可少的建筑物。为 保证火电厂的安全生产，保证电力的正常供应，必须有一整套系统的精确的对烟囱变形进 行定期监测的方法和流程。与普通高层建筑物相比，烟囱有一定的特殊性，加大了变形观测的难度。特点有 1、无法直接测定烟囱中心。监测烟囱变形主要是监测烟囱中心线的水平位移，而中心线不 可视，只能间接测量。2、表面粗糙，反射回波弱，无法直接用全站仪测量表面点坐标。3、纹 理信息缺乏，无标志点。一般高层建筑物可以通过交会法获得标志点的空间坐标，通过标志 点的水平位移来判断建筑物的水平位移。目前工程测量中，对烟囱的变形监测尚无较为完善的方法，一般都是假定烟囱的 每一个水平断面均为一个规则的圆，采用观测烟囱轮廓线的方法交会空间圆心坐标。如

图1 所示，通过多个站点同时观测烟囱同一断面层的轮廓，将每一次的观测视为一个视，图1中 三个站共有六个视，由水平角和站点坐标可以算出每一条视线的直线方程，此直线即为圆 的切线。多次观测，多条视线可以确定出一个内切圆，圆心即为此断面烟囱的中心坐标。传 统方法理论上严密，可在实际烟囱测量中难于操作。因为烟囱表面的复杂性，无法做到每个 视所见的烟囱轮廓均在同一个断面层上，所以实际作业中采用此种方法是不严密的。传统 烟囱测量的另一个弊端是监测工作量和所需要获取的断面层数成正比，当需要较密集地获 取烟囱中心线上点的坐标，以便精确分析中心线形变趋势时，作业量巨大。针对传统方法的局限性，结合摄影测量理论与计算机视觉技术，现提出一种基于 轮廓线的高大烟 变形测量方法。该方法能较好的解决烟 测量中问题。该方法仍然将烟 囱抽象为一个一个的断面圆，将断面圆投影至影像上，将得到一个规则的椭圆；提取影像上 的烟囱的轮廓线，将得到一段光滑的连续的曲线；根据摄影几何原理，视线与空间圆的切点 在影像上的投影必定位于轮廓线上，由此构成对空间圆的约束。同一个位置可以拍摄烟囱 的左右两条轮廓线，改变摄影位置，可以构成更多的约束。给定一个空间断面圆高程，可以 获得烟囱中该断面圆的圆心位置和半径。给定烟囱中不同的高程，即可获得烟囱中不同的 空间断面圆，无数个空间断面圆构成烟囱的表面模型。

发明内容
本发明所提出的基于轮廓线的高大烟囱变形测量方法中，测量原理基本思想如下基于轮廓线的高大烟囱变形测量方法采用带数码相机的全站仪，如日本拓普康公 司生产的TOPCON Image Station (简称IS) 201图像全站仪进行测量。IS将数码相机与全 站仪有机集成在一起，可以实现摄影同时获取影像的内外方位元素。基本原理是将空间断 面圆投影到影像上，将会得到一个规则的椭圆，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。保证切点在图像上的投影点与图像 烟囱轮廓线的距离最小，至少三个观测(即三条视线)可以定出空间圆的中心坐标(X，Y) 和半径R，一般有多余观测，八个视左右最小二乘，即可以精确定出空间圆的中心坐标。如图2所示，设烟囱空间断面圆为圆0，空间测站点为S，SZ为竖直向上方向。圆 0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0'，设SL' i为圆0'的切线，切点为A'，则有0' A'丄SL' 10设A是A'投 影前点，则有AA' //SZ，所以点A在平面L1' SZ上。由AA' //00'可得AA' 00'共面。 SL'丄…A'，SL'丄⑷‘可得SL'垂直于平面AA' 00'，故SL' ilOA，再由 OA丄SZ可得出OA平面L1' SZ0故OA丄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。故视线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0竖直向下在站 点S所在水平面的投影圆0'的切线SL'工与圆0'的切点A'的平面坐标。为方便计算，如图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0，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，在影像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3中，设0点坐标为(Xtl, Ytl，Ztl),则A、C两点坐标可以表示为
A (X0+Rcos θ ” Y0+Rsin θ Z0) C (X0+Rcos θ 2，Y0+Rsin θ 2，Z0)
①
IJ
O
Il
CD
參
￡ 则
m,
Bti 垂
D C
与
O C
线
直，·
d a
DS^ JCo
有X Hg -贝
一壬1
垂
D
A
与
O
A
线
直 [i COS^1 i Sin^1 0] [i cos ^2 i sin ^2 0]
70+i Sin^1 0
X0+RcosO2-Xs Yo+Rsm02-Ys 0
=0②
=0
由公式②可得，当Xs > =Xtl时 θ i = b-( π/2-a)③
θ 2 = b+(Ji/2-a) 当Xs < X。时
θ ！ = JI +b- (31 /2-a) ④ θ 2 = Ji +b+ ( π /2-a) 其中 a - arcsin
4
b = arctan ((Ys-Y0) / (Xs-X0))由公式①②③④⑤可知，如果已知空间圆的位置(XQ，YQ，ZQ)与半径R，摄影中心位 置(\，1，&)，可以得到Q1* θ 2，进而求出A、C的空间坐标。
摄影测量的共线方程表达式如下
a^X-X^ + b^Y-Y^ + c^Z-Z^
χ — X0 = —f
y-y0=-f
a2(X-Xs) + b2(Y-Ys) + c2(Z-Zs)
a3(X-Xs) + b3(Y-Ys) + c3(Z-Zs)
依据共线方程可以将A、C两点投影到影像上。
⑥^ =,U -j— + X0 W 0
Λ =,V ~fw+y°
xc =,L -j— + X0 N 0
^c =少。
其中
U =a! (X0+Rcos θrXs) +b^Yo+Rsin θi"Ts)+C1 (Z0-Zs)
V =a2 (X0+Rcos θrXs) +b2 (Y0+Rsin θi-Ys)+c2 (Z0-Zs)
W =a3 (X0+Rcos θrXs) +b3(Y0+Rsin θi-Ys)+C3 (Z0-Zs)
L =a1 (X0+Rcos θ ,,-Xs) +b^Yo+Rsin θ ,^Ys)+C1 (Z0-Zs)
M =a2 (X0+Rcos θ ,,-Xs) +b2 (Y0+Rsin θ ,Λ +c2(Z0-Zs)
N =a3 (X0+Rcos θ ,,-Xs) +b3(Y0+Rsin θ ,Λ+C3(Z0-Zs)
权利要求
一种基于轮廓线的高大烟囱变形测量方法，其特征在于包括如下步骤A.用带数码相机的全站仪，拍摄烟囱的轮廓，对烟囱同一条轮廓线的相邻两次拍摄相片保证垂直方向上有重叠；B.影像中烟囱轮廓线的快速提取；C.烟囱中心初值的计算；D.根据烟囱中心初值与和已知的测站坐标选择给定高程空间断面圆投影所在的最合适的相片；E.迭代计算初值的获取，迭代计算空间断面圆圆心坐标和半径。
2.如如权利要求1所述的基于轮廓线的高大烟囱变形测量方法，其特征在于所述烟囱 轮廓线的快速提取，包括(1)边缘点提取；(2) RANSAC直线拟合；(3)轮廓线确定。
3.如权利要求1所述的一种基于轮廓线的高大烟囱变形测量方法，其特征在于所述烟 囱中心初值的计算，包括1)每一测站中，计算左轮廓线影像序列中对应水平角中位数与右轮廓线影像序列中对 应水平角中位数平均值，该值认为是测站中心到烟囱中心的水平角；2)根据测站中心水平坐标和对应水平角，交会得出烟@中心水平坐标初值。
4.如权利要求1所述的一种基于轮廓线的高大烟囱变形测量方法，其 特征在于所述迭代计算空间断面圆圆心坐标和半径，包括(1)确定角度 β和对应的切点2或C空间坐标；(2)计算切点在影像上的投影点坐标；(3)列误差方程 式，平差；(4)若未知数改正数小于给定阈值，改正后的未知数值作为迭代最终结果，迭代 结束，否则，以改正后的未知数值作为下一次迭代初值，转(1)。
5.如权利要求1所述的一种基于轮廓线的高大烟囱变形测量方法，其特征在于对烟囱 同一条轮廓线的相邻两次拍摄相片垂直方向上有50%重叠。
全文摘要
本发明公开一种基于轮廓线的高大烟囱变形测量的方法，包括如下步骤A)用带数码相机的全站仪，拍摄烟囱的轮廓，对烟囱同一条轮廓线的相邻两次拍摄相片保证垂直方向上有重叠；B)影像中烟囱轮廓线的快速提取；C)烟囱中心初值的计算；D)根据烟囱中心初值与和已知的测站坐标选择给定高程空间断面圆投影所在的最合适的相片；E)迭代计算初值的获取，迭代计算空间断面圆圆心坐标和半径。此方法可快速实现对烟囱的水平位移监测，精度高，可用能否快速测量烟囱各断面圆圆心坐标和半径来判断其是否满足要求。
文档编号G01B11/16GK101975556SQ201010505578
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月13日 优先权日2010年10月13日
发明者胡华亮, 郑顺义, 闾海庆, 马电 申请人:武汉大学