專利名稱：基于輪廓線的高大煙囪變形測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工程測量領(lǐng)域，涉及一種精確監(jiān)測煙囪變形方法。
背景技術(shù)：
隨著我國現(xiàn)代化事業(yè)的發(fā)展，越來越多的高層建筑物興起。而煙囪作為高層建筑 物的代表之一，對工業(yè)生產(chǎn)有著重要的意義。高層建筑為現(xiàn)代化建設(shè)生產(chǎn)服務(wù)的同時，也存 在著安全風(fēng)險，一旦發(fā)生意外，將給人民生命和國家財產(chǎn)造成無法估量的損失。工程變形觀 測是高層建筑安全可靠運行的保證，所以超高煙囪必須定期進(jìn)行安全監(jiān)測。電力是我國生 產(chǎn)生活的基本需要，目前我國80%的電力來自火電，而煙囪是火電站必不可少的建筑物。為 保證火電廠的安全生產(chǎn)，保證電力的正常供應(yīng)，必須有一整套系統(tǒng)的精確的對煙囪變形進(jìn) 行定期監(jiān)測的方法和流程。與普通高層建筑物相比，煙囪有一定的特殊性，加大了變形觀測的難度。特點有 1、無法直接測定煙囪中心。監(jiān)測煙囪變形主要是監(jiān)測煙囪中心線的水平位移，而中心線不 可視，只能間接測量。2、表面粗糙，反射回波弱，無法直接用全站儀測量表面點坐標(biāo)。3、紋 理信息缺乏，無標(biāo)志點。一般高層建筑物可以通過交會法獲得標(biāo)志點的空間坐標(biāo)，通過標(biāo)志 點的水平位移來判斷建筑物的水平位移。目前工程測量中，對煙囪的變形監(jiān)測尚無較為完善的方法，一般都是假定煙囪的 每一個水平斷面均為一個規(guī)則的圓，采用觀測煙囪輪廓線的方法交會空間圓心坐標(biāo)。如

圖1 所示，通過多個站點同時觀測煙囪同一斷面層的輪廓，將每一次的觀測視為一個視，圖1中 三個站共有六個視，由水平角和站點坐標(biāo)可以算出每一條視線的直線方程，此直線即為圓 的切線。多次觀測，多條視線可以確定出一個內(nèi)切圓，圓心即為此斷面煙囪的中心坐標(biāo)。傳 統(tǒng)方法理論上嚴(yán)密，可在實際煙囪測量中難于操作。因為煙囪表面的復(fù)雜性，無法做到每個 視所見的煙囪輪廓均在同一個斷面層上，所以實際作業(yè)中采用此種方法是不嚴(yán)密的。傳統(tǒng) 煙囪測量的另一個弊端是監(jiān)測工作量和所需要獲取的斷面層數(shù)成正比，當(dāng)需要較密集地獲 取煙囪中心線上點的坐標(biāo)，以便精確分析中心線形變趨勢時，作業(yè)量巨大。針對傳統(tǒng)方法的局限性，結(jié)合攝影測量理論與計算機視覺技術(shù)，現(xiàn)提出一種基于 輪廓線的高大煙 變形測量方法。該方法能較好的解決煙 測量中問題。該方法仍然將煙 囪抽象為一個一個的斷面圓，將斷面圓投影至影像上，將得到一個規(guī)則的橢圓；提取影像上 的煙囪的輪廓線，將得到一段光滑的連續(xù)的曲線；根據(jù)攝影幾何原理，視線與空間圓的切點 在影像上的投影必定位于輪廓線上，由此構(gòu)成對空間圓的約束。同一個位置可以拍攝煙囪 的左右兩條輪廓線，改變攝影位置，可以構(gòu)成更多的約束。給定一個空間斷面圓高程，可以 獲得煙囪中該斷面圓的圓心位置和半徑。給定煙囪中不同的高程，即可獲得煙囪中不同的 空間斷面圓，無數(shù)個空間斷面圓構(gòu)成煙囪的表面模型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所提出的基于輪廓線的高大煙囪變形測量方法中，測量原理基本思想如下基于輪廓線的高大煙囪變形測量方法采用帶數(shù)碼相機的全站儀，如日本拓普康公 司生產(chǎn)的TOPCON Image Station (簡稱IS) 201圖像全站儀進(jìn)行測量。IS將數(shù)碼相機與全 站儀有機集成在一起，可以實現(xiàn)攝影同時獲取影像的內(nèi)外方位元素。基本原理是將空間斷 面圓投影到影像上，將會得到一個規(guī)則的橢圓，而根據(jù)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。保證切點在圖像上的投影點與圖像 煙囪輪廓線的距離最小，至少三個觀測(即三條視線)可以定出空間圓的中心坐標(biāo)(X，Y) 和半徑R，一般有多余觀測，八個視左右最小二乘，即可以精確定出空間圓的中心坐標(biāo)。如圖2所示，設(shè)煙囪空間斷面圓為圓0，空間測站點為S，SZ為豎直向上方向。圓 0所在平面為水平面，顯然沿Z負(fù)方向，其在經(jīng)過站點S的水平面上的投影為正圓，設(shè)其投 影圓為圓0'，設(shè)SL' i為圓0'的切線，切點為A'，則有0' A'丄SL' 10設(shè)A是A'投 影前點，則有AA' //SZ，所以點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(gòu)成輪廓線。故視線SL1與空間圓的“切點”A(準(zhǔn)確說是經(jīng)過站點S 的鉛垂面與空間斷面圓相切的切點)平面坐標(biāo)等價于由經(jīng)站點S到空間圓0豎直向下在站 點S所在水平面的投影圓0'的切線SL'工與圓0'的切點A'的平面坐標(biāo)。為方便計算，如圖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(shè)空間圓圓心為0，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，在影像上表現(xiàn)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3中，設(shè)0點坐標(biāo)為(Xtl, Ytl，Ztl),則A、C兩點坐標(biāo)可以表示為
A (X0+Rcos θ ” Y0+Rsin θ Z0) C (X0+Rcos θ 2，Y0+Rsin θ 2，Z0)
①
IJ
O
Il
CD
參
￡ 則
m,
Bti 垂
D C
與
O C
線
直，·
d a
DS^ JCo
有X Hg -貝
一壬1
垂
D
A
與
O
A
線
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，當(dāng)Xs > =Xtl時 θ i = b-( π/2-a)③
θ 2 = b+(Ji/2-a) 當(dāng)Xs < X。時
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，如果已知空間圓的位置(XQ，YQ，ZQ)與半徑R，攝影中心位 置(\，1，&)，可以得到Q1* θ 2，進(jìn)而求出A、C的空間坐標(biāo)。
攝影測量的共線方程表達(dá)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)
依據(jù)共線方程可以將A、C兩點投影到影像上。
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)
權(quán)利要求
一種基于輪廓線的高大煙囪變形測量方法，其特征在于包括如下步驟A.用帶數(shù)碼相機的全站儀，拍攝煙囪的輪廓，對煙囪同一條輪廓線的相鄰兩次拍攝相片保證垂直方向上有重疊；B.影像中煙囪輪廓線的快速提??；C.煙囪中心初值的計算；D.根據(jù)煙囪中心初值與和已知的測站坐標(biāo)選擇給定高程空間斷面圓投影所在的最合適的相片；E.迭代計算初值的獲取，迭代計算空間斷面圓圓心坐標(biāo)和半徑。
2.如如權(quán)利要求1所述的基于輪廓線的高大煙囪變形測量方法，其特征在于所述煙囪 輪廓線的快速提取，包括(1)邊緣點提??；(2) RANSAC直線擬合；(3)輪廓線確定。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于輪廓線的高大煙囪變形測量方法，其特征在于所述煙 囪中心初值的計算，包括1)每一測站中，計算左輪廓線影像序列中對應(yīng)水平角中位數(shù)與右輪廓線影像序列中對 應(yīng)水平角中位數(shù)平均值，該值認(rèn)為是測站中心到煙囪中心的水平角；2)根據(jù)測站中心水平坐標(biāo)和對應(yīng)水平角，交會得出煙@中心水平坐標(biāo)初值。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于輪廓線的高大煙囪變形測量方法，其 特征在于所述迭代計算空間斷面圓圓心坐標(biāo)和半徑，包括(1)確定角度 β和對應(yīng)的切點2或C空間坐標(biāo)；(2)計算切點在影像上的投影點坐標(biāo)；(3)列誤差方程 式，平差；(4)若未知數(shù)改正數(shù)小于給定閾值，改正后的未知數(shù)值作為迭代最終結(jié)果，迭代 結(jié)束，否則，以改正后的未知數(shù)值作為下一次迭代初值，轉(zhuǎn)(1)。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于輪廓線的高大煙囪變形測量方法，其特征在于對煙囪 同一條輪廓線的相鄰兩次拍攝相片垂直方向上有50%重疊。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于輪廓線的高大煙囪變形測量的方法，包括如下步驟A)用帶數(shù)碼相機的全站儀，拍攝煙囪的輪廓，對煙囪同一條輪廓線的相鄰兩次拍攝相片保證垂直方向上有重疊；B)影像中煙囪輪廓線的快速提??；C)煙囪中心初值的計算；D)根據(jù)煙囪中心初值與和已知的測站坐標(biāo)選擇給定高程空間斷面圓投影所在的最合適的相片；E)迭代計算初值的獲取，迭代計算空間斷面圓圓心坐標(biāo)和半徑。此方法可快速實現(xiàn)對煙囪的水平位移監(jiān)測，精度高，可用能否快速測量煙囪各斷面圓圓心坐標(biāo)和半徑來判斷其是否滿足要求。
文檔編號G01B11/16GK101975556SQ201010505578
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月13日
發(fā)明者胡華亮, 鄭順義, 閭海慶, 馬電 申請人:武漢大學(xué)