2016, Vol. 41引用本文 |
| 加油站罩棚变形监测的摄影测量方法与精度分析 |  [PDF全文] |
2. 海岛（礁）测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室, 山东青岛 266590
2. Key Laboratory of Surveying and Mapping Technology on Island and Reef, National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, Qingdao 266590, China
某加油站位于煤矿采动倾向内，其罩棚为平板网架结构，且跨距较大，采用独立悬臂四点支撑，抗变形能力差，煤炭开采导致的地表倾斜极易造成罩棚整体失稳倒塌。应对其进行定期监测，根据实际变形情况判定是否需要进行加固，以保障加油站的安全运营。
由于加油站所处位置特殊，测量现场没有稳固的控制点，且罩棚距地面高达8 m，所以只能对其进行三维监测得到变形数据。三维监测常用仪器有全站仪、Leica Axyz经纬仪测量系统和激光扫描仪等，其中Axyz经纬仪测量系统凭借其实时、高精度和无接触测量的优势[1]，已经在工业测量领域得到了广泛应用[2-5]。但是电子经纬仪在测量过程中需要逐一瞄准目标点，外业工作量大。MetroIn_DPM数字工业摄影测量系统是用相机对目标点拍摄像片，通过图像处理获取点位坐标，外业测量工作量小，但其测量精度和可靠性还需进一步验证。
本文通过室内实验和现场实践，以高精度的Axyz测量数据为外部检核条件对MetroIn_DPM进行了精度测试，进而用数字工业摄影测量的方法完成了加油站罩棚的变形监测工作。
1 MetroIn_DPM数字工业摄影测量MetroIn_DPM是信息工程大学测绘学院自主研制的一套数字工业摄影测量系统，由相机、环形闪光灯、圆形测量标志和编码标志、MetroIn_DPM系统软件以及定向靶、基准尺等附件组成[6, 7]，如图 1所示。
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| 图 1 MetroIn_DPM系统组成 Figure 1 MetroIn_DPM System |
选用Canon EOS 5D Mark II相机拍摄回光反射标志，生成标志与背景灰度对比明显的高质量“准二值”影像[8]。根据三角形交会的测量原理，用定向靶确定初始测量坐标系，基准尺提供长度基准。利用系统软件实现人工标志点和定向靶的自动识别、像片的自动概略定向、像点的自动匹配，最后通过自检校光束法平差得到被测点精确的三维坐标[6]。
2 MetroIn_DPM精度评定 2.1 精度测试实验目前，MetroIn_DPM系统主要应用在大尺寸、高精度、动态测量中，如大型天线安装、热真空环境中卫星天线的变形测量等[7]，在大型建筑的三维监测中应用甚少，故需借助Axyz经纬仪测量系统对MetroIn_DPM系统进行精度测试，验证其能否满足监测要求。
在凹凸不平的实验墙体上共布设了50个测量目标点(如图 2所示)。首先用Axyz系统在距墙体7 m的位置，以3 m基线设站，得到各点的三维坐标;然后用MetroIn_DPM系统在距墙体11 m的位置，选择焦距为40 mm的镜头，以1/2曝光度和1/200快门速度，在水平和竖直方向共拍摄像片88张。
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| 图 2 实验点位布置示意图 Figure 2 Distribution of Experimental Points |
表 1为Axyz和MetroIn_DPM分别测得的点位精度，以及将工业摄影测量结果转换到经纬仪系统测量坐标系后的坐标差值。
| 表 1 实验目标点的精度情况/mm Table 1 Accuracy of Experimental Points/mm |
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由表 1可知，两套系统测量结果坐标转换中误差仅为0.259 mm，转换后坐标差值均值仅为0.271 mm。
选取实验目标点间多条边S1、S2、S3、S4和S5，借助Axyz的测量结果检核了MetroIn_DPM的外符合精度，如表 2所示。
| 表 2 长度测量精度测试结果/mm Table 2 Accuracy of Length Measurement Tests/mm |
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实验结果表明，MetroIn_DPM数字工业摄影测量系统点位测量精度可以达到亚毫米级，而且长度测量精度可靠。
2.2 现场测量精度选取了加油站罩棚东侧面的37个目标点，实际检核MetroIn_DPM系统的测量精度。已知罩棚侧面长为30 m，宽度仅为1 m，首先用Axyz测量系统在距加油站7 m的位置以4 m基线设站测量，然后用相机在距加油站约12 m处共设站32次，拍摄了105张像片，联合解算后得到MetroIn_DPM系统测量结果。
由表 3可见，两套系统现场测量的精度与实验精度相差不大，但现场数据转换后的坐标差值却与实验结果稍有出入。由于系统测量范围有限，需多次设站才能完成罩棚上目标点的观测，统一坐标系的过程中必然会造成误差的积累，且现场测量环境复杂多变，出现上述情况在所难免。
| 表 3 现场目标点的精度情况/mm Table 3 Accuracy of Field Points/mm |
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综合实验和现场实测结果可见，MetroIn_DPM系统测量精度高、稳定性好，可以满足此次加油站罩棚的测量需要。
3 变形监测方案及成果分析 3.1 变形监测方案加油站位于煤矿采区内，矿区存在整体变形，在测量现场很难找到稳固的控制点，无法建立测量坐标系与当地坐标系之间的联系，无法得到罩棚各点的绝对变形值。故首先同时使用Axyz和MetroIn_DPM系统对加油站罩棚及支柱进行第1期精密测量，将摄影测量数据转换到经纬仪测量坐标系中，作为第1期监测结果。以一个月为周期，用MetroIn_DPM系统又进行了两期观测，每次的测量结果都转化到第1期经纬仪测量坐标系中，分析罩棚与支柱的变形。在加油站罩棚4个侧面以及4根支柱的外表面共布设目标点203个，点位布置示意图如图 3所示。
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| 图 3 加油站罩棚及支柱点位布置示意图 Figure 3 Points Distribution on Gas Station's Tent and Pillars |
3.2 变形成果分析
表 4为罩棚各个侧面点以及各个支柱上点的第2期沉降变形情况。
| 表 4 加油站罩棚及支柱点的第2期沉降变形/mm Table 4 The Second Phase Deformation of Points on Gas Station's Tent and Pillars/mm |
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由表 4可知，加油站罩棚及支柱点沉降变形较为严重，因此对支柱进行了加固，并在距加油站外侧1.5 m处开挖了深于地基底部的缓冲沟，在沟内充填了沙子，以减少煤炭开采导致的地表压缩变形对加油站的影响[9, 10]。
一个月后，使用MetroIn_DPM系统对罩棚点进行了第3期变形监测，图 4和图 5分别展示了加油站罩棚北侧面点(Ni)和南侧面点(Si)两期监测的沉降变形速率，即每个点每天的平均变形量。
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| 图 4 北侧面点的沉降变形速率 Figure 4 Deformation Rate of Northern Points |
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| 图 5 南侧面点的沉降变形速率 Figure 5 Deformation Rate of Southern Points |
由图 4、图 5可见，第2期变形速率较大的罩棚点均位于支柱附近，支柱直接受煤矿开采导致的地表变形的影响，导致支柱周围的罩棚点明显比其他点变形严重。对支柱和地基加固之后，第3期的变形速率明显降低，总体变形趋势也更为平稳，一定程度上提高了加油站抵抗变形的能力。
4 结束语本文介绍了MetroIn_DPM数字工业摄影测量系统在加油站罩棚变形监测中的应用，重点对该系统进行了精度评定。与经纬仪测量系统相比，工业摄影测量系统外业测量方便快捷、精度可靠、稳定性好，必将拥有更为广阔的应用前景。
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