[发明专利]基于摄影全站仪的建筑物无接触式沉降监测方法

说明书

一种基于摄影全站仪的建筑物无接触式沉降监测方法，该方法为普通全站仪加装CCD模块，远距离获取建筑物局部特征影像，利用基于旋转纠正的简易标定法获取CCD模块的内外方位元素，根据加入平面方程约束的摄影测量原理计算监测点三维坐标，采用SIFT算子对各期影像进行监测点特征提取与匹配，计算建筑物各期沉降量。

技术领域

本发明属于变形监测技术领域，涉及一种利用摄影全站仪和摄影测量方法进行无接触式的建筑物沉降监测的方法。

背景技术

随着我国的经济发展和生产领域的不断扩大，许多大体量建筑物开始出现，例如超高层写字楼、核电站安全壳、塔式建筑等。这些大体量建筑在建设、维护和运营等阶段都极有可能发生变形，其中影响最大的是沉降，因此必须进行沉降监测。沉降监测技术的发展依赖于变形监测领域内技术的革新，传统的技术包括水准测量、静力水准测量、GNSS实时监测、全站仪三角高程法等，这些方法通过在建筑物上安装沉降观测钉或固定观测墩、GPS接收机、棱镜等设备作为固定监测点，定期进行测量获取三维坐标，计算各期沉降量。但在实际工程中，许多特大异形建筑或大型设备难以安装固定观测设备甚至无法直接接触，例如抚顺的“生命之环”巨型城市景观建筑、核电站发电机组定子转子等难以安装设备，对于基坑工程周边的居民住宅楼，小区居民因不想被打扰而阻止测量设备的安装等。全站仪三角高程法虽有无棱镜模式，但因无法安装固定的标志点而不能针对建筑物上的同一点进行多期的沉降监测。在基于摄影测量的变形监测领域，法国SITES公司的SCANSITES变形监测系统利用人工操控电机并带动折返镜头获取核电站安全壳外观影像，检测外观缺陷并计算缺陷概略位置，但其人工操控所达到的精度极其有限。武汉大学徐亚明教授团队研制的远距离缺陷检查与测量系统，利用高精度旋转云台承载超长焦相机获取建筑物影像，利用摄影测量微分纠正方法计算缺陷三维坐标，但由于云台旋转角度精度有限(94″)，定位精度虽然有所提高但仍有限。

发明内容

本发明目的是解决某些特大异形建筑物无法直接接触并设置测量标志，进而无法进行沉降监测的问题，提供一种基于摄影全站仪的建筑物无接触式沉降监测方法，并提供精度较高的监测结果。

本发明的技术方案：

一种基于摄影全站仪的建筑物无接触式沉降监测方法，该方法为普通全站仪加装CCD模块，远距离获取建筑物局部特征影像，利用基于旋转纠正的简易标定法获取CCD模块的内外方位元素，根据加入平面方程约束的摄影测量原理计算监测点三维坐标，采用SIFT算子对各期影像进行监测点特征提取与匹配，计算建筑物各期沉降量。该方法的具体步骤如下：

第1步、基于旋转纠正的简易标定

沉降监测点坐标的解算需要CCD模块相对于全站仪坐标系的内外方位元素，将全站仪的目镜部分替换为CCD影像模块，在此基础上提出一种基于旋转纠正的简易标定法，即对影像进行旋转纠正以完成CCD模块的简易标定，获取相对于全站仪坐标系的内外方位元素。方法为：在CCD获取的影像上提取两个像控点，根据像控点物方和像方坐标计算旋转角度并进行旋转纠正，使全站仪坐标系与CCD模块的像空间坐标系平行，使外方位元素转化为单位矩阵和零矩阵；在影像上提取圆形视野，以圆心坐标作为内方位元素中的像主点坐标；内方位元素中的像主距则根据全站仪望远镜成像原理和视场角不变的特性进行计算；

具体步骤如下：

全站仪望远镜中的像空间坐标系与全站仪坐标系是完全重合的，其外方位元素中的旋转矩阵R是简单的单位矩阵，平移矩阵T是简单的零矩阵：

在外部安装的CCD模块由于安装精度有限，CCD模块的像空间坐标系相对于水平状态的全站仪坐标系发生了旋转和平移，因此首先对影像进行旋转纠正，使两坐标系平行。在CCD获取的影像上提取A、B两个像控点，两坐标系间的旋转角度θ为：