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一、引言

在實(shí)際測(cè)量工作中，大型油罐、煙囪等罐狀體由于受到外界作用力的影響，在使用一定時(shí)間后需要對(duì)其形狀、容積等重新進(jìn)行測(cè)量以判斷是否發(fā)生變化，因此罐體檢測(cè)成為必不可少的工作。檢測(cè)掃描需要間隔一定高度掃描整個(gè)罐體，且要求測(cè)量精度高以及獲取整個(gè)罐體變形量的大小，采用人工作業(yè)則勞動(dòng)強(qiáng)度大且效率低，同時(shí)由于罐體不易于放置反射棱鏡，因此考慮采用無(wú)棱鏡測(cè)量機(jī)器人完成罐體的掃描檢測(cè)任務(wù)。

測(cè)量機(jī)器人是一種能代替人工進(jìn)行自動(dòng)搜索、跟蹤、識(shí)別和精確照準(zhǔn)目標(biāo)并獲取角度、距離、三維坐標(biāo)以及影像等信息的智能型電子全站儀。它是在全站儀基礎(chǔ)上集成步進(jìn)馬達(dá)、CCD影像傳感器構(gòu)成的視頻成像系統(tǒng)，并配置智能化的控制及應(yīng)用軟件發(fā)展而成。其目標(biāo)自動(dòng)尋找、識(shí)別和精確照準(zhǔn)功能，可在短時(shí)間內(nèi)對(duì)多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)和重復(fù)觀測(cè)，目前一些測(cè)量機(jī)器人不需要合作目標(biāo)，即可根據(jù)物體的特征點(diǎn)、輪廓線(xiàn)和紋理，用影像處理的方法自動(dòng)識(shí)別、匹配和照準(zhǔn)目標(biāo)，獲取目標(biāo)的三維坐標(biāo)及形狀，成為罐體掃描檢測(cè)的首選。

TM30是徠卡測(cè)量系統(tǒng)2009年推出的一款無(wú)棱鏡測(cè)量機(jī)器人，該儀器測(cè)量精度高、速度快，且為全自動(dòng)化設(shè)計(jì)，能夠確保全天候無(wú)間斷的工作。徠卡TM30帶有精確的自動(dòng)照準(zhǔn)、快速可靠的智能自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別測(cè)程可達(dá)3000m且精度達(dá)到毫米級(jí)，該技術(shù)能夠大大提高監(jiān)測(cè)半徑，降低設(shè)備及資金的投入。TM30的數(shù)字影像采集功能可以在測(cè)點(diǎn)時(shí)拍攝監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影像信息并保存及傳輸，在遠(yuǎn)程控制的同時(shí)實(shí)時(shí)了解監(jiān)測(cè)區(qū)域的通視情況和潛在風(fēng)險(xiǎn)。該儀器使用的新一代PinPoint EDM測(cè)距技術(shù)，能夠達(dá)到更高的測(cè)距精度，有棱鏡測(cè)距精度為±(0.6mm＋1×10-6Ｄ) ，無(wú)棱鏡測(cè)距精度為±(2mm＋2×10-6Ｄ)，無(wú)棱鏡測(cè)程超過(guò)1000m。測(cè)角精度有±0.5"和±0.1"兩種選擇，能確保每次測(cè)量的高可靠性，同時(shí)能夠勝任最?lèi)毫拥墓ぷ鳝h(huán)境。TM30還提供機(jī)載程序，可以用GeoC++平臺(tái)編寫(xiě)專(zhuān)用程序，滿(mǎn)足用戶(hù)的實(shí)際需求，在罐狀體掃描檢測(cè)方面擁有極大優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。

二、軟件及編程框架

2.1 GeoC++開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

徠卡測(cè)量系統(tǒng)為T(mén)M30測(cè)量機(jī)器人提供了GeoC++的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該開(kāi)發(fā)工具采用面向?qū)ο蟮姆椒?，具有豐富的應(yīng)用函數(shù)，功能強(qiáng)大。該開(kāi)發(fā)系統(tǒng)還提供了儀器模擬器，可通過(guò)軟件方法模擬儀器環(huán)境調(diào)試程序。

GeoC++編程框架如圖1所示，包含GPS和TPS兩種測(cè)量模式，且各自有支持自己的硬件及應(yīng)用程序，同時(shí)還包含通用的硬件和應(yīng)用程序。硬件庫(kù)分別為：GPS硬件、TPS硬件、通用硬件、數(shù)據(jù)庫(kù)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、幾何圖形以及傳感器獲得的數(shù)據(jù)。

軟件庫(kù)如圖2所示，一般的，每一個(gè)機(jī)載應(yīng)用程序都包括以下四個(gè)類(lèi)：

 一個(gè)應(yīng)用程序類(lèi)（Application類(lèi)），該類(lèi)是從GUI::ApplicationC中繼承而來(lái)；

 一個(gè)或多個(gè)cotroller類(lèi)，controller類(lèi)是屬于application類(lèi)，該類(lèi)是從GUI::ControllerC中繼承而來(lái)，controller類(lèi)用于產(chǎn)生和維護(hù)dialog類(lèi)，例如打開(kāi)、關(guān)閉對(duì)話(huà)框或是單擊某個(gè)功能鍵；

 一個(gè)或多個(gè)model類(lèi)，model類(lèi)屬于application類(lèi)或是controller類(lèi)。model類(lèi)是從GUI::ModelC中繼承得到，一般的，model類(lèi)中包含有應(yīng)用程序所需的數(shù)據(jù)；

 一個(gè)或多個(gè)dialog類(lèi)，dialog類(lèi)屬于controller類(lèi)，且每個(gè)controller類(lèi)包含有至少一個(gè)dialog類(lèi)，為了能夠在dialog類(lèi)更容易得獲得應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，則需繼承GUI::ModelHandlerC基類(lèi)。

2.2 罐體掃描監(jiān)測(cè)主要功能模塊

罐體掃描即是對(duì)罐體變形進(jìn)行掃描測(cè)量，其主要功能模塊包括：掃描設(shè)置、基圓掃描以及罐體掃描，掃描界面如圖3所示。

圖3 罐體掃描選擇界面

2.2.1 掃描設(shè)置

掃描設(shè)置包括：基圓掃描設(shè)置（自動(dòng)或手動(dòng)）、基圓掃描方式（部分掃描或全掃描）、掃描高度間距設(shè)置、掃描步進(jìn)（距離、角度、等分）、步進(jìn)輸入等；掃描設(shè)置界面如圖4所示?；鶊A掃描設(shè)置分為自動(dòng)掃描或手動(dòng)掃描，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇，若選擇自動(dòng)掃描則需要設(shè)置掃描方式——進(jìn)行部分掃描或是全掃描，部分掃描則是根據(jù)設(shè)定的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)坐標(biāo)完成掃描，在設(shè)定基圓掃描信息之后，還需設(shè)置整個(gè)罐體掃描高度間距以及掃描的步進(jìn)，高度間距即為按照設(shè)定的高度進(jìn)行橫向掃描罐體，掃描步進(jìn)可按照距離、角度或等分來(lái)進(jìn)行掃描，同時(shí)對(duì)于每種步進(jìn)方式設(shè)置步進(jìn)長(zhǎng)度輸入，至此掃描設(shè)置完成。

圖4 掃描設(shè)置界面

2.2.2 基圓掃描

基圓掃描包括：基圓確定和基圓掃描?；鶊A確定即為通過(guò)手動(dòng)掃描三個(gè)控制點(diǎn)，初始確定罐體圓心及半徑，然后再根據(jù)基圓掃描設(shè)置自動(dòng)或手動(dòng)掃描基圓，并對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析，基圓掃描界面如圖5所示。

圖5 基圓掃描界面

2.2.3 罐體掃描

罐體掃描即為根據(jù)掃描高度間距設(shè)置結(jié)果分別自動(dòng)掃描各個(gè)高度的罐體斷面以完成整個(gè)的罐體掃描，罐體掃描界面如圖6所示。

圖6 罐體掃描開(kāi)始界面


三、算法介紹及實(shí)例分析

3.1 平差原理

數(shù)據(jù)處理采用的是基于穩(wěn)健估計(jì)的直接最小二乘圓擬合算法，由于罐體橫截面一般為標(biāo)準(zhǔn)的圓面，因此用圓方程可表示為：
（1）
式中，為圓心坐標(biāo)；R為圓的半徑。
對(duì)于測(cè)點(diǎn)，其誤差方程為：
（2）
將（2）式進(jìn)行線(xiàn)性化后，并令
，則方程為：
（3）
解算過(guò)程中圓心坐標(biāo)及半徑的迭代初值可以取為三點(diǎn)確定的圓心坐標(biāo)及半徑。然而在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，由于粗差的存在使得擬合精度降低，甚至偏離擬合結(jié)果，因此需要權(quán)函數(shù)剔除粗差，權(quán)函數(shù)計(jì)算如下：
（4）
式中，，n為觀測(cè)個(gè)數(shù)，t為必要觀測(cè)數(shù)。上述求解需迭代完成，其中第一次迭代時(shí)P取為單位陣，第2、3、4次迭代取，以后取，當(dāng)權(quán)值基本保持不變時(shí)迭代結(jié)束。

3.2 數(shù)據(jù)分析
利用基于TM30的GeoC++平臺(tái)開(kāi)發(fā)的罐體掃描檢測(cè)程序?qū)δ秤凸捱M(jìn)行掃描，該油罐高度為8m，半徑為6m，由8段組成，每一段的高度為1.5m，分別在每段的1/4、3/4高度處掃描橫截面，基圓采集數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 基圓采集數(shù)據(jù)

根據(jù)基圓采集數(shù)據(jù)確定該罐體的圓心坐標(biāo)為：（12.8775,1.8391），半徑為5.9717m。利用基于穩(wěn)健估計(jì)的最小二乘圓擬合算法對(duì)某一段罐體采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到擬合的精度為0.00279m，擬合偏差結(jié)果如示。

表2 罐體采集數(shù)據(jù)分析

基于穩(wěn)健估計(jì)的最小二乘圓擬合算法，能夠降低粗差對(duì)擬合結(jié)果的影響從而確保擬合的精度，因此在罐體掃描檢測(cè)軟件中使用該算法是準(zhǔn)確可靠的。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了徠卡TM3 0 測(cè)量機(jī)器人的開(kāi)發(fā)平臺(tái)GeoC++以及在該平臺(tái)上開(kāi)發(fā)罐體掃描檢測(cè)應(yīng)用程序，同時(shí)對(duì)于開(kāi)發(fā)采用的算法——基于穩(wěn)健估計(jì)的最小二乘算法進(jìn)行了介紹，并將應(yīng)用于實(shí)際工程的計(jì)算精度進(jìn)行了說(shuō)明。本文所用儀器及方法有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：徠卡TM30測(cè)量機(jī)器人測(cè)量精度高，無(wú)棱鏡技術(shù)大大節(jié)省了人力物力，提高了工作效率，降低了成本；GeoC++機(jī)載軟件無(wú)需與機(jī)器連接，使用方便，在實(shí)際工程中應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢(shì)；基于穩(wěn)健估計(jì)的最小二乘算法能夠?qū)Υ植钸M(jìn)行剔除，提高擬合精度，擬合結(jié)果符合實(shí)際情況。