利用三維激光掃描技術進行輸電鐵塔變形監測研究

梁 華，袁蘊良，王云端，劉秀涵

(1. 重慶電力設計院，重慶 401121； 2. 北京麥格天渱科技發展有限公司，北京 100043)

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天寶測繪解決方案專欄

利用三維激光掃描技術進行輸電鐵塔變形監測研究

梁 華1，袁蘊良1，王云端1，劉秀涵2

(1. 重慶電力設計院，重慶 401121； 2. 北京麥格天渱科技發展有限公司，北京 100043)

針對電力鐵塔傾斜和損壞事故，本文研究一種基于三維激光掃描技術的電力鐵塔變形監測方法，使用三維激光掃描儀獲取目標鐵塔的點云數據，用特征擬合的方法計算鐵塔傾斜，從而實現鐵塔可視化和變形監測。

1 變形分析關鍵技術

變形分析流程如圖1所示。下面對平面擬合和圓柱擬合進行分析。

圖1 變形分析流程

1.1 平面擬合

一般的空間平面方程為

p(x,y,z)=ax+by+cz+1=0

(1)

對測得的點云數據(xi,yi,zi),需滿足

(2)

1.2 圓柱擬合

為了提高擬合結果的穩定性和可靠性，選擇基于RANSAC算法的高斯映射所獲取的圓柱擬合參數作為初始值，然后代入圓柱距離函數中進行非線性最小二乘擬合，從而檢驗擬合結果是否正確。

空間圓柱面方程為

(3)

2 應用實例

使用Trimble TX8三維激光掃描儀對重慶江北某鐵塔進行掃描，對鐵塔結構底部特征進行圓柱擬合獲取鐵塔中心坐標，再分別提取關鍵部位點云，利用特征擬合獲取幾何參數，從而計算鐵塔上、中、下端中心到鐵塔軸線偏差距離。

2.1 鐵塔點云預處理

利用Trimble Realworks進行點云配準、降噪和精簡處理，為后續的特征部位點云提取和變形分析做好準備。

2.2 鐵塔底部中心坐標獲取

本文截取鐵塔塔腿結構進行圓柱擬合，然后根據擬合圓柱之間的相對關系得到截段的中心點坐標，從而確定鐵塔中心坐標。如圖2所示。

對鐵塔塔腿進行截取，分別對兩個截面的塔腿主材進行圓柱擬合，并提取基點坐標值。獲取擬合參數見表1、表2。

在每個截面獲得A、B、C、D4個塔腿的擬合圓柱之后，通過擬合圓柱基點坐標相交獲取截面中心坐標，獲取的截面中心坐標見表3，計算可知兩個截面中心坐標偏差為3.6 mm。

2.3 鐵塔傾斜度分析

通過特征擬合的方法提取鐵塔塔頭的地線橫端、中橫端、下橫端，以及塔身上、中、下部的中心坐標，求出其與鐵塔底部中心的坐標偏移，從而計算鐵塔傾斜度。

表1 塔腿主材擬合圓柱參數

表2 塔腿主材擬合圓柱基點坐標 m

表3 鐵塔底部中心坐標 m

圖3為鐵塔塔架在塔身坐標系中XOY平面內投影點云數據，結構特征明顯清晰。在鐵塔中橫端處(部位6)有鳥窩，無法提取中心。其他關鍵部位通過擬合參數獲得中心坐標值，見表4。

圖3 鐵塔關鍵部位截面

提取鐵塔關鍵部位中心坐標之后，為方便分析，將鐵塔底部塔腿截面1中心坐標作為基準點，計算鐵塔中心偏移值，結果見表5和圖4。

表4 鐵塔關鍵部位中心坐標值 m

表5 鐵塔關鍵部位中心坐標偏移值 m

圖4

該鐵塔總高51 m，分析可得：①鐵塔在Y軸方向上變化不明顯，最大偏移值為18 mm；②鐵塔在X軸方向(順線路)上偏移值和鐵塔高度成一定線性關系，隨著鐵塔結構高度的增加變化趨勢增大；③計算鐵塔傾斜度，得出地線橫擔處的傾斜度最大，約為0.17%，在正常桿塔傾斜閾值范圍內，鐵塔運營安全正常。

3 結 語

本文主要進行了三維激光掃描技術方法試驗，認為該技術可用于輸電鐵塔變形監測。為準確反映鐵塔變形情況，可將三維激光掃描儀與傳統測繪儀器高效結合，對鐵塔進行連續、有規律的監測，通過監測結果對鐵塔進行分析和預測，從而更好地評價鐵塔穩定性。