利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行輸電鐵塔變形監(jiān)測(cè)研究

梁 華，袁蘊(yùn)良，王云端，劉秀涵

(1. 重慶電力設(shè)計(jì)院，重慶 401121； 2. 北京麥格天渱科技發(fā)展有限公司，北京 100043)

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天寶測(cè)繪解決方案專欄

利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行輸電鐵塔變形監(jiān)測(cè)研究

梁 華1，袁蘊(yùn)良1，王云端1，劉秀涵2

(1. 重慶電力設(shè)計(jì)院，重慶 401121； 2. 北京麥格天渱科技發(fā)展有限公司，北京 100043)

針對(duì)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(shù)的電力鐵塔變形監(jiān)測(cè)方法，使用三維激光掃描儀獲取目標(biāo)鐵塔的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用特征擬合的方法計(jì)算鐵塔傾斜，從而實(shí)現(xiàn)鐵塔可視化和變形監(jiān)測(cè)。

1 變形分析關(guān)鍵技術(shù)

變形分析流程如圖1所示。下面對(duì)平面擬合和圓柱擬合進(jìn)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(duì)測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(xi,yi,zi),需滿足

(2)

1.2 圓柱擬合

為了提高擬合結(jié)果的穩(wěn)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(shù)作為初始值，然后代入圓柱距離函數(shù)中進(jìn)行非線性最小二乘擬合，從而檢驗(yàn)擬合結(jié)果是否正確。

空間圓柱面方程為

(3)

2 應(yīng)用實(shí)例

使用Trimble TX8三維激光掃描儀對(duì)重慶江北某鐵塔進(jìn)行掃描，對(duì)鐵塔結(jié)構(gòu)底部特征進(jìn)行圓柱擬合獲取鐵塔中心坐標(biāo)，再分別提取關(guān)鍵部位點(diǎn)云，利用特征擬合獲取幾何參數(shù)，從而計(jì)算鐵塔上、中、下端中心到鐵塔軸線偏差距離。

2.1 鐵塔點(diǎn)云預(yù)處理

利用Trimble Realworks進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)、降噪和精簡(jiǎn)處理，為后續(xù)的特征部位點(diǎn)云提取和變形分析做好準(zhǔn)備。

2.2 鐵塔底部中心坐標(biāo)獲取

本文截取鐵塔塔腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行圓柱擬合，然后根據(jù)擬合圓柱之間的相對(duì)關(guān)系得到截段的中心點(diǎn)坐標(biāo)，從而確定鐵塔中心坐標(biāo)。如圖2所示。

對(duì)鐵塔塔腿進(jìn)行截取，分別對(duì)兩個(gè)截面的塔腿主材進(jìn)行圓柱擬合，并提取基點(diǎn)坐標(biāo)值。獲取擬合參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

在每個(gè)截面獲得A、B、C、D4個(gè)塔腿的擬合圓柱之后，通過(guò)擬合圓柱基點(diǎn)坐標(biāo)相交獲取截面中心坐標(biāo)，獲取的截面中心坐標(biāo)見(jiàn)表3，計(jì)算可知兩個(gè)截面中心坐標(biāo)偏差為3.6 mm。

2.3 鐵塔傾斜度分析

通過(guò)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(biāo)，求出其與鐵塔底部中心的坐標(biāo)偏移，從而計(jì)算鐵塔傾斜度。

表1 塔腿主材擬合圓柱參數(shù)

表2 塔腿主材擬合圓柱基點(diǎn)坐標(biāo) m

表3 鐵塔底部中心坐標(biāo) m

圖3為鐵塔塔架在塔身坐標(biāo)系中XOY平面內(nèi)投影點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)特征明顯清晰。在鐵塔中橫端處(部位6)有鳥(niǎo)窩，無(wú)法提取中心。其他關(guān)鍵部位通過(guò)擬合參數(shù)獲得中心坐標(biāo)值，見(jiàn)表4。

圖3 鐵塔關(guān)鍵部位截面

提取鐵塔關(guān)鍵部位中心坐標(biāo)之后，為方便分析，將鐵塔底部塔腿截面1中心坐標(biāo)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，計(jì)算鐵塔中心偏移值，結(jié)果見(jiàn)表5和圖4。

表4 鐵塔關(guān)鍵部位中心坐標(biāo)值 m

表5 鐵塔關(guān)鍵部位中心坐標(biāo)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(guān)系，隨著鐵塔結(jié)構(gòu)高度的增加變化趨勢(shì)增大；③計(jì)算鐵塔傾斜度，得出地線橫擔(dān)處的傾斜度最大，約為0.17%，在正常桿塔傾斜閾值范圍內(nèi)，鐵塔運(yùn)營(yíng)安全正常。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文主要進(jìn)行了三維激光掃描技術(shù)方法試驗(yàn)，認(rèn)為該技術(shù)可用于輸電鐵塔變形監(jiān)測(cè)。為準(zhǔn)確反映鐵塔變形情況，可將三維激光掃描儀與傳統(tǒng)測(cè)繪儀器高效結(jié)合，對(duì)鐵塔進(jìn)行連續(xù)、有規(guī)律的監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)鐵塔進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，從而更好地評(píng)價(jià)鐵塔穩(wěn)定性。