利用三维激光扫描技术进行输电铁塔变形监测研究

梁 华，袁蕴良，王云端，刘秀涵

(1. 重庆电力设计院，重庆 401121； 2. 北京麦格天渱科技发展有限公司，北京 100043)



天宝测绘解决方案专栏

利用三维激光扫描技术进行输电铁塔变形监测研究

梁 华1，袁蕴良1，王云端1，刘秀涵2

(1. 重庆电力设计院，重庆 401121； 2. 北京麦格天渱科技发展有限公司，北京 100043)

针对电力铁塔倾斜和损坏事故，本文研究一种基于三维激光扫描技术的电力铁塔变形监测方法，使用三维激光扫描仪获取目标铁塔的点云数据，用特征拟合的方法计算铁塔倾斜，从而实现铁塔可视化和变形监测。

1 变形分析关键技术

变形分析流程如图1所示。下面对平面拟合和圆柱拟合进行分析。

图1 变形分析流程

1.1 平面拟合

一般的空间平面方程为

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

(1)

对测得的点云数据(xi,yi,zi),需满足

(2)

1.2 圆柱拟合

为了提高拟合结果的稳定性和可靠性，选择基于RANSAC算法的高斯映射所获取的圆柱拟合参数作为初始值，然后代入圆柱距离函数中进行非线性最小二乘拟合，从而检验拟合结果是否正确。

空间圆柱面方程为

(3)

2 应用实例

使用Trimble TX8三维激光扫描仪对重庆江北某铁塔进行扫描，对铁塔结构底部特征进行圆柱拟合获取铁塔中心坐标，再分别提取关键部位点云，利用特征拟合获取几何参数，从而计算铁塔上、中、下端中心到铁塔轴线偏差距离。

2.1 铁塔点云预处理

利用Trimble Realworks进行点云配准、降噪和精简处理，为后续的特征部位点云提取和变形分析做好准备。

2.2 铁塔底部中心坐标获取

本文截取铁塔塔腿结构进行圆柱拟合，然后根据拟合圆柱之间的相对关系得到截段的中心点坐标，从而确定铁塔中心坐标。如图2所示。

对铁塔塔腿进行截取，分别对两个截面的塔腿主材进行圆柱拟合，并提取基点坐标值。获取拟合参数见表1、表2。

在每个截面获得A、B、C、D4个塔腿的拟合圆柱之后，通过拟合圆柱基点坐标相交获取截面中心坐标，获取的截面中心坐标见表3，计算可知两个截面中心坐标偏差为3.6 mm。

2.3 铁塔倾斜度分析

通过特征拟合的方法提取铁塔塔头的地线横端、中横端、下横端，以及塔身上、中、下部的中心坐标，求出其与铁塔底部中心的坐标偏移，从而计算铁塔倾斜度。

表1 塔腿主材拟合圆柱参数

表2 塔腿主材拟合圆柱基点坐标 m

表3 铁塔底部中心坐标 m

图3为铁塔塔架在塔身坐标系中XOY平面内投影点云数据，结构特征明显清晰。在铁塔中横端处(部位6)有鸟窝，无法提取中心。其他关键部位通过拟合参数获得中心坐标值，见表4。

图3 铁塔关键部位截面

提取铁塔关键部位中心坐标之后，为方便分析，将铁塔底部塔腿截面1中心坐标作为基准点，计算铁塔中心偏移值，结果见表5和图4。

表4 铁塔关键部位中心坐标值 m

表5 铁塔关键部位中心坐标偏移值 m

图4

该铁塔总高51 m，分析可得：①铁塔在Y轴方向上变化不明显，最大偏移值为18 mm；②铁塔在X轴方向(顺线路)上偏移值和铁塔高度成一定线性关系，随着铁塔结构高度的增加变化趋势增大；③计算铁塔倾斜度，得出地线横担处的倾斜度最大，约为0.17%，在正常杆塔倾斜阈值范围内，铁塔运营安全正常。

3 结 语

本文主要进行了三维激光扫描技术方法试验，认为该技术可用于输电铁塔变形监测。为准确反映铁塔变形情况，可将三维激光扫描仪与传统测绘仪器高效结合，对铁塔进行连续、有规律的监测，通过监测结果对铁塔进行分析和预测，从而更好地评价铁塔稳定性。