三維激光掃描技術在輸電線鐵塔變形監測中的應用*

彭 雄,郭凱寧,萬程輝

（1.南昌工程學院 水利與生態工程學院，江西 南昌 330099；2.江西省鋼結構網架質量檢驗中心，江西 撫州 344000）

1 引言

近幾年來，國家基礎建設迅猛發展，其中鐵塔架建是基建項目中的一項，因此，鐵塔的維護監測也成為鐵塔運營的一項重要工作。通過鐵塔的傾斜度能快速了解鐵塔變形情況。對鐵塔進行監測的傳統方法有人工鉛垂法、經緯儀法、平面鏡法、單目視測量法，但因其需要耗費大量的人力、財力、物力，且精度不高等缺點，逐漸被廢棄。過去幾年，通常采用的是全站儀免棱鏡觀測法，該方法具有效率高、精度高等優點，但存在觀測數據少，受環境制約因素較多。三維激光掃描技術為近幾年興起的一項監測技術，因其可視化、高精度、全覆蓋等優點，逐漸被廣泛應用于監測工作中。劉云備等[1]提出基于TLS的高壓線塔傾斜度監測，利用各層切片中心，求得高壓線塔傾斜度并進行分析，從而得出鐵塔仍處于安全狀態的結論。梁華等[2]利用三維激光掃描特征擬合的方法從而實現了鐵塔的變形監測。徐旭等[3]提出鐵塔各投影面幾何中心，求出鐵塔中軸線的傾斜并計算塔身的傾斜度，定量驗證了鐵塔仍在安全運營。文章針對不同時期鐵塔變形的平移量和旋轉參數，通過計算空間坐標轉換參數方法計算鐵塔傾斜度實現鐵塔監測分析方法。

2 點云數據的采集處理與分析

2.1 鐵塔數據點云數據采集

測區的鐵塔處于十字路口旁，來往車輛、行人較多，因而對掃描有影響。鐵塔高62.86m，由于RIEGIVE-1000三維激光掃描視角問題，單站不能全部掃描完成，故在鐵塔下面4角設4個測站，四周設8個測站，這樣可以得到更密集的點云數據，防止噪點過多導致數據不可用。

2.2 點云數據的處理

采用隨機抽樣一致性（RANSAC）算法進行原始點云粗差剔除，得到剔除噪點后的點云數據，而后進行點云拼接。地面三維激光掃描儀采用儀器內部坐標系，坐標原點為儀器中心，故要將不同測站的點云統一到同一坐標系下。拼接好的兩期鐵塔點云數據如圖1所示。

2.3 特征點提取

圖1 拼接好的兩期鐵塔點云數據

通過計算鐵塔的平面特征點，將前后兩期的平面特征點數據進行拼接，搜索兩次不同時段同名的平面特征點對，同名特征點尋找原則：（1）盡量選在鐵塔頂點和各棱邊交界處，以易于查找；（2）特征同名點盡量分布均勻，以利于得出整體精度。選擇的特征點如表1所示。

表1 兩期特征同名點坐標

2.4 基于空間轉換參數的變形分析

利用同名特征點匹配，從而解算出鐵塔之間的旋轉參數和平移變化量，進而對鐵塔進行變形分析。利用第二期相對于第一期鐵塔的整體偏移量，計算空間轉換參數，求出這些同名點之間的3個平移參數、3個旋轉參數和1個比例縮放因子。其中，△X為X軸的偏差量；△Y為Y軸的偏差量；△Z為Z軸的偏差量；△α為X軸的旋轉角；△β為Y軸的旋轉角；△γ為Z軸的旋轉角；K為比例縮放系數；M為計算空間轉換參數的中誤差。得到各個同名點之間的參數偏移量如表2所示。

表2 兩期鐵塔之間的變化量

通過獲得的空間轉換參數可知，兩期鐵塔監測點云所提取的同名特征點之間最大位移量為9.8mm。對Z軸的旋轉角度△γ即為鐵塔的傾斜角為0.72s，考慮數據與計算誤差，與傳統監測的正常鐵塔傾斜范圍一致，認為鐵塔運營安全正常。

2.5 關鍵部位變形分析

利用關鍵部位特征同名點坐標，解算出鐵塔各部位變形參數。

（1）橫擔的水平荷載和豎直荷載作用下變形比對：橫擔框架的水平力更為敏感，當水平荷載小于垂直荷載時，框架的整體變形量較??；當水平荷載增大豎直荷載不變時，框架的整體變形量較大。橫擔點云數據如圖2所示。表2數據表明橫擔主要受電纜的拉力，因此在電纜方向會比較明顯，在電纜方向偏移量為0.0245m時，符合預期結果。

圖2 橫擔點云數據

（2）塔腿與地面或鎮墩的連接處傳遞了整塔受到的所有作用荷載，此處的內力最大，同時塔的接腳處具有較長的連續桿件作為支撐，此類桿件在上部傳遞的荷載較大時容易發生結構力學第二類失穩情況。塔腿點云數據如圖3所示。由表2可知，鐵塔在X、Y軸方向形變幾乎為零，在垂直方向下沉了0.008m。

（3）橫擔與鐵塔主材連接處，塔身在一些角鋼的交叉部位存在彎矩敏感區。橫擔與鐵塔連接處點云數據如圖4所示，顯示鐵塔順電纜方向偏移了0.0184m，其他方向不發生偏移。

圖3 塔腿點云數據

圖4 橫擔與鐵塔連接處點云數據

綜上，鐵塔重點監測部位沿Y軸（順線路方向）最大偏移部位為橫擔，偏移量為24.5mm；垂直方向最大偏移部位為塔腿，偏移量為14.2mm。因此，橫擔為鐵塔變形最大的部位，而變形最大部位傾斜度小于規定鐵塔傾斜度，認為整個鐵塔傾斜度在正常范圍內。

3 結束語

文章主要利用三維激光掃描技術獲得的點云數據進行鐵塔的拼接建模，基于鐵塔模型提取平面特征點進行兩期鐵塔同名點空間參數轉化，得到兩期鐵塔的變化量，從而解算出鐵塔的傾斜度。將三維激光掃描技術運用到輸電鐵塔的監測中，能克服傳統監測方法的缺點，通過對整體的變形分析，求出兩期時期鐵塔同名點之間的空間坐標轉換參數。該方法能夠快速求出不同時段鐵塔的位移量與傾斜度，通過比較分析得出鐵塔處于穩定狀態。相對于傳統監測方法，該方法快速精確，能夠對鐵塔運營進行有效監測，具有一定的應用價值。