三维激光扫描技术在输电线铁塔变形监测中的应用*

彭 雄,郭凯宁,万程辉

（1.南昌工程学院 水利与生态工程学院，江西 南昌 330099；2.江西省钢结构网架质量检验中心，江西 抚州 344000）

1 引言

近几年来，国家基础建设迅猛发展，其中铁塔架建是基建项目中的一项，因此，铁塔的维护监测也成为铁塔运营的一项重要工作。通过铁塔的倾斜度能快速了解铁塔变形情况。对铁塔进行监测的传统方法有人工铅垂法、经纬仪法、平面镜法、单目视测量法，但因其需要耗费大量的人力、财力、物力，且精度不高等缺点，逐渐被废弃。过去几年，通常采用的是全站仪免棱镜观测法，该方法具有效率高、精度高等优点，但存在观测数据少，受环境制约因素较多。三维激光扫描技术为近几年兴起的一项监测技术，因其可视化、高精度、全覆盖等优点，逐渐被广泛应用于监测工作中。刘云备等[1]提出基于TLS的高压线塔倾斜度监测，利用各层切片中心，求得高压线塔倾斜度并进行分析，从而得出铁塔仍处于安全状态的结论。梁华等[2]利用三维激光扫描特征拟合的方法从而实现了铁塔的变形监测。徐旭等[3]提出铁塔各投影面几何中心，求出铁塔中轴线的倾斜并计算塔身的倾斜度，定量验证了铁塔仍在安全运营。文章针对不同时期铁塔变形的平移量和旋转参数，通过计算空间坐标转换参数方法计算铁塔倾斜度实现铁塔监测分析方法。

2 点云数据的采集处理与分析

2.1 铁塔数据点云数据采集

测区的铁塔处于十字路口旁，来往车辆、行人较多，因而对扫描有影响。铁塔高62.86m，由于RIEGIVE-1000三维激光扫描视角问题，单站不能全部扫描完成，故在铁塔下面4角设4个测站，四周设8个测站，这样可以得到更密集的点云数据，防止噪点过多导致数据不可用。

2.2 点云数据的处理

采用随机抽样一致性（RANSAC）算法进行原始点云粗差剔除，得到剔除噪点后的点云数据，而后进行点云拼接。地面三维激光扫描仪采用仪器内部坐标系，坐标原点为仪器中心，故要将不同测站的点云统一到同一坐标系下。拼接好的两期铁塔点云数据如图1所示。

2.3 特征点提取

图1 拼接好的两期铁塔点云数据

通过计算铁塔的平面特征点，将前后两期的平面特征点数据进行拼接，搜索两次不同时段同名的平面特征点对，同名特征点寻找原则：（1）尽量选在铁塔顶点和各棱边交界处，以易于查找；（2）特征同名点尽量分布均匀，以利于得出整体精度。选择的特征点如表1所示。

表1 两期特征同名点坐标

2.4 基于空间转换参数的变形分析

利用同名特征点匹配，从而解算出铁塔之间的旋转参数和平移变化量，进而对铁塔进行变形分析。利用第二期相对于第一期铁塔的整体偏移量，计算空间转换参数，求出这些同名点之间的3个平移参数、3个旋转参数和1个比例缩放因子。其中，△X为X轴的偏差量；△Y为Y轴的偏差量；△Z为Z轴的偏差量；△α为X轴的旋转角；△β为Y轴的旋转角；△γ为Z轴的旋转角；K为比例缩放系数；M为计算空间转换参数的中误差。得到各个同名点之间的参数偏移量如表2所示。

表2 两期铁塔之间的变化量

通过获得的空间转换参数可知，两期铁塔监测点云所提取的同名特征点之间最大位移量为9.8mm。对Z轴的旋转角度△γ即为铁塔的倾斜角为0.72s，考虑数据与计算误差，与传统监测的正常铁塔倾斜范围一致，认为铁塔运营安全正常。

2.5 关键部位变形分析

利用关键部位特征同名点坐标，解算出铁塔各部位变形参数。

（1）横担的水平荷载和竖直荷载作用下变形比对：横担框架的水平力更为敏感，当水平荷载小于垂直荷载时，框架的整体变形量较小；当水平荷载增大竖直荷载不变时，框架的整体变形量较大。横担点云数据如图2所示。表2数据表明横担主要受电缆的拉力，因此在电缆方向会比较明显，在电缆方向偏移量为0.0245m时，符合预期结果。

图2 横担点云数据

（2）塔腿与地面或镇墩的连接处传递了整塔受到的所有作用荷载，此处的内力最大，同时塔的接脚处具有较长的连续杆件作为支撑，此类杆件在上部传递的荷载较大时容易发生结构力学第二类失稳情况。塔腿点云数据如图3所示。由表2可知，铁塔在X、Y轴方向形变几乎为零，在垂直方向下沉了0.008m。

（3）横担与铁塔主材连接处，塔身在一些角钢的交叉部位存在弯矩敏感区。横担与铁塔连接处点云数据如图4所示，显示铁塔顺电缆方向偏移了0.0184m，其他方向不发生偏移。

图3 塔腿点云数据

图4 横担与铁塔连接处点云数据

综上，铁塔重点监测部位沿Y轴（顺线路方向）最大偏移部位为横担，偏移量为24.5mm；垂直方向最大偏移部位为塔腿，偏移量为14.2mm。因此，横担为铁塔变形最大的部位，而变形最大部位倾斜度小于规定铁塔倾斜度，认为整个铁塔倾斜度在正常范围内。

3 结束语

文章主要利用三维激光扫描技术获得的点云数据进行铁塔的拼接建模，基于铁塔模型提取平面特征点进行两期铁塔同名点空间参数转化，得到两期铁塔的变化量，从而解算出铁塔的倾斜度。将三维激光扫描技术运用到输电铁塔的监测中，能克服传统监测方法的缺点，通过对整体的变形分析，求出两期时期铁塔同名点之间的空间坐标转换参数。该方法能够快速求出不同时段铁塔的位移量与倾斜度，通过比较分析得出铁塔处于稳定状态。相对于传统监测方法，该方法快速精确，能够对铁塔运营进行有效监测，具有一定的应用价值。