劉云備，蔡來(lái)良，王姍姍，楊望山

(河南理工大學(xué)　測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

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基于TLS的高壓線塔傾斜度監(jiān)測(cè)

劉云備，蔡來(lái)良，王姍姍，楊望山

(河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

摘要：：高壓線塔屬于桿狀構(gòu)筑物，對(duì)傾斜變形非常敏感，傾斜度是檢測(cè)其穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方式，無(wú)法反映高壓線塔的整體變形，提出基于地面三維激光掃描技術(shù)監(jiān)測(cè)高壓線塔傾斜度的方法，采用分層處理的方式，通過(guò)邊界提取、直線分割、直線擬合等過(guò)程處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)。采集山西省柳林某高壓線塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，求取各層切片的中心坐標(biāo)并計(jì)算高壓線塔的傾斜度，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得出線塔仍處于安全運(yùn)行狀態(tài)的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)云數(shù)據(jù)；點(diǎn)云切片；邊界提?。贿吔绶指?；直線擬合

高壓線塔是高壓輸電線路中與地面直接接觸的構(gòu)筑物，煤炭資源的高強(qiáng)度開(kāi)采所造成的地表移動(dòng)和變形會(huì)對(duì)其造成損害。根據(jù)有關(guān)規(guī)定220 kV以上高壓輸電線路鐵塔屬于Ⅱ級(jí)保護(hù)構(gòu)筑物[1]。

地面三維激光掃描( terrestrial laser scanner，TLS) 技術(shù)直接、快速獲取地物表面高精度、高密度的三維空間信息[2]，技術(shù)上突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，是國(guó)內(nèi)外變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)之一[3]。

三維激光掃描儀主動(dòng)發(fā)射激光，接受物體的反射信號(hào)進(jìn)行測(cè)距，同時(shí)獲得掃描的豎直角和水平角，可求得物體在激光掃描坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，獲取目標(biāo)物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括坐標(biāo)、反射強(qiáng)度和RGB信息。

目前，高壓線塔變形監(jiān)測(cè)主要采用單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)，例如王克東等[4]采用建立觀測(cè)線和觀測(cè)點(diǎn)的方法對(duì)采空區(qū)地表變形及鐵塔傾斜進(jìn)行監(jiān)測(cè)。曹海林等[5]提出一種基于智能天線、擴(kuò)頻技術(shù)的超高輸電塔變形測(cè)量方案?；赥LS的高壓線塔傾斜度監(jiān)測(cè)研究較少，戴靠山等[6]使用激光掃描技術(shù)對(duì)一座風(fēng)電塔的外形進(jìn)行掃描，利用掃描數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)電塔的垂直度進(jìn)行評(píng)估。

傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)在監(jiān)測(cè)范圍、作業(yè)效率和外界環(huán)境需求方面存在一定的局限性，研究基于TLS的高壓線塔傾斜度監(jiān)測(cè)方法有較高的實(shí)用價(jià)值。根據(jù)高壓線塔自身的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合邊界提取、直線分割、直線擬合等點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理算法，完善高壓線塔傾斜度監(jiān)測(cè)的方法，并對(duì)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1高壓線塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

由于測(cè)區(qū)環(huán)境限制及RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀的視角原因，單站不能采集高壓線塔完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在線塔周圍3個(gè)不同位置設(shè)站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，無(wú)差別采集線塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)、地表及植被點(diǎn)云數(shù)據(jù)等，需提取出線塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，高壓線塔塔腿的4個(gè)基礎(chǔ)為混凝土結(jié)構(gòu)且高出地表，采用人工方法直接提取高壓線塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

激光掃描系統(tǒng)使用的是儀器自定義的坐標(biāo)系統(tǒng)：X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直[7]。每站掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)由于儀器架設(shè)位置不同導(dǎo)致坐標(biāo)系統(tǒng)不相同，為將各站數(shù)據(jù)在相同坐標(biāo)系下拼接成完整電力塔，選擇第一站儀器坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)進(jìn)行拼接，結(jié)果如圖1所示。

圖1　高壓線塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2高壓線塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

高壓線塔屬于點(diǎn)式高聳建筑物，輸電鐵塔基礎(chǔ)規(guī)模相對(duì)不大、單塔占地面積較小，塔身同一高度處截面為矩形，對(duì)傾斜變形非常敏感。根據(jù)高壓線塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出線塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的流程，如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)處理流程

2.1高壓線塔分層

線塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)量在七百萬(wàn)以上，數(shù)據(jù)處理過(guò)程復(fù)雜、時(shí)間長(zhǎng)，且多數(shù)點(diǎn)云對(duì)研究結(jié)果無(wú)影響。采取分層的方式減少數(shù)據(jù)量，且點(diǎn)云切片從上到下能夠反映線塔的整體情況。

線塔高度45 m左右，線塔包含的兩個(gè)分支部分和塔頂都結(jié)構(gòu)復(fù)雜且截面為不規(guī)則形狀，不進(jìn)行分層處理。從距線塔底部1.5～40 m處點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，選取塔身部分按照步長(zhǎng)1 m，切片厚度1 cm進(jìn)行分層處理，共獲得38個(gè)點(diǎn)云切片。計(jì)算每層點(diǎn)云切片的平均高程，將點(diǎn)云投影到平均高程所在的平面，分層結(jié)果如圖3所示。

圖3　線塔分層點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2邊界提取

AlphaShapes算法[8]、凸殼算法[9]、深度圖像邊界提取方法[10]可以用來(lái)從一堆無(wú)序的點(diǎn)集中進(jìn)行幾何形狀的重建，采用AlphaShapes算法提取切片的邊界點(diǎn)云數(shù)據(jù)。一些切片中間部分有交叉連接的角鋼點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)邊界提取處理，切片內(nèi)部存在內(nèi)邊界點(diǎn)如圖4(a)所示，這些內(nèi)部邊界點(diǎn)影響后續(xù)數(shù)據(jù)處理。切片外部邊界輪廓為矩形，根據(jù)幾何知識(shí)，矩形的內(nèi)接圓與各個(gè)邊界相切，采用切片內(nèi)接圓的方式刪除切片內(nèi)部點(diǎn)云數(shù)據(jù)，處理結(jié)果如圖4(b)所示。具體過(guò)程：

1)計(jì)算切片的Xmax，Xmin，Ymax，Ymin對(duì)應(yīng)的點(diǎn)坐標(biāo)；

2)計(jì)算切片內(nèi)接圓半徑r及圓心坐標(biāo)；

3)計(jì)算切片點(diǎn)云與圓心的距離d，當(dāng)d>0.4r時(shí)，保留該點(diǎn)。

圖4　邊界點(diǎn)云提取子處理

2.3邊界分割

點(diǎn)云切片外輪廓線由4條直線組成，需要進(jìn)行邊界分割，才能進(jìn)行直線擬合等后續(xù)操作。處理數(shù)據(jù)過(guò)程中采取坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和Hough直線提取兩種方法進(jìn)行邊界分割。

1)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)。線塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)時(shí)儀器架設(shè)位置與線塔正面有一定的角度，導(dǎo)致切片邊界與坐標(biāo)軸存在一定的夾角。選取切片左下角點(diǎn)作為固定點(diǎn)，切片上其它點(diǎn)繞固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度θ，使切片四邊界分別與X軸、Y平行。旋轉(zhuǎn)后點(diǎn)云x，y坐標(biāo)變化，z坐標(biāo)不變。點(diǎn)云坐標(biāo)求解：

(1)

式中：(x1，y1)為切片上點(diǎn)旋轉(zhuǎn)前坐標(biāo)；(x，y)為切片點(diǎn)云旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)；(x2，y2)為固定點(diǎn)坐標(biāo)。求L1=Xmin，L2=Xmax，L3=Ymin，L4=Ymax4條直線作為邊界分割的直線。

采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的方法進(jìn)行邊界分割存在一些問(wèn)題，坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后求出點(diǎn)的坐標(biāo)，還需在進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在一定的誤差，有些切片存在邊角缺失的情況無(wú)法進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)。

2)Hough直線提取。Hough 變換是圖像處理領(lǐng)域中用于目標(biāo)檢測(cè)的一種常用方法，是圖像空間和參數(shù)空間之間的一種變換，能夠用來(lái)檢測(cè)直線、圓、橢圓等幾何曲線。詹慶明等[11]應(yīng)用 Hough 變換從古建筑激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取線性特征，證明Hough變換適合于提取線性特征。Hough變換提取直線的參數(shù)方程：

(2)

首先將θ離散化，取遍所有值，然后按照式(2)計(jì)算出相應(yīng)的ρ值，然后再對(duì)累加數(shù)組A(ρ，θ)累加，由A(ρ，θ)的值得到共線點(diǎn)的個(gè)數(shù)。A(ρ，θ)中值最大的參數(shù)即為要檢測(cè)直線的參數(shù)。切片外輪廓線為矩形，4條直線中相對(duì)的兩條邊界直線參數(shù)相近且相隔一定的距離，為了分割出需要的直線，采用改進(jìn)的Hough變換[12]方法提取切片外輪廓線，設(shè)置角度α和距離d兩個(gè)參數(shù)，分割結(jié)果如圖5所示。具體過(guò)程：

1)基于改進(jìn)的Hough變換方法，保存多條滿足條件(點(diǎn)個(gè)數(shù))直線參數(shù)。

2)選擇共線點(diǎn)最多的直線參數(shù)，做為第一條邊界L1的參數(shù)。

3)找出與L1夾角大于α或者距離大于d的直線參數(shù)作為第二條邊界L2的參數(shù)，依此找出L3，L4的直線參數(shù)。

4)對(duì)L1，L2，L3，L4直線參數(shù)(ρ，θ)按照θ從小到大進(jìn)行排序，便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

圖5　邊界分割結(jié)果

2.4直線擬合及切片角點(diǎn)計(jì)算

直線擬合的常用方法有最小二乘法、整體最小二乘[13-14]、穩(wěn)健整體最小二乘[15]等。最小二乘法，僅考慮自變量中的誤差，從而導(dǎo)致自變量、因變量選擇不同時(shí)，擬合直線結(jié)果不同；整體最小二乘法，同時(shí)考慮自變量與因變量中的誤差，但是并沒(méi)有考慮到數(shù)據(jù)中可能存在的粗差或異常值；穩(wěn)健整體最小二乘法在考慮全部觀測(cè)量存在誤差的情況下，通過(guò)利用一定的準(zhǔn)則刪除數(shù)據(jù)中的粗差或異常值，從而獲得穩(wěn)健的直線參數(shù)。直線分割過(guò)程中一些切片的邊角缺失，最終獲得35個(gè)切片邊界分割結(jié)果，采用穩(wěn)健整體最小二乘方法對(duì)分割后的邊界進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖6(a)所示。根據(jù)擬合的直線參數(shù)，相交直線計(jì)算切片角點(diǎn)坐標(biāo)和切片中心坐標(biāo)，線塔整體線框圖如圖6(b)所示。

3數(shù)據(jù)處理結(jié)果與分析

以底層切片中心為基礎(chǔ)，認(rèn)為未發(fā)生偏移，計(jì)算底層的切片中心點(diǎn)坐標(biāo)，其他各層中心坐標(biāo)與底層中心坐標(biāo)求x，y差值，按照桿塔傾斜度計(jì)算式(3)求各層傾斜度，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

(3)

式中:G為傾斜度，E為傾斜后偏移距離，H為對(duì)應(yīng)的高度。根據(jù)DL/T741-2010《架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程》,正常桿塔傾斜最大允許值如表2所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果制作了各層中心偏移距離如圖7(a)和各層傾斜度圖7(b)所示。

圖6　直線擬合與線塔整體效果

表1　線塔各層中心坐標(biāo)及傾斜度計(jì)算結(jié)果　m

續(xù)表1　m

表2　正常桿塔傾斜最大允許值

1)由表1可知，在x方向上大部分切片中心向x的正方向偏移，在y方向上都向y的負(fù)方向偏移，且x方向偏移量均小于y方向偏移量

2)由圖7(a)可知，隨著切片距線塔底部距離的增大，切片中心偏移距離逐漸增大，線塔傾斜度集中在0.7%～0.8%之間。

3)線塔高度在45 m左右，由表1、圖7(b)和表2可知，線塔的最大傾斜度低于規(guī)定的最大值，線塔處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

圖7　線塔偏移距離與傾斜度

4結(jié)論

1)將地面三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用到高壓線塔傾斜度監(jiān)測(cè)中，克服傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段的不足，能夠?qū)Ω邏盒彼恼w傾斜度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并實(shí)地采集高壓線塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析，驗(yàn)證方法的可行性。

2)針對(duì)高壓線塔自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用分層處理

的方法，根據(jù)已有的邊界提取算法(對(duì)于內(nèi)部邊界點(diǎn)采用內(nèi)接圓的方式進(jìn)行刪除)和直線提取算法(切片外輪廓為矩形，設(shè)置角度和距離參數(shù)提取切片邊界)，完善基于地面三維激光掃描技術(shù)的高壓線塔傾斜度監(jiān)測(cè)方法。

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[責(zé)任編輯：李銘娜]

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.08.014

收稿日期：2015-10-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家測(cè)繪局測(cè)繪地理信息公益性行業(yè)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(201412020)；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研計(jì)劃項(xiàng)目(15A420005)；河南理工大學(xué)博士基金資助項(xiàng)目(B2012-004)

作者簡(jiǎn)介：劉云備(1990-)，男，碩士研究生.

中圖分類號(hào)：P234.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-7949(2016)08-0065-05

High-voltage line tower inclination monitoring based on TLS

LIU Yunbei，CAI Lailiang，WANG Shanshan，YANG Wangshan

(School of Surveying and Land Information Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China)

Abstract：High-voltage line tower belongs to the rod struction, which is very sensitive to the inclination deformation. The inclination detection is an important indicator of its stability. The traditional single point measuring method cannot reflect the overall deformation of the high-voltage line tower. A method based on TLS is proposed to monitor the high-voltage line tower inclination by using the method of hierarchical processing, by the boundary extraction, line segmentation and line fitting process point cloud data. Collecting a high-voltage tower point cloud data of Liulin County of Shanxi Province to carry out experiments, calculating the center coordinates of each layer slice and high-voltage transmission line tower inclination, analyzing the calculation results, it shows that the line tower is still operating in safe conditions.

Key words：point cloud data; point cloud slice; boundary extraction; line fitting; boundary segmentation