王 巍，王 彬，花春亮，劉鴻劍

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)甘肅省電力設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730050)

電力鐵塔是高電壓等級(jí)架空輸電線路的基本設(shè)備之一。對(duì)電力鐵塔進(jìn)行傾斜測(cè)量以確保線路安全在電力線路的建設(shè)施工和運(yùn)行、維護(hù)中有著重要意義。

電力鐵塔有著其特殊性，塔高難登且塔型不統(tǒng)一，因此對(duì)電力鐵塔進(jìn)行傾斜測(cè)量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鐵塔實(shí)際情況采用適宜的方法。目前，電力鐵塔傾斜測(cè)量采用的方法主要有鉛垂法、經(jīng)緯儀法、平面鏡法、單目視覺(jué)測(cè)量法、全站儀免棱鏡測(cè)量法以及三維激光掃描技術(shù)等。本文主要對(duì)上述測(cè)量方法進(jìn)行分析并加以對(duì)比。

1 測(cè)量方法分析

1.1 鉛垂法

鉛垂法適用范圍廣泛，是通過(guò)重力原理來(lái)進(jìn)行測(cè)量。作業(yè)原理見(jiàn)圖1，從塔頂橫擔(dān)中心懸掛鉛錘，量取地面的點(diǎn)2和地面中心點(diǎn)1在水平投影上的距離S，通過(guò)查詢或者實(shí)測(cè)得到鐵塔全高H，計(jì)算得到該鐵塔的傾斜率α=S/H。

由于鉛垂法要靠人工掛錘拉尺完成測(cè)量，因此受環(huán)境影響及人為因素誤差較大，精度較低。此外由于鐵塔高度高,且有時(shí)需要帶電作業(yè)，因此有人工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 鉛垂法測(cè)量原理圖

1.2 經(jīng)緯儀法

經(jīng)緯儀法的原理是利用經(jīng)緯儀在順線路方向和垂直線路方向分別投出塔頂中心的投影線，二者交點(diǎn)即為塔頂中心的投影，通過(guò)該點(diǎn)和鐵塔實(shí)際底部中心的較差來(lái)計(jì)算傾斜成果。

實(shí)際測(cè)量中，首先根據(jù)鐵塔塔腿交會(huì)或塔位中心樁等定出鐵塔底部實(shí)際中心點(diǎn)，然后將經(jīng)緯儀架設(shè)在順線路方向?qū)?zhǔn)鐵塔頂部中心，固定水平方向，通過(guò)垂直方向的移動(dòng)配合棱鏡來(lái)獲取得到對(duì)應(yīng)方向上的兩點(diǎn)來(lái)定線，再將經(jīng)緯儀架設(shè)到垂直線路方向，同理得到另外兩點(diǎn)定線，二線的交點(diǎn)，即為塔頂中心投影(見(jiàn)圖2)。

圖2 經(jīng)緯儀法測(cè)量原理圖

由于經(jīng)緯儀法要依靠人工棱鏡來(lái)配合，同時(shí)儀器需要多次設(shè)站，因此受人為因素影響大，精度較低。同時(shí)該法需要在順線路方向和垂直線路方向設(shè)站，因此對(duì)鐵塔周邊環(huán)境也有要求，易受地形所限。

1.3 平面鏡法

平面鏡法是在傳統(tǒng)常規(guī)經(jīng)緯儀法基礎(chǔ)上出現(xiàn)的，通過(guò)添加平面鏡輔助利用光學(xué)原理可以有效的解決經(jīng)緯儀法在特殊地形下傾斜測(cè)量受限的問(wèn)題。

平面鏡法通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)置平面鏡，合理設(shè)計(jì)光路，以觀測(cè)特定目標(biāo)在平面鏡中的成像代替觀測(cè)目標(biāo)本身，從而計(jì)算出鐵塔傾斜率(見(jiàn)圖3)。該法的關(guān)鍵在于通過(guò)調(diào)整平面鏡的角度控制平面鏡成像，利用經(jīng)緯儀測(cè)量標(biāo)記量取距離并計(jì)算，從而獲得所需成果。

圖3 平面鏡法測(cè)量布置圖

利用光學(xué)理論輔助測(cè)量原理可行，但由于平面鏡設(shè)置較繁瑣，亦需要大量人工調(diào)整，加之所測(cè)成果需通過(guò)二次計(jì)算，因此精度較低。但此法有效避開(kāi)了地形限制，因此在特殊地形下有其可取之處。

1.4 單目視覺(jué)測(cè)量法

單目視覺(jué)測(cè)量法是在近些年計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。單目視覺(jué)測(cè)量法利用數(shù)碼相機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)特定的距離和角度拍攝數(shù)碼像片，然后在內(nèi)業(yè)進(jìn)行圖像處理和數(shù)據(jù)的計(jì)算，最終得到鐵塔傾斜成果。

單目視覺(jué)測(cè)量法的關(guān)鍵在于精確的對(duì)像片進(jìn)行校正。校正的內(nèi)容主要包括變形校正和畸變校正。其中誤差主要來(lái)源于變形校正，變形校正計(jì)算圖見(jiàn)圖4；畸變校正又包括視覺(jué)畸變校正和鏡頭畸變校正，其中視覺(jué)畸變是由于位置投影關(guān)系的不同在圖像上發(fā)生的畸變，主要和照相的角度以及焦距有關(guān)，鏡頭畸變是指加工過(guò)程隨機(jī)產(chǎn)生的。

圖4 變形校正計(jì)算圖

單目視覺(jué)測(cè)量法雖然外業(yè)工作量小，但是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作繁雜、計(jì)算量大，且關(guān)于鏡頭畸變和視覺(jué)畸變的計(jì)算部分理論上無(wú)法通過(guò)計(jì)算完全消除，因此精度較低，目前僅在需求快速響應(yīng)、精度需求不高的地方適用。近些年來(lái)雖然陸續(xù)有人提出在塔型建筑測(cè)量中應(yīng)用此方法，但并未引起較多的反響。

1.5 全站儀免棱鏡測(cè)量法

全站儀免棱鏡測(cè)量法的原理是利用免棱鏡測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)時(shí)不需要瞄準(zhǔn)棱鏡或反射片就可以測(cè)出被測(cè)物體空間信息的特性，通過(guò)這些空間信息利用AutoCAD等制圖工具繪圖，計(jì)算得到所需傾斜測(cè)量成果。

通常采用此法時(shí)，根據(jù)實(shí)際地形可采用軸線設(shè)站、正交設(shè)站、任意設(shè)站等多種方法設(shè)站進(jìn)行多測(cè)回閉合測(cè)量。獲得的數(shù)據(jù)既可通過(guò)所測(cè)得三維坐標(biāo)來(lái)展圖成圖，也可通過(guò)平距、水平角、高差等相對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)成果利用制圖工具繪制水平投影圖和垂直投影圖，并計(jì)算傾斜成果，見(jiàn)圖5。

全站儀免棱鏡測(cè)量法的精度主要受儀器精度、環(huán)境影響以及人工觀測(cè)精度等方面影響。因此可以通過(guò)選取高精度的全站儀，在良好天氣下進(jìn)行測(cè)量工作，測(cè)量時(shí)提高人工讀數(shù)精度，多測(cè)回測(cè)量加強(qiáng)校核，來(lái)提高傾斜測(cè)量的精度。全站儀免棱鏡測(cè)量法具有操作簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單、成果可靠、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工作中仍然一定程度上受氣象、環(huán)境限制。

圖5 水平投影和垂直投影圖

1.6 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)又稱(chēng)實(shí)景復(fù)制技術(shù)，通過(guò)高速激光掃描大面積、高分辨率的快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過(guò)快速、大量的采集空間點(diǎn)位信息來(lái)建立被測(cè)物體的三維影像模型。通過(guò)對(duì)恢復(fù)的鐵塔模型進(jìn)行分析可以得到需要的各種傾斜成果。

利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)鐵塔進(jìn)行掃描時(shí)，需要分站架設(shè)獲取鐵塔的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)拼接、去噪等步驟處理，在此基礎(chǔ)上繪制鐵塔的平面圖、立面圖、剖面圖以及三維模型等成果(工作流程見(jiàn)圖6)。其中控制測(cè)量部分通?？紤]按1∶500地形圖測(cè)量圖根點(diǎn)的要求進(jìn)行，影像掃描時(shí)應(yīng)注意從不同方向和角度掃描，盡量不留死角，在數(shù)據(jù)處理階段由于噪聲點(diǎn)不可避免，因此需要準(zhǔn)確剔除無(wú)關(guān)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

三維激光掃描技術(shù)的數(shù)學(xué)精度主要受以下三方面的影響：(1)儀器本身精度，主要是掃描儀自身精度。(2)控制測(cè)量精度。(3)后期數(shù)據(jù)處理的誤差。一般而言，三維激光掃描儀的儀器精度較高且不可控，主要通過(guò)提高控制測(cè)量的精度以及后期內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的精度來(lái)保證成果質(zhì)量。三維激光掃描技術(shù)由于在數(shù)據(jù)獲取階段盡可能避免了人工干預(yù)，同時(shí)掃描儀精度很高，因此成果精度高。但是內(nèi)業(yè)處理時(shí)間較長(zhǎng)，設(shè)備成本相對(duì)較高，因此近年來(lái)在各地古建筑保護(hù)測(cè)量方面多見(jiàn)使用，而在鐵塔傾斜測(cè)量方面使用較少。

圖6 三維激光掃描技術(shù)作業(yè)流程

2 測(cè)量方法對(duì)比

3.1 所需硬件及工作環(huán)境影響對(duì)比

通過(guò)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)鉛垂法設(shè)備需求低，但登塔測(cè)量人員風(fēng)險(xiǎn)較大；經(jīng)緯儀法、平面鏡法、全站儀法設(shè)備需求不高，都受環(huán)境影響；單目視覺(jué)測(cè)量法設(shè)備需求低、受環(huán)境影響小；三維激光掃描技術(shù)設(shè)備需求高，受環(huán)境影響較大。

2.2 外業(yè)、內(nèi)業(yè)工作量及人員需求對(duì)比

以10基330 kV鐵塔工作量為例，見(jiàn)表2。

表2 不同測(cè)量方法工作量及人員需求對(duì)比

通過(guò)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)鉛垂法所需人力較多，單目視覺(jué)測(cè)量相對(duì)較少；從作業(yè)時(shí)間看，外業(yè)工作鉛垂法時(shí)間最長(zhǎng)，單目視覺(jué)測(cè)量法和三維激光掃描技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯；內(nèi)業(yè)工作，鉛垂法工作量極小，經(jīng)緯儀法、平面鏡法、全站儀法處理數(shù)據(jù)工作量相對(duì)較少，不涉及過(guò)多的數(shù)據(jù)改正計(jì)算，單目視覺(jué)由于涉及較多的改正計(jì)算因此時(shí)間較長(zhǎng)，而三維激光掃描技術(shù)內(nèi)業(yè)所需處理數(shù)據(jù)多，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。

2.3 精度及使用率對(duì)比

6種測(cè)量方法精度及使用率對(duì)比，見(jiàn)表3。

表3 不同測(cè)量方法精度及使用率對(duì)比

通過(guò)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)精度上三維激光掃描技術(shù)最高，全站儀免棱鏡測(cè)量法次之，而鉛垂法、經(jīng)緯儀法、平面鏡法由于自身缺陷逐漸被淘汰。三維激光掃描技術(shù)雖然精度高，但由于成本、工作環(huán)境等原因，因此目前僅在個(gè)別領(lǐng)域使用較多，還需要進(jìn)一步研究和發(fā)展?？偟膩?lái)說(shuō)，當(dāng)前在電力鐵塔傾斜測(cè)量方面以全站儀免棱鏡測(cè)量法使用較為廣泛。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)6種電力鐵塔傾斜測(cè)量的方法進(jìn)行分析，剖析了各方法的主要原理。并通過(guò)多方面的分析比較，對(duì)比了各方法的優(yōu)劣，對(duì)電力鐵塔傾斜測(cè)量的研究具有一定的借鑒意義。

綜合來(lái)看，目前在電力鐵塔傾斜測(cè)量上，比較成熟可靠，性價(jià)比高的主流傾斜測(cè)量方法是全站儀免棱鏡測(cè)量法。但是從近年來(lái)電力成果三維可視化發(fā)展趨勢(shì)的角度來(lái)看，三維激光掃描技術(shù)可以提供高精度的豐富三維立體成果，在精度精準(zhǔn)性和成果豐富性上有較大的發(fā)展空間，值得進(jìn)一步研究。