彭 雄,郭凱寧,萬程輝

（1.南昌工程學院 水利與生態(tài)工程學院，江西 南昌 330099；2.江西省鋼結構網(wǎng)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(fā)展，其中鐵塔架建是基建項目中的一項，因此，鐵塔的維護監(jiān)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(jiān)測的傳統(tǒng)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(yōu)點，但存在觀測數(shù)據(jù)少，受環(huán)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(jiān)測技術，因其可視化、高精度、全覆蓋等優(yōu)點，逐漸被廣泛應用于監(jiān)測工作中。劉云備等[1]提出基于TLS的高壓線塔傾斜度監(jiān)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(tài)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(xiàn)了鐵塔的變形監(jiān)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(shù)，通過計算空間坐標轉換參數(shù)方法計算鐵塔傾斜度實現(xiàn)鐵塔監(jiān)測分析方法。

2 點云數(shù)據(jù)的采集處理與分析

2.1 鐵塔數(shù)據(jù)點云數(shù)據(jù)采集

測區(qū)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(shù)據(jù)，防止噪點過多導致數(shù)據(jù)不可用。

2.2 點云數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(tǒng)一到同一坐標系下。拼接好的兩期鐵塔點云數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)

通過計算鐵塔的平面特征點，將前后兩期的平面特征點數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)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(shù)，求出這些同名點之間的3個平移參數(shù)、3個旋轉參數(shù)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(shù)；M為計算空間轉換參數(shù)的中誤差。得到各個同名點之間的參數(shù)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(shù)可知，兩期鐵塔監(jiān)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(shù)據(jù)與計算誤差，與傳統(tǒng)監(jiān)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(shù)。

（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?。划斔胶奢d增大豎直荷載不變時，框架的整體變形量較大。橫擔點云數(shù)據(jù)如圖2所示。表2數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)

（2）塔腿與地面或鎮(zhèn)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(xù)桿件作為支撐，此類桿件在上部傳遞的荷載較大時容易發(fā)生結構力學第二類失穩(wěn)情況。塔腿點云數(shù)據(jù)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(qū)。橫擔與鐵塔連接處點云數(shù)據(jù)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(fā)生偏移。

圖3 塔腿點云數(shù)據(jù)

圖4 橫擔與鐵塔連接處點云數(shù)據(jù)

綜上，鐵塔重點監(jiān)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(guī)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(shù)據(jù)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(shù)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(jiān)測中，能克服傳統(tǒng)監(jiān)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(shù)。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(wěn)定狀態(tài)。相對于傳統(tǒng)監(jiān)測方法，該方法快速精確，能夠對鐵塔運營進行有效監(jiān)測，具有一定的應用價值。