基于TLS的高壓線塔傾斜度監(jiān)測

劉云備，蔡來良，王姍姍，楊望山

(河南理工大學　測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000)

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基于TLS的高壓線塔傾斜度監(jiān)測

劉云備，蔡來良，王姍姍，楊望山

(河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000)

摘要：：高壓線塔屬于桿狀構筑物，對傾斜變形非常敏感，傾斜度是檢測其穩(wěn)定性的重要指標。傳統(tǒng)的單點測量方式，無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監(jiān)測高壓線塔傾斜度的方法，采用分層處理的方式，通過邊界提取、直線分割、直線擬合等過程處理點云數(shù)據。采集山西省柳林某高壓線塔點云數(shù)據進行實驗，求取各層切片的中心坐標并計算高壓線塔的傾斜度，對計算結果進行分析，得出線塔仍處于安全運行狀態(tài)的結論。

關鍵詞：點云數(shù)據；點云切片；邊界提取；邊界分割；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筑物，煤炭資源的高強度開采所造成的地表移動和變形會對其造成損害。根據有關規(guī)定220 kV以上高壓輸電線路鐵塔屬于Ⅱ級保護構筑物[1]。

地面三維激光掃描( terrestrial laser scanner，TLS) 技術直接、快速獲取地物表面高精度、高密度的三維空間信息[2]，技術上突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，是國內外變形監(jiān)測領域關注的熱點之一[3]。

三維激光掃描儀主動發(fā)射激光，接受物體的反射信號進行測距，同時獲得掃描的豎直角和水平角，可求得物體在激光掃描坐標系中的三維坐標，獲取目標物體的點云數(shù)據包括坐標、反射強度和RGB信息。

目前，高壓線塔變形監(jiān)測主要采用單點測量技術，例如王克東等[4]采用建立觀測線和觀測點的方法對采空區(qū)地表變形及鐵塔傾斜進行監(jiān)測。曹海林等[5]提出一種基于智能天線、擴頻技術的超高輸電塔變形測量方案?；赥LS的高壓線塔傾斜度監(jiān)測研究較少，戴靠山等[6]使用激光掃描技術對一座風電塔的外形進行掃描，利用掃描數(shù)據對風電塔的垂直度進行評估。

傳統(tǒng)單點測量技術在監(jiān)測范圍、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)測方法有較高的實用價值。根據高壓線塔自身的結構特征，結合邊界提取、直線分割、直線擬合等點云數(shù)據處理算法，完善高壓線塔傾斜度監(jiān)測的方法，并對監(jiān)測方法進行驗證。

1高壓線塔點云數(shù)據獲取

由于測區(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云數(shù)據，在線塔周圍3個不同位置設站進行數(shù)據采集。掃描儀進行數(shù)據采集時，無差別采集線塔點云數(shù)據、地表及植被點云數(shù)據等，需提取出線塔點云數(shù)據作為研究對象，高壓線塔塔腿的4個基礎為混凝土結構且高出地表，采用人工方法直接提取高壓線塔點云數(shù)據。

激光掃描系統(tǒng)使用的是儀器自定義的坐標系統(tǒng)：X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直[7]。每站掃描點云數(shù)據由于儀器架設位置不同導致坐標系統(tǒng)不相同，為將各站數(shù)據在相同坐標系下拼接成完整電力塔，選擇第一站儀器坐標系作為基準進行拼接，結果如圖1所示。

圖1　高壓線塔點云數(shù)據

2高壓線塔點云數(shù)據處理

高壓線塔屬于點式高聳建筑物，輸電鐵塔基礎規(guī)模相對不大、單塔占地面積較小，塔身同一高度處截面為矩形，對傾斜變形非常敏感。根據高壓線塔的結構特點，提出線塔點云數(shù)據處理的流程，如圖2所示。

圖2　數(shù)據處理流程

2.1高壓線塔分層

線塔點云數(shù)據量在七百萬以上，數(shù)據處理過程復雜、時間長，且多數(shù)點云對研究結果無影響。采取分層的方式減少數(shù)據量，且點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，線塔包含的兩個分支部分和塔頂都結構復雜且截面為不規(guī)則形狀，不進行分層處理。從距線塔底部1.5～40 m處點云數(shù)據中，選取塔身部分按照步長1 m，切片厚度1 cm進行分層處理，共獲得38個點云切片。計算每層點云切片的平均高程，將點云投影到平均高程所在的平面，分層結果如圖3所示。

圖3　線塔分層點云數(shù)據

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]可以用來從一堆無序的點集中進行幾何形狀的重建，采用AlphaShapes算法提取切片的邊界點云數(shù)據。一些切片中間部分有交叉連接的角鋼點云數(shù)據，經過邊界提取處理，切片內部存在內邊界點如圖4(a)所示，這些內部邊界點影響后續(xù)數(shù)據處理。切片外部邊界輪廓為矩形，根據幾何知識，矩形的內接圓與各個邊界相切，采用切片內接圓的方式刪除切片內部點云數(shù)據，處理結果如圖4(b)所示。具體過程：

1)計算切片的Xmax，Xmin，Ymax，Ymin對應的點坐標；

2)計算切片內接圓半徑r及圓心坐標；

3)計算切片點云與圓心的距離d，當d>0.4r時，保留該點。

圖4　邊界點云提取子處理

2.3邊界分割

點云切片外輪廓線由4條直線組成，需要進行邊界分割，才能進行直線擬合等后續(xù)操作。處理數(shù)據過程中采取坐標旋轉和Hough直線提取兩種方法進行邊界分割。

1)坐標旋轉。線塔點云數(shù)據采用掃描儀坐標系統(tǒng)，采集數(shù)據時儀器架設位置與線塔正面有一定的角度，導致切片邊界與坐標軸存在一定的夾角。選取切片左下角點作為固定點，切片上其它點繞固定點旋轉角度θ，使切片四邊界分別與X軸、Y平行。旋轉后點云x，y坐標變化，z坐標不變。點云坐標求解：

(1)

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

采用坐標旋轉的方法進行邊界分割存在一些問題，坐標旋轉后求出點的坐標，還需在進行反向旋轉，轉換過程中存在一定的誤差，有些切片存在邊角缺失的情況無法進行坐標旋轉。

2)Hough直線提取。Hough 變換是圖像處理領域中用于目標檢測的一種常用方法，是圖像空間和參數(shù)空間之間的一種變換，能夠用來檢測直線、圓、橢圓等幾何曲線。詹慶明等[11]應用 Hough 變換從古建筑激光掃描點云數(shù)據中提取線性特征，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)計算出相應的ρ值，然后再對累加數(shù)組A(ρ，θ)累加，由A(ρ，θ)的值得到共線點的個數(shù)。A(ρ，θ)中值最大的參數(shù)即為要檢測直線的參數(shù)。切片外輪廓線為矩形，4條直線中相對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，采用改進的Hough變換[12]方法提取切片外輪廓線，設置角度α和距離d兩個參數(shù)，分割結果如圖5所示。具體過程：

1)基于改進的Hough變換方法，保存多條滿足條件(點個數(shù))直線參數(shù)。

2)選擇共線點最多的直線參數(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L1，L2，L3，L4直線參數(shù)(ρ，θ)按照θ從小到大進行排序，便于后續(xù)數(shù)據處理。

圖5　邊界分割結果

2.4直線擬合及切片角點計算

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，從而導致自變量、因變量選擇不同時，擬合直線結果不同；整體最小二乘法，同時考慮自變量與因變量中的誤差，但是并沒有考慮到數(shù)據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量存在誤差的情況下，通過利用一定的準則刪除數(shù)據中的粗差或異常值，從而獲得穩(wěn)健的直線參數(shù)。直線分割過程中一些切片的邊角缺失，最終獲得35個切片邊界分割結果，采用穩(wěn)健整體最小二乘方法對分割后的邊界進行擬合，結果如圖6(a)所示。根據擬合的直線參數(shù)，相交直線計算切片角點坐標和切片中心坐標，線塔整體線框圖如圖6(b)所示。

3數(shù)據處理結果與分析

以底層切片中心為基礎，認為未發(fā)生偏移，計算底層的切片中心點坐標，其他各層中心坐標與底層中心坐標求x，y差值，按照桿塔傾斜度計算式(3)求各層傾斜度，計算結果如表1所示。

(3)

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

根據計算結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　線塔各層中心坐標及傾斜度計算結果　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，線塔處于安全運行狀態(tài)。

圖7　線塔偏移距離與傾斜度

4結論

1)將地面三維激光掃描技術運用到高壓線塔傾斜度監(jiān)測中，克服傳統(tǒng)監(jiān)測手段的不足，能夠對高壓斜塔的整體傾斜度進行監(jiān)測，并實地采集高壓線塔點云數(shù)據進行計算、分析，驗證方法的可行性。

2)針對高壓線塔自身結構特點，采用分層處理

的方法，根據已有的邊界提取算法(對于內部邊界點采用內接圓的方式進行刪除)和直線提取算法(切片外輪廓為矩形，設置角度和距離參數(shù)提取切片邊界)，完善基于地面三維激光掃描技術的高壓線塔傾斜度監(jiān)測方法。

參考文獻：

[1]國家煤炭工業(yè)局．建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2000：5-5.

[2]萬怡平，習曉環(huán)，王成,等． TLS 技術在表面復雜文物三維重建中的應用研究[J]． 測繪通報，2014(11):57-59

[3]羅德安，朱光，陸立，等 ．基于三維激光掃描技術的整體變形監(jiān)測[J]．測繪通報，2005(7):40-42.

[4]王克東，古廣林．煤炭采空區(qū)輸電線路塔基變形監(jiān)測及治理[J]．巖土工程技術，2011，6(3)：04-07.

[5]曹海林，楊力生，尹朋，等．基于智能天線的超高輸電塔變形監(jiān)測技術[J]．電力自動化設備，2010，30(5)：38-41.

[6]戴靠山，徐一智，公羽，等．三維激光掃描在風電塔檢測中的應用[J]．結構工程師，2014，30(2)：111-115.

[7]鄭德華,雷偉剛.地面三維激光影像掃描測量技術[J].鐵路航測, 2003(2): 26-28.

[8]沈蔚，李京，陳云浩，等．基于LIDAR數(shù)據的建筑輪廓線提取及規(guī)則化算法研究[J]．遙感學報，2008，12(5)：692-698.

[9]趙軍，曲仕茹．平面點集凸殼的快速算法[J]．計算機工程與應用，2009，45(1)：56-58.

[10] 何麗，李嘉，鄭德華．基于柵格的點云數(shù)據的邊界探測方法[J]．測繪工程，2013,22(3):69-73

[11] 詹慶明，周慶剛，肖映輝．從激光點云中提取古建筑線性和圓形特征的比較[J]．武漢大學學報(信息科學版)，2011，36(6)：674-677.

[12] 張云鵬．三維激光掃描數(shù)據同名特征點提取研究[D]．徐州：中國礦業(yè)大學，2014.

[13] 丁克良，沈云中，歐吉坤．整體最小二乘法直線擬合[J]．遼寧工程技術大學學報(自然科學版)，2010，29(1)：44-47.

[14] 王繼剛，周立，蔣挺臣，等．一種簡單的加權整體最小二乘直線擬合方法[J]．測繪通報，2014(4):33-35.

[15] 官云蘭，周世健，張立亭，等．穩(wěn)健整體最小二乘直線擬合[J]．工程勘察，2012(2):60-62.

[責任編輯：李銘娜]

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.08.014

收稿日期：2015-10-20

基金項目：國家測繪局測繪地理信息公益性行業(yè)專項資助項目(201412020)；河南省高等學校重點科研計劃項目(15A420005)；河南理工大學博士基金資助項目(B2012-004)

作者簡介：劉云備(1990-)，男，碩士研究生.

中圖分類號：P234.4

文獻標識碼：A

文章編號：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