電力鐵塔傾斜測量方法比較

王 巍，王 彬，花春亮，劉鴻劍

(中國能源建設集團甘肅省電力設計院有限公司，甘肅 蘭州 730050)

電力鐵塔是高電壓等級架空輸電線路的基本設備之一。對電力鐵塔進行傾斜測量以確保線路安全在電力線路的建設施工和運行、維護中有著重要意義。

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

1 測量方法分析

1.1 鉛垂法

鉛垂法適用范圍廣泛，是通過重力原理來進行測量。作業(yè)原理見圖1，從塔頂橫擔中心懸掛鉛錘，量取地面的點2和地面中心點1在水平投影上的距離S，通過查詢或者實測得到鐵塔全高H，計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,且有時需要帶電作業(yè)，因此有人工作業(yè)風險。

圖1 鉛垂法測量原理圖

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，二者交點即為塔頂中心的投影，通過該點和鐵塔實際底部中心的較差來計算傾斜成果。

實際測量中，首先根據(jù)鐵塔塔腿交會或塔位中心樁等定出鐵塔底部實際中心點，然后將經(jīng)緯儀架設在順線路方向對準鐵塔頂部中心，固定水平方向，通過垂直方向的移動配合棱鏡來獲取得到對應方向上的兩點來定線，再將經(jīng)緯儀架設到垂直線路方向，同理得到另外兩點定線，二線的交點，即為塔頂中心投影(見圖2)。

圖2 經(jīng)緯儀法測量原理圖

由于經(jīng)緯儀法要依靠人工棱鏡來配合，同時儀器需要多次設站，因此受人為因素影響大，精度較低。同時該法需要在順線路方向和垂直線路方向設站，因此對鐵塔周邊環(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)緯儀法基礎上出現(xiàn)的，通過添加平面鏡輔助利用光學原理可以有效的解決經(jīng)緯儀法在特殊地形下傾斜測量受限的問題。

平面鏡法通過適當?shù)脑O置平面鏡，合理設計光路，以觀測特定目標在平面鏡中的成像代替觀測目標本身，從而計算出鐵塔傾斜率(見圖3)。該法的關鍵在于通過調整平面鏡的角度控制平面鏡成像，利用經(jīng)緯儀測量標記量取距離并計算，從而獲得所需成果。

圖3 平面鏡法測量布置圖

利用光學理論輔助測量原理可行，但由于平面鏡設置較繁瑣，亦需要大量人工調整，加之所測成果需通過二次計算，因此精度較低。但此法有效避開了地形限制，因此在特殊地形下有其可取之處。

1.4 單目視覺測量法

單目視覺測量法是在近些年計算機視覺研究基礎上發(fā)展起來的。單目視覺測量法利用數(shù)碼相機在現(xiàn)場特定的距離和角度拍攝數(shù)碼像片，然后在內業(yè)進行圖像處理和數(shù)據(jù)的計算，最終得到鐵塔傾斜成果。

單目視覺測量法的關鍵在于精確的對像片進行校正。校正的內容主要包括變形校正和畸變校正。其中誤差主要來源于變形校正，變形校正計算圖見圖4；畸變校正又包括視覺畸變校正和鏡頭畸變校正，其中視覺畸變是由于位置投影關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，鏡頭畸變是指加工過程隨機產生的。

圖4 變形校正計算圖

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

1.5 全站儀免棱鏡測量法

全站儀免棱鏡測量法的原理是利用免棱鏡測量目標點時不需要瞄準棱鏡或反射片就可以測出被測物體空間信息的特性，通過這些空間信息利用AutoCAD等制圖工具繪圖，計算得到所需傾斜測量成果。

通常采用此法時，根據(jù)實際地形可采用軸線設站、正交設站、任意設站等多種方法設站進行多測回閉合測量。獲得的數(shù)據(jù)既可通過所測得三維坐標來展圖成圖，也可通過平距、水平角、高差等相對關系數(shù)據(jù)成果利用制圖工具繪制水平投影圖和垂直投影圖，并計算傾斜成果，見圖5。

全站儀免棱鏡測量法的精度主要受儀器精度、環(huán)境影響以及人工觀測精度等方面影響。因此可以通過選取高精度的全站儀，在良好天氣下進行測量工作，測量時提高人工讀數(shù)精度，多測回測量加強校核，來提高傾斜測量的精度。全站儀免棱鏡測量法具有操作簡便、數(shù)據(jù)處理簡單、成果可靠、效率高等優(yōu)點，在實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

三維激光掃描技術又稱實景復制技術，通過高速激光掃描大面積、高分辨率的快速獲取被測對象表面的三維坐標數(shù)據(jù)，通過快速、大量的采集空間點位信息來建立被測物體的三維影像模型。通過對恢復的鐵塔模型進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對鐵塔進行掃描時，需要分站架設獲取鐵塔的點云數(shù)據(jù)，通過拼接、去噪等步驟處理，在此基礎上繪制鐵塔的平面圖、立面圖、剖面圖以及三維模型等成果(工作流程見圖6)。其中控制測量部分通?？紤]按1∶500地形圖測量圖根點的要求進行，影像掃描時應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不可避免，因此需要準確剔除無關的點云數(shù)據(jù)。

三維激光掃描技術的數(shù)學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，主要通過提高控制測量的精度以及后期內業(yè)數(shù)據(jù)處理的精度來保證成果質量。三維激光掃描技術由于在數(shù)據(jù)獲取階段盡可能避免了人工干預，同時掃描儀精度很高，因此成果精度高。但是內業(yè)處理時間較長，設備成本相對較高，因此近年來在各地古建筑保護測量方面多見使用，而在鐵塔傾斜測量方面使用較少。

圖6 三維激光掃描技術作業(yè)流程

2 測量方法對比

3.1 所需硬件及工作環(huán)境影響對比

通過對比，可以發(fā)現(xiàn)鉛垂法設備需求低，但登塔測量人員風險較大；經(jīng)緯儀法、平面鏡法、全站儀法設備需求不高，都受環(huán)境影響；單目視覺測量法設備需求低、受環(huán)境影響??；三維激光掃描技術設備需求高，受環(huán)境影響較大。

2.2 外業(yè)、內業(yè)工作量及人員需求對比

以10基330 kV鐵塔工作量為例，見表2。

表2 不同測量方法工作量及人員需求對比

通過對比，可以發(fā)現(xiàn)鉛垂法所需人力較多，單目視覺測量相對較少；從作業(yè)時間看，外業(yè)工作鉛垂法時間最長，單目視覺測量法和三維激光掃描技術優(yōu)勢明顯；內業(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)工作量相對較少，不涉及過多的數(shù)據(jù)改正計算，單目視覺由于涉及較多的改正計算因此時間較長，而三維激光掃描技術內業(yè)所需處理數(shù)據(jù)多，耗費時間長。

2.3 精度及使用率對比

6種測量方法精度及使用率對比，見表3。

表3 不同測量方法精度及使用率對比

通過對比，可以發(fā)現(xiàn)精度上三維激光掃描技術最高，全站儀免棱鏡測量法次之，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，因此目前僅在個別領域使用較多，還需要進一步研究和發(fā)展?？偟膩碚f，當前在電力鐵塔傾斜測量方面以全站儀免棱鏡測量法使用較為廣泛。

3 結語

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

綜合來看，目前在電力鐵塔傾斜測量上，比較成熟可靠，性價比高的主流傾斜測量方法是全站儀免棱鏡測量法。但是從近年來電力成果三維可視化發(fā)展趨勢的角度來看，三維激光掃描技術可以提供高精度的豐富三維立體成果，在精度精準性和成果豐富性上有較大的發(fā)展空間，值得進一步研究。