激光掃描的礦區高壓線塔變形提取研究范文

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摘要：高壓線塔屬于桿狀構筑物，對水平、沉降、傾斜變形非常敏感，利用三維激光掃描技術對高壓線塔進行變形監測是評估其受影響程度的重要手段。試驗將仿真高壓線塔作為掃描對象，結合最小二乘擬合平面的試驗方法，評定其三維激光掃描單點定位精度，以及分析在不同距離、密度下的單點定位精度，并給出了數據提取與傾斜分析的具體方法和步驟，為真實掃描提供一種輔助決策作用。結果表明：對高壓線塔的數據采集適合將測站設在10m左右，密度設置在0002m左右；實驗以西南塔腿為例，研究得出在水平投影上變形最大。

關鍵詞：三維激光掃描；定位精度；高壓線塔；變形分析

近年來，由于煤礦開采，造成鐵塔或者塔桿傾斜的情況時有發生，高壓線塔是高壓輸電線路中與地面直接接觸的一種構筑物，礦產資源的高強度開采所造成的地表移動和變形會危及到高壓線塔構件的健康，甚至會出現一些倒塌等情況，引起電力、通信中斷，從而造成巨大的經濟損失，因此對高壓線塔進行變形監測具有重要意義。地面三維激光掃描儀作為一種先進的新型測量技術，可以精確、快速并且高效地對三維目標實體進行測量，是對傳統測量技術的一次重大突破，在各個領域已經有了廣泛的應用。三維激光掃描技術雖然是一項新興起來的技術，但是其本身具有十分可觀的優勢，與此同時，研究基于三維激光掃描技術的高壓線塔變形監測的參考文獻相當稀少，王克東等人采用建立觀測線和觀測點的方法對采空區地表變形及鐵塔傾斜進行監測［1］；曹海林等人提出了一種基于智能天線、擴頻技術的超高輸電塔變形測量方案［2］；戴靠山等人采用激光掃描技術對一座風電塔的外形進行了掃描，利用掃描數據對風電塔的垂直度進行了評估［3］；蔡來良等人研究了一種基于特征線的高壓線塔變形監測方法，求取同期塔腿棱線不同分段之間以及不同時期塔腿棱線相同分段之間的偏移角度和方向［4］。上述學者雖然對高壓線塔進行了點云分類，特征提取，點云去噪等方面的研究，但是很少針對高壓線塔的材質進行單點定位分析。為了能夠更加科學的對高壓線塔進行變形監測以及進行變形提取，本文研究在何種觀測條件下可以取得較好的精度，并介紹數據提取與傾斜分析的具體方法和步驟。通過應用三維激光掃描儀對礦區受開采沉陷影響的高壓線塔進行變形監測研究，能夠對高壓線塔的變形做到很好的監測與防范。

1實驗方案

掃描儀單點定位精度的高低能直接決定其應用范圍。以RieglVZ－1000三維激光掃描儀為例，分析拓普康GTS－332N全站儀的觀測精度和實際觀測精度情況。實驗在仿真高壓線塔上標定3個點位，依次是1、2、3號點。實驗將四個橡膠輪胎裝滿干細沙，將仿真高壓線塔四底座置于四個橡膠輪胎里的沙堆之上，為采集變形前后點云數據，以此達到模擬高壓線塔在真實采動變形條件下的沉降變形目的。

2數據處理與分析

2.1點云平面擬合方法建筑物或者構筑物的很多結構都可以看作平面，比如墻面、屋頂、室內地板等，在獲取高壓線塔相同材質的鋼板點云后，通過平面擬合的方法將點云數據擬合為一個平面。

2.2數據提取與分析實驗采用RigelVZ－1000三維激光掃描儀，并自帶軟件RiscanPro，將采集的大量數據進行去噪、壓縮、拼接，從而建立三維模型。在進行高壓線塔點云數據拼接的時候，只需要對每一測站的點云數據，針對后視不動的標靶點坐標，在儀器自帶的RiscanPro軟件當中進行后視定向處理即可將所有測站的點云數據統一到同一坐標系中。利用采集點云時掃描精度最高的一個標靶點作為后視點，即標靶精掃時效果最好的點進行后視定向處理，使同一期的三站所有點云數據統一到一個坐標系下。根據提取的特征線，分析變形的情況，總結出高壓線塔各結構變形的一般規律，初步預測高壓線塔未來的變化趨勢。

3實驗結果分析

3.1鐵塔材質對三維激光掃描單點定位精度的影響用三維激光掃描儀在10m的位置掃描獲取高壓線塔點云數據，試驗中將三維激光掃描儀的點云密度設置為0002m，使用拓普康GTS－332N全站儀在測站D1對標定點位置進行坐標測量，對標定點位進行插值并坐標比對。文獻［5］與［6］評定精度采用全站儀測量與三維激光掃描儀掃描反射片測量的坐標進行對比的方法，考慮到高壓線塔是線性構筑物，并且高壓線塔的反射率會對選取高壓線塔上反射片中心坐標有影響。所以試驗中結合實際情況，選取包含標定點一個局部區域進行最小二乘平面擬合，采用C＃軟件進行實現。先將3號點進行計算插值，將全站儀測出的3號點X、Y坐標代入。

3.2距離對高壓線塔材質單點定位精度的影響距離越大，接受到的返回信號強度肯定會衰減，點數會隨著掃描距離的增大而迅速下降，從而影響到激光的測距精度［8］，在實際應用時，可能因為現場條件或工程設計影響，不能在合適的距離對高壓線塔進行掃描，故有必要對不同距離條件下高壓線塔材質的單點定位精度進行分析。在不同距離處以相同的點云密度即0002m對固定位置處的高壓線塔進行數據采集。對全站儀在標定點位處采集到的坐標在不同距離點云數據中進行插值計算精度并分析。

3.3不同點云密度對高壓線塔材質三維激光掃描單點定位精度的影響在實際應用時，可能需要在保證精度的條件下對測量時間進行控制，因此合適的點云密度的設置就具有重要意義。在相同距離即10m處采用不同點云密度對高壓線塔進行掃描，對全站儀采集到的標定位置點處坐標進行插值進行精度分析。

3.4高壓線塔傾斜變化分析同期點云數據精拼接如圖3所示，西南塔腿處理后點云數據效果如圖4所示，因為在Riscanpro中以TXT格式導出的數據量是龐大的，為提高數據后期處理效率，通過軟件精去噪等處理從這些數據中提取有效的點云坐標。

4結論

三維激光掃描技術能夠快速地獲取高密度、高精度的目標空間信息，在三維表面重建和測量方面具有顯著的優勢。本文利用RIEGLVZ－1000三維激光掃描儀對監測高壓線塔，采用了擬合平面方法，評定其材質單點定位精度，并在合適位置進行掃描，對實驗數據進行提取與傾斜分析。

參考文獻：

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

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［15］呂釗，康志忠．利用地面激光掃描數據進行建筑物變化檢測［J］．武漢大學學報（信息科學版），2011，36（11）：1284－1289．

作者：李得軍1;仲崇武2；查劍鋒1 單位：1中國礦業大學國土環境與災害監測國家測繪地理信息局重點實驗室，2兗州煤業股份有限公司