激光扫描的矿区高压线塔变形提取研究范文

摘要：高压线塔属于杆状构筑物，对水平、沉降、倾斜变形非常敏感，利用三维激光扫描技术对高压线塔进行变形监测是评估其受影响程度的重要手段。试验将仿真高压线塔作为扫描对象，结合最小二乘拟合平面的试验方法，评定其三维激光扫描单点定位精度，以及分析在不同距离、密度下的单点定位精度，并给出了数据提取与倾斜分析的具体方法和步骤，为真实扫描提供一种辅助决策作用。结果表明：对高压线塔的数据采集适合将测站设在10m左右，密度设置在0002m左右；实验以西南塔腿为例，研究得出在水平投影上变形最大。

关键词：三维激光扫描；定位精度；高压线塔；变形分析

近年来，由于煤矿开采，造成铁塔或者塔杆倾斜的情况时有发生，高压线塔是高压输电线路中与地面直接接触的一种构筑物，矿产资源的高强度开采所造成的地表移动和变形会危及到高压线塔构件的健康，甚至会出现一些倒塌等情况，引起电力、通信中断，从而造成巨大的经济损失，因此对高压线塔进行变形监测具有重要意义。地面三维激光扫描仪作为一种先进的新型测量技术，可以精确、快速并且高效地对三维目标实体进行测量，是对传统测量技术的一次重大突破，在各个领域已经有了广泛的应用。三维激光扫描技术虽然是一项新兴起来的技术，但是其本身具有十分可观的优势，与此同时，研究基于三维激光扫描技术的高压线塔变形监测的参考文献相当稀少，王克东等人采用建立观测线和观测点的方法对采空区地表变形及铁塔倾斜进行监测［1］；曹海林等人提出了一种基于智能天线、扩频技术的超高输电塔变形测量方案［2］；戴靠山等人采用激光扫描技术对一座风电塔的外形进行了扫描，利用扫描数据对风电塔的垂直度进行了评估［3］；蔡来良等人研究了一种基于特征线的高压线塔变形监测方法，求取同期塔腿棱线不同分段之间以及不同时期塔腿棱线相同分段之间的偏移角度和方向［4］。上述学者虽然对高压线塔进行了点云分类，特征提取，点云去噪等方面的研究，但是很少针对高压线塔的材质进行单点定位分析。为了能够更加科学的对高压线塔进行变形监测以及进行变形提取，本文研究在何种观测条件下可以取得较好的精度，并介绍数据提取与倾斜分析的具体方法和步骤。通过应用三维激光扫描仪对矿区受开采沉陷影响的高压线塔进行变形监测研究，能够对高压线塔的变形做到很好的监测与防范。

1实验方案

扫描仪单点定位精度的高低能直接决定其应用范围。以RieglVZ－1000三维激光扫描仪为例，分析拓普康GTS－332N全站仪的观测精度和实际观测精度情况。实验在仿真高压线塔上标定3个点位，依次是1、2、3号点。实验将四个橡胶轮胎装满干细沙，将仿真高压线塔四底座置于四个橡胶轮胎里的沙堆之上，为采集变形前后点云数据，以此达到模拟高压线塔在真实采动变形条件下的沉降变形目的。

2数据处理与分析

2.1点云平面拟合方法建筑物或者构筑物的很多结构都可以看作平面，比如墙面、屋顶、室内地板等，在获取高压线塔相同材质的钢板点云后，通过平面拟合的方法将点云数据拟合为一个平面。

2.2数据提取与分析实验采用RigelVZ－1000三维激光扫描仪，并自带软件RiscanPro，将采集的大量数据进行去噪、压缩、拼接，从而建立三维模型。在进行高压线塔点云数据拼接的时候，只需要对每一测站的点云数据，针对后视不动的标靶点坐标，在仪器自带的RiscanPro软件当中进行后视定向处理即可将所有测站的点云数据统一到同一坐标系中。利用采集点云时扫描精度最高的一个标靶点作为后视点，即标靶精扫时效果最好的点进行后视定向处理，使同一期的三站所有点云数据统一到一个坐标系下。根据提取的特征线，分析变形的情况，总结出高压线塔各结构变形的一般规律，初步预测高压线塔未来的变化趋势。

3实验结果分析

3.1铁塔材质对三维激光扫描单点定位精度的影响用三维激光扫描仪在10m的位置扫描获取高压线塔点云数据，试验中将三维激光扫描仪的点云密度设置为0002m，使用拓普康GTS－332N全站仪在测站D1对标定点位置进行坐标测量，对标定点位进行插值并坐标比对。文献［5］与［6］评定精度采用全站仪测量与三维激光扫描仪扫描反射片测量的坐标进行对比的方法，考虑到高压线塔是线性构筑物，并且高压线塔的反射率会对选取高压线塔上反射片中心坐标有影响。所以试验中结合实际情况，选取包含标定点一个局部区域进行最小二乘平面拟合，采用C＃软件进行实现。先将3号点进行计算插值，将全站仪测出的3号点X、Y坐标代入。

3.2距离对高压线塔材质单点定位精度的影响距离越大，接受到的返回信号强度肯定会衰减，点数会随着扫描距离的增大而迅速下降，从而影响到激光的测距精度［8］，在实际应用时，可能因为现场条件或工程设计影响，不能在合适的距离对高压线塔进行扫描，故有必要对不同距离条件下高压线塔材质的单点定位精度进行分析。在不同距离处以相同的点云密度即0002m对固定位置处的高压线塔进行数据采集。对全站仪在标定点位处采集到的坐标在不同距离点云数据中进行插值计算精度并分析。

3.3不同点云密度对高压线塔材质三维激光扫描单点定位精度的影响在实际应用时，可能需要在保证精度的条件下对测量时间进行控制，因此合适的点云密度的设置就具有重要意义。在相同距离即10m处采用不同点云密度对高压线塔进行扫描，对全站仪采集到的标定位置点处坐标进行插值进行精度分析。

3.4高压线塔倾斜变化分析同期点云数据精拼接如图3所示，西南塔腿处理后点云数据效果如图4所示，因为在Riscanpro中以TXT格式导出的数据量是庞大的，为提高数据后期处理效率，通过软件精去噪等处理从这些数据中提取有效的点云坐标。

4结论

三维激光扫描技术能够快速地获取高密度、高精度的目标空间信息，在三维表面重建和测量方面具有显著的优势。本文利用RIEGLVZ－1000三维激光扫描仪对监测高压线塔，采用了拟合平面方法，评定其材质单点定位精度，并在合适位置进行扫描，对实验数据进行提取与倾斜分析。

参考文献：

［1］王克东，古广林，高森，等．煤炭采空区输电线路塔基变形监测及治理［J］．电力勘测设计，2011（3）：4－7．

［2］曹海林，杨力生，尹朋，等．基于智能天线的超高输电塔变形监测技术［J］．电力自动化设备，2010，30（5）：38－41．

［3］戴靠山，徐一智，公羽，等．三维激光扫描在风电塔检测中的应用［J］．结构工程师，2014，30（2）：111－115．

［4］蔡来良，刘云备，王珊珊，等．特征线的高压线塔变形监测［J］．测绘科学，2016，41（12）：212－216．

［5］蔡越，徐文兵，梁丹，等．不同因素对地面三维激光扫描点云精度的影响［J］．激光与光电子学进展，2017（9）：358－367．

［6］曹先革，张随甲，司海燕，等．地面三维激光扫描点云数据精度影响因素及控制措施［J］．测绘工程，2014，23（12）：5－7．

［7］吴蒙．地面三维激光扫描点云数据精度影响因素及控制措施［J］．建材与装饰，2017（31）：191－192．

［8］朱凌，石若明．地面三维激光扫描点云分辨率研究［J］．遥感学报，2008，12（3）：405－410．

［9］向娟，李钢，黄承亮，等．三维激光扫描单点定位精度评定方法研究［J］．海洋测绘，2009，29（3）：68－70．

［10］冯文江．三维激光扫描数据点位精度分析［J］．地矿测绘，2014，30（1）：31－34．

［11］杨为民，朱海华．测距反射片测量精度的实验研究［J］．现代制造技术与装备，2016（2）：23－25．

［12］唐琨，花向红，魏成，等．基于三维激光扫描的建筑物变形监测方法研究［J］．测绘地理信息，2013，38（2）：54－55，65．

［13］李凯，黄承亮，张均．RIEGLVZ－1000扫描仪测量不同反射面精度研究［J］．城市勘测，2013（4）：130－132．

［14］刘云广．基于地面三维激光扫描技术的变形监测数据处理［D］．北京：北京建筑大学，2013．

［15］吕钊，康志忠．利用地面激光扫描数据进行建筑物变化检测［J］．武汉大学学报（信息科学版），2011，36（11）：1284－1289．

作者：李得军1;仲崇武2；查剑锋1 单位：1中国矿业大学国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室，2兖州煤业股份有限公司