[01127513]基于激光点云的高压线塔形变分析技术及应用

一、课题来源与背景 高压线塔是输电线路结构中与地面直接接触的构筑物,主要起支承架空线路导线和架空地线的作用。高压输电线路一般采用架空线路,处于外部环境中,需经受正常工作情况下的内部作用和多种外部环境的影响,影响输电线路正常运行的因素较多。一般情况下,除地形复杂区域外,每公里高压输电线路约有2～3座铁塔,其投资占线路总投资的40%左右,输电铁塔在整个输电线路中非常重要。 变形监测就是利用专用的仪器和方法对变形体的变形现象进行持续观测、对变形体变形形态进行分析和变形体变形的发展态势进行预测等的各项工作。高压线塔是一种高次超静定空间杆系结构,由角钢螺栓偏心连接构成。由于地质条件、气候温度变化、自身结构和外部环境的影响,导致高压线塔整体或局部产生空间位置相对或绝对的变化即变形。当变形量没有超过限定的范围时,可认为其可正常使用,但是当超过一定的限度时就会影响高压线塔的正常使用,进而影响整个高压线路和工况企业的正常运行。对高压线塔变形监测的任务就是定期对高压线塔进行重复的观测,求得其在不同观测周期中的变化值,并分析变形趋势和变形规律,以便及时在有危害的变形产生之前做出正确的补救措施,确保高压线塔的正常安全运行。对高压线塔进行变形监测的重要性在于根据观测得来的资料对高压线塔的是否能安全运行做出科学的分析和评估,减少倒塌、断电等影响电力线路安全运行的事故发生,将危险扼杀在萌芽中,确保工矿企业的正常运行。 二、技术原理及性能指标 三维激光扫描技术作为测绘领域的一项新兴的全自动高精度立体扫描技术,以它独特的信息获取与处理技术,在测绘领域迅速发展起来。它无需布设控制点和观测点,不需接触被测物体,通过激光扫描仪主动发射激光束,以每秒数千甚至数十万的点以高精度高密度离散点的形式获取被测量物体表面精确的几何信息,采集速度快,精度高,一般可达毫米级。三维激光扫描测量技术的一个显著特点是可以根据点云数据得知整个面域内的情况,不是基于单个点的测量,而是一种基于面的测量方式。获得的面域点精度均匀、密度高,既可以了解被测物局部细节变化,也可以方便地从整体上对被测物的稳定性进行分析和评估,在变形监测领域有很好的应用前景。由于高压线铁塔结构特殊,地表接触面积较小,由地表变形如压缩、倾斜、拉伸、水平位移和整体位移等作用于高压线塔后产生的变形表现形式为倾斜、下沉和水平位移,利用三维激光扫描技术实现高压线塔的无接触测量,快速获取高压线塔整体空间信息,依据所获取的点云数据实现三维变形测量与分析研究有较大优势,对高压线塔的变形研究有重要意义。 性能指标： （1） 满足毫米级精度的线塔整体倾斜监测,弯曲监测。 （2） 满足毫米级精度的线塔角钢弯曲检测,形变分析。 （3） 软件运行平台windows系统,图形工作站。 三、技术的创造性与先进性 （1）提出了分析线塔倾斜度的水平截面法及其误差模型。在本方法中通过将高压线塔观测的激光点云细分为水平薄层,并通过边界提取、直线拟合、边界求交点等步骤,求取水平薄层的几何中心,并计算该中心距离塔基中心的水平偏移量,获得线塔的倾斜值。同时分析了该方法的几何特征,建立了误差模型和修正函数,进而建立了基于三维激光扫描技术的高压线塔倾斜度精确计算方法。 （2）建立了高压线塔的特征点线自动提取算法。通过对线塔角钢形态的分析,采用点云平面分割、投影、边界提取、相邻面求取交线等步骤建立了高压线塔角钢交叉点及塔棱线的提取算法。采用建立空间格网,邻域搜索等算法提取了线塔攀爬钉端点,建立了同名特征点匹配方法,分析了提取的空间特征点位移量。特征点自动提取、匹配、形变分析技术体系的建立为线塔变形监测技术的集成提供了新途径。 （3）获得了塔身弯曲,角钢弯曲的计算方法。结合相邻不同水平分层的倾斜量变化,建立了线塔弯曲曲率值的计算公式,并通过主成分分析法确定了局部角钢的弯曲值计算方法,为线塔的健康状态评估及病害部件维修治理提供了技术支持。 四、技术的成熟程度,适用范围和安全性 技术成熟度较高,实用于各种工况环境下的线塔全面三维变形监测,由于采用了非接触测量方法,安全系数较高。 五、应用情况及存在的问题 项目在山西晋煤集团坪上煤矿1103工作面上方高压线塔变形监测,山西晋煤集团翼城晟泰青洼煤业2103工作面岩层及地表移动变形监测,平煤九矿高压线塔保护煤柱的留设等生产过程中得到了应用,效果良好。课题组将继续推广,根据更加丰富的现场资料优化技术体系。 六、历年获奖情况 课题组在项目开展期间,参加了2017年“第四届全国激光雷达大会”,撰写的《水平截面法分析高压线塔倾斜度的误差模型》,获“青年优秀论文”奖。参加2017年“第八届全国交通工程测量学术研讨会”,课题组撰写的《基于TLS的高压线塔倾斜与曲率变形研究》荣获优秀论文奖。