基于激光点云杆塔位移测量与倾斜测量分析技术

黄旭勇1于辉1高振宇2

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院昆明650217；2.云南电网有限责任公司昆明650041）

DisplacementMeasurementandTiltMeasurementAnalysisTechnologyofLaserPointCloudTower

HuangXuyong，YuHui，GaoZhenyu

（1.YunnanElectricPowerResearchInstitute，Kunming650217，China；2.YunnanpowergridCo.，Ltd.，Kunming650041，China）ABSTRACT：Traditionaloperationandmaintenancemethodsofpowerlinesneedtospendalotofmanpowerandmaterialresourcestomasterthesituationoflinecorridors.Becausethemeasurementaccuracyofequipmentitselfandhumanerrorsisnothigh，themaintenancecostisincreased.Toweristhebasicequipmentoftransmissionline.Whentransmissionlinepassesthroughspecialzonessuchascoalminingarea，softsoilarea，hillside，riverbedarea，thephenomenonofslip，inclination，settlementandcrackingoftowerfoundationwilloccur，whichwillcausethedeformationorinclinationoftowerandlandslide.

KEYWORDS：Electricpowerinspection；Laserpointcloud；HiddenDefectanalysis

摘要：电线路传统的运行维护方式需要花费大量人力、物力去掌握线路走廊情况，由于设备自身精度和人为误差等因素获取的测量精度不高，增加了维护成本。杆塔是输电线路基本设备，当输电线路经过煤炭开采区、软土质地区、山坡地、河床地带等特殊地带时，杆塔基础会发生滑移、倾斜、沉降、开裂等现象，从而引起杆塔的变形或倾斜及滑坡。

关键词：电力巡检；激光点云；隐患分析

1引言

近年来，在电网高速发展的要求下，输电及配电线路等电网设备均以较高的速度增长，电网运行、调控、检修维护等日益复杂，电网安全稳定运行的要求更高。输电线路相关设备的长期、连续的不间断运行及在外环境的影响下，会造成设备故障发生次数增加。设备故障造成电网的非计划停运，不仅会使得电力供应的进一步紧张，而且也会造成较大的经济损失。

故而随着输电线路巡维要求的不断提升，在输电线路动静态巡视检测方面的新技术应用越来越广泛，从传统的“望远镜＋红外测温”的检测方法转变到“机巡+人工”的广义巡检手段，并釆取定期的试验分析检查模式。但由于云南电网线路延展里程长，线路结构类型、不同电压等级的覆盖密度等不尽相同，尤其是由于历史原因未建立相关输电线路数学模型台账，为适应输电线路状态评价智能化的要求，收集线路沿线的三维信息也非常重要。

2杆塔位移测量与分析

电线路传统的运行维护方式需要花费大量人力、物力去掌握线路走廊情况，由于设备自身精度和人为误差等因素获取的测量精度不高，增加了维护成本。杆塔是输电线路基本设备，当输电线路经过煤炭开采区、软土质地区、山坡地、河床地带等特殊地带时，杆塔基础会发生滑移、倾斜、沉降、开裂等现象，从而引起杆塔的变形或倾斜及滑坡。

2.1杆塔位移分析算法

多批次点云数据纠偏完成后，进行叠加分析，可以很明显看到同一杆塔是否有偏移，如有偏移，则计算其偏移量（水平、垂直）后生成杆塔位移分析报告。

利用杆塔顶部中心点高度H和中心点的倾斜值S可以测量出杆塔的倾斜度：

q=S/H=distance3/distance2，测量如下图所示。我方将根据点云分类后数据利用算法结合点密度与存量数据进行比对分析计算杆塔位移情况。

2.2杆塔位移分析展示

在杆塔位移分析时，将根据直升机线路巡检或无人机线路巡检数据利用激光点云数据或可见光数据，根据需求结合杆塔情况分析隐患，并实时展示分析结果，为线路检修工作提供支持。

根据历年点云数据或可见光提取杆塔直接或、间接特征，对比分析杆塔位移情况。

下图杆塔垂直视角下预测的隐患杆塔位移距离及位移方向。

下图杆塔水平视角下预测的隐患杆塔位移距离及位移方向。

下图杆塔水平、垂直视角对比两者隐患杆塔位移距离及位移方向。

3杆塔倾斜测量与分析

电力杆塔倾斜度定义公式为q=S/H，其中S为杆塔倾斜值，H为杆塔实际高度。实际工程测量中一般将杆塔等效为一个刚性整体，则其倾斜度可抽象为顶层中（重）心与塔基层中（重）心的偏离值与杆塔高度的比值。显然，利用地面激光雷达获取确定杆塔底部中心点O、顶部中心点O1和其投影点，则杆塔顶部中心点至其底部投影点的距离即为杆塔实际高度H，投影点至杆塔底部中心点距离即为杆塔倾斜值S，即可实现电力杆塔的倾斜度测量，如下图所示。

基于地面三维激光雷达获取目标物体的外形三维点云数据，然后通过三维重构的目标物体点云模型进行物理尺寸的测量的可行性已被相关行业应用证实。可见，基于地面三维激光雷达实现杆塔倾斜度的测量方法在理论上是可行的，关键问题在于杆塔点云模型的建立和杆塔顶、底中（重）心的确立。相关研究结果表明确立杆塔顶、底中（重）心的方法有很多，我们的确定方法是在杆塔彩色点云模型塔脚的底部选取基准点，依据此点创建绝对水平面，水平面与其他3个塔脚形成3个交点，此四点形成两条对角线的交点就是杆塔底部中（重）心点，如上图中的O点；杆塔顶部中心点则可通过选取杆塔顶部“十”字形塔材中（重）心点如图2中的O1点。

基于地面激光雷达杆塔倾斜度测量步骤如下。

3.1采集并重构杆塔点云数据

地面激光雷达扫描得到的杆塔点云数据中包含由彗尾效应和空中杂质引起的噪音点。直接用含有大量噪音点的初始点云图测量杆塔的倾斜度会影响视觉效果和测量结果的精确度。通过点云数据处理软件选择各个方位的噪音点，再利用点云消噪功能将冗余点云数据剔除，得到一个视觉效果好、三维立体的杆塔点云模型。

2）选取塔角较低点

塔角较低点位置的选择决定着杆塔实际高度值的大小，在利于选择其他3个塔角点的情况下，塔角较低点尽可能选取靠近地面的塔角点。首先导入消噪后的杆塔点云图，参照数码相机拍摄的杆塔真彩图，在4个塔角中的角钢中心点线附近选取一个较低点，将该点作为绝对水平面的基准点。

3.2创建塔底绝对水平面

由于在杆塔点云图是由成千上万的点组成，每个点均有三维坐标值。所以在确定塔角较低点的基础上，将该点的三维坐标值（X0，Y0，Z0）和竖直方向的法向量（0，0，1）代入平面的点法式方程：

A（X－X0）+B（Y－Y0）+C（Z－Z0）=0

式中：（A，B，C）为平面法向量，（X0，Y0，Z0）为已知点的三维坐标。通过代入坐标值的计算，可得绝对水平面方程：Z=Z0创建的杆塔底部绝对水平面即为杆塔的底部平面，杆塔顶部中心点至该水平面的距离就是杆塔的实际高度值。

3.3确定其它塔角点并修正塔角较低坐标

创建的杆塔底部绝对水平面将会与其他3个塔角的角钢中心线有3个交点，但需要对3个塔角的角钢中心线进行提取以提高确定这3个交点位置的精确度，可通过选取角钢中心上不同高度的两点（Xa，Ya，Za）和（Xb，Yb，Zb）来确定角钢中心线，然后利用三条角钢中心线方程与绝对水平面方程计算出其他3个塔角点，空间直线计算的方程如下：

（X－Xa）/（Xb－Xa）=（Y－Ya）/（Yb－Ya）=（Z－Za）/（Zb－Za）

在确定这3个塔角点的基础上，利用同样的方法对杆塔较低点进行坐标修正，以便更准确地确定杆塔底部中心点的位置。

3.4确定杆塔中心点O及投影点O1

杆塔的塔角点是由4条角钢中心线和同一绝对水平面确定的，所以这4个塔角点处于同一水平面内，它们的对角线也同样相交于绝对水平面内，该交点即为杆塔底部中心点O；电力杆塔顶部构造具备对称性，其结构的中心点可等效为杆塔顶部中心点O1，可在杆塔点云图中直接选取；然后依据杆塔顶部中心点的坐标和绝对水平面方程确定杆塔顶部中心点在水平面内投影点的空间位置。

3.5计算杆塔的高度H和倾斜值S

依据杆塔底部中心点O，顶部中心点O1，及其投影点的空间坐标值，计算出杆塔的高度H和杆塔的倾斜值S，依据杆塔倾斜度定义公式计算倾斜度。

结束语

三维激光扫描结合可见光影像数据在输电线路上的应用可以有效解决上述问题，尤其是其获取的点云数据，可以提供线路检测需要详细信息，并为三维建模提供支撑。根据云南电网公司2018年的三维激光扫描作业计划，拟开展基于三维激光扫描数据的点云数据处理、输电线路及通道地物特征提取、点云数据空间分析及输电线路工况模拟等分析工作，为各供电局提供精确的输电线路安全隐患检测。

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