利用激光點云數(shù)據(jù)求取風(fēng)電塔傾斜度的試驗

謝宏全，楊 濤，徐德偉，秦亞洲，盧 霞，王 晨

(1. 淮海工學(xué)院測繪與海洋信息學(xué)院，江蘇 連云港 222005； 2. 海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室，山東 青島 266590； 3. 連云港四方測繪勘察有限公司，江蘇 連云港 222047; 4. 地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院, 江蘇 南京 210007)

利用激光點云數(shù)據(jù)求取風(fēng)電塔傾斜度的試驗

謝宏全1,2，楊 濤1，徐德偉3，秦亞洲3，盧 霞1，王 晨4

(1. 淮海工學(xué)院測繪與海洋信息學(xué)院，江蘇 連云港 222005； 2. 海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室，山東 青島 266590； 3. 連云港四方測繪勘察有限公司，江蘇 連云港 222047; 4. 地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院, 江蘇 南京 210007)

風(fēng)電塔的日常運營維護(hù)是非常重要的工作，利用地面三維激光掃描技術(shù)對風(fēng)力發(fā)電塔的傾斜觀測進(jìn)行研究具有重要實際意義。本文選擇馬陵山風(fēng)電項目7#風(fēng)電塔作為研究對象，利用徠卡C10三維激光掃描儀獲取激光點云數(shù)據(jù)，并利用Cyclone軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。利用Cyclone軟件獲取塔筒40個截面中心坐標(biāo)并計算傾斜度，與同步全站儀獲取的傾斜度進(jìn)行對比分析。研究結(jié)果表明：利用地面三維激光掃描技術(shù)對風(fēng)電塔的傾斜觀測更加全面，而且滿足監(jiān)測精度要求，具有較大的應(yīng)用價值。

三維激光掃描技術(shù)；風(fēng)力發(fā)電塔；傾斜觀測；全站儀

近年來國家加大了風(fēng)能的建設(shè)力度，風(fēng)力發(fā)電機組的建設(shè)必定伴隨著維護(hù)與監(jiān)測。將地面三維激光掃描儀應(yīng)用于風(fēng)電塔傾斜監(jiān)測是目前世界上比較先進(jìn)的測量技術(shù)，具有高自動化、高速率、高精度的測量特點。近年來國內(nèi)一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，主要成果有：謝雄耀等[1]采用三維激光掃描技術(shù)對超高壓服役桿塔整體傾斜進(jìn)行檢測，結(jié)論可靠且對線路運營維護(hù)起到指導(dǎo)作用；戴靠山等[2]使用激光掃描儀對風(fēng)電塔外形進(jìn)行掃描測量，驗證幾何尺寸且擬合得到不同高度處圓心坐標(biāo)，并對垂直度進(jìn)行了評估；劉云備等[3]提出了基于地面三維激光掃描技術(shù)監(jiān)測高壓線塔傾斜度的方法；蘇宗躍等[4]利用天寶TX8三維激光掃描儀采集風(fēng)電塔筒三維數(shù)據(jù)，論證三維激光掃描儀對風(fēng)電塔筒垂直度在不同高度處變化的監(jiān)測應(yīng)用；李廣云等[5]以激光掃描測量數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理為研究內(nèi)容確定了去噪和光順分別研究的噪聲類型。另外，一些學(xué)者利用三維激光掃描技術(shù)對建筑物進(jìn)行整體位移監(jiān)測[6]，對橋梁、自升式鉆井平臺樁腿、電視塔、塔形建筑物進(jìn)行變形監(jiān)測[7-10]，對煤礦井架與輸煤棧橋支架進(jìn)行傾斜監(jiān)測[11-12]，以及古建筑中的應(yīng)用[13]。

1 激光點云數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)域概況

中電投東海馬陵山風(fēng)電項目位于江蘇省連云港市東海縣桃林鎮(zhèn)西山林場，項目風(fēng)電場占地面積21 km2，共有單機容量為1800 kW的發(fā)電機組24臺，連云港四方測繪勘察有限公司已完成全部風(fēng)電塔筒的傾斜觀測工作，由于7#風(fēng)電塔筒傾斜嚴(yán)重，延長了其監(jiān)測時間。本次研究以7#風(fēng)電塔筒為掃描研究對象，同步進(jìn)行全站儀免棱鏡觀測。

1.2 數(shù)據(jù)獲取方法

結(jié)合地形和風(fēng)電塔位置情況，此次掃描采用基于標(biāo)靶的點云數(shù)據(jù)采集方案，設(shè)置測站3站，在塔筒四周放置4個球形標(biāo)靶(確保每一測站都能觀測到4個標(biāo)靶)，保證兩測站掃描對象有一定的重疊，避免缺失情況的出現(xiàn)，采用自定義分辨率(1 cm/50 m)進(jìn)行掃描，每一測站用時約為8 min，選用矩形區(qū)域的掃描方式[14]。徠卡C10掃描儀采集點云數(shù)據(jù)的測站分布示意圖如圖1所示。

圖1 測站分布示意圖

2 點云數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本次使用徠卡C10配套的數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone8.0。將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone軟件完成拼接得到完整的塔筒點云，經(jīng)去噪、均一化處理后獲得風(fēng)電塔筒點云數(shù)據(jù)(如圖2所示)，均一化處理點云間隔設(shè)置為1 cm，與掃描時的分辨率統(tǒng)一。

圖2 預(yù)處理后的點云數(shù)據(jù)

2.2 塔筒幾何中心坐標(biāo)提取

利用Cyclone軟件對點云進(jìn)行進(jìn)一步處理，獲得塔筒不同高度點云切片，擬合截面(如圖3所示)，提取截面的幾何中心點坐標(biāo)，從而計算多個截面的傾斜度。

圖3 塔筒擬合截面

2.3 傾斜度計算方法

圓柱狀高聳構(gòu)筑物傾斜度，可通過截面中心的水平位移來求取，從而判斷構(gòu)筑物的傾斜，具體計算參考截面中心示意圖(如圖4所示)。

圖4 截面中心示意圖

圖4中xo、yo為塔筒底面中心po的坐標(biāo)，xi、yi為高度為i的截面中心pi的坐標(biāo)，若xo≠xi、yo≠yi,說明底面中心與截面中心在鉛垂面內(nèi)不重合，塔筒傾斜。計算出增量Δx=xi-xo、Δy=yi-yo，按照下式計算傾斜度

(1)

式中，hi為塔筒截面相對于底面的高度，可通過截面偏移量獲得。截面幾何中心坐標(biāo)及傾斜度見表1。

2.4 同步全站儀觀測

本次實地采集風(fēng)電塔點云數(shù)據(jù)的同時，連云港四方測繪勘察公司的技術(shù)人員攜帶拓普康MS05型全站儀，用免棱鏡模式對風(fēng)電塔在大致垂直的4個方位進(jìn)行了傾斜觀測(如圖5所示)，具體方法敘述如下。

圖5 觀測方法示意圖

從A、B、C、D這4個大致垂直的方向觀測風(fēng)機塔筒外表，下端觀測位置在距離地面1.7 m處，上端觀測位置在比底部觀測位置高32.43 m處。兩處觀測位置均為結(jié)構(gòu)的搭接處，焊縫明顯便于觀測。具體觀測計算方法詳見文獻(xiàn)[15]，通過對觀測數(shù)據(jù)的計算得到4個方向上的傾斜度(見表1)。

表1 全站儀觀測計算的傾斜度

3 數(shù)據(jù)計算與分析

3.1 傾斜度計算

為了全面了解塔筒傾斜度，本文試驗從塔底每隔2 m高度獲取截面中心坐標(biāo)，共有40個坐標(biāo)值。計算坐標(biāo)增量，求取中心位移量，利用式(1)計算40個截面傾斜度，具體數(shù)值見表2。

為了直觀表達(dá)偏移量隨塔筒高度的變化情況，利用表2位移量數(shù)據(jù)繪制散點圖(如圖6所示)，從圖6中可以看出位移量隨著高度的增加呈線性變化。

為了直觀了解塔筒傾斜變化，利用表2傾斜度數(shù)據(jù)繪制散點圖(如圖7所示)，這樣可以很清晰地了解不同高度處塔身的傾斜變化，塔筒下端傾斜較大，逐漸趨于平緩。

3.2 對比分析

(1) 數(shù)據(jù)獲取對比。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法在觀測過程中需要技術(shù)人員全過程操作儀器，試驗中全站儀觀測共設(shè)置了4個測站。三維激光掃描儀僅設(shè)置了3個測站，便獲取了監(jiān)測對象完整的點云數(shù)據(jù)，每一測站完成參數(shù)設(shè)置后掃描儀自動觀測，整個數(shù)據(jù)采集完成僅需要傳統(tǒng)觀測方法1/4的時間。傳統(tǒng)監(jiān)測方法的測站觀測條件較差且耗費了一定的人力，對比突出了三維激光掃描技術(shù)高速率、高自動化、高精度的特點。

圖7 風(fēng)電塔傾斜度散點分布

(2) 數(shù)據(jù)處理對比。在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的過程上，全站儀測量獲取的觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算可以直接得到對應(yīng)高度處的傾斜度，激光點云數(shù)據(jù)需經(jīng)過Cyclone軟件處理。在圖形工作站上處理點云數(shù)據(jù)需要一定的時間，也需要工作人員對軟件有一定的熟悉，從點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理到關(guān)鍵信息的提取每一步都非常關(guān)鍵，與傳統(tǒng)監(jiān)測方法相比，內(nèi)業(yè)任務(wù)比較繁重。

(3) 實用性對比。利用點云數(shù)據(jù)求取的風(fēng)電塔筒傾斜度，從生成的散點圖中可知風(fēng)電塔筒底端傾斜較大，從10 m到80 m的高度范圍塔筒傾斜維持在21.65′至25.10′區(qū)間內(nèi)，說明塔筒不是單一的剛體傾斜，其自身還存在彎曲形變。傳統(tǒng)監(jiān)測方法求取風(fēng)電塔32 m處的傾斜度為18.91′，與利用點云數(shù)據(jù)求取的傾斜度24.07′之間存在一定偏差，單個截面的傾斜觀測存在偶然性、分析不全的問題。而利用三維激光掃描技術(shù)監(jiān)測風(fēng)電塔筒傾斜，保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性，對于風(fēng)電塔的監(jiān)測更加清晰和全面。

4 結(jié) 語

本文利用地面三維激光掃描技術(shù)和傳統(tǒng)方法對風(fēng)電塔筒傾斜度進(jìn)行了對比試驗研究，試驗研究結(jié)果表明：三維激光掃描技術(shù)獲取激光點云數(shù)據(jù)速度快、精度高、完整性好。數(shù)據(jù)處理流程簡單，可以計算任意高度截面的傾斜度。此技術(shù)方法可以滿足工程需要，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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ExperimentalStudyontheTiltofWindTurbineTowerbyUsingLaserPointCloudData

XIE Hongquan1,2,YANG Tao1,XU Dewei3,QIN Yazhou3,LU Xia1,WANG Chen4

(1. School of Geomatics and Marine Information, Huaihai Institute of Technology, Lianyungang 222005,China; 2. Key Laboratory of Surveying and Mapping Technology on Island and Reef, National Administration of Surveying, Mapping and Geoinfomation, Qingdao 266590,China； 3. Lianyungang Sifang Surveying and Mapping Co. Ltd., Lianyungang 222047, China;4.Institute of Geochemical Exploration and Marine Geological Survey, Nanjing 210007, China)

The daily operation and maintenance of the wind power tower is very important. It is of great practical significance to study the tilt observation of the wind power tower by using ground 3D laser scanning technology. Selection of maling wind power project 7# wind turbine tower as the research object, using the Leica C10 3D laser scanner laser point cloud data, and the data are processed by Cyclone software. Cyclone software is used to obtain the center coordinates of 40 sections of the tower barrel, and the slope is calculated and compared with that obtained by the synchronous total station. The results show that the ground-based three-dimensional laser scanning technique is more comprehensive and meets the requirements of monitoring accuracy, and has great application value.

3D laser scanning technology; wind power tower; tilt observation; total station instrument

2017-07-06；

2017-09-18

國家自然科學(xué)基金(41506106)；海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室資助項目(2014B09)；江蘇省海洋科學(xué)技術(shù)優(yōu)勢學(xué)科

謝宏全(1964—)，男，博士，教授，主要從事三維激光掃描技術(shù)與應(yīng)用方面的研究。E-mail:xiehongquan@163.com

謝宏全，楊濤，徐德偉,等.利用激光點云數(shù)據(jù)求取風(fēng)電塔傾斜度的試驗[J].測繪通報，2017(12)：38-42.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0375.

P234.5

A

0494-0911(2017)12-0038-05