利用激光点云数据求取风电塔倾斜度的试验

谢宏全，杨 涛，徐德伟，秦亚洲，卢 霞，王 晨

(1. 淮海工学院测绘与海洋信息学院，江苏 连云港 222005； 2. 海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室，山东 青岛 266590； 3. 连云港四方测绘勘察有限公司，江苏 连云港 222047; 4. 地球化学勘查与海洋地质调查研究院, 江苏 南京 210007)

利用激光点云数据求取风电塔倾斜度的试验

谢宏全1,2，杨 涛1，徐德伟3，秦亚洲3，卢 霞1，王 晨4

(1. 淮海工学院测绘与海洋信息学院，江苏 连云港 222005； 2. 海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室，山东 青岛 266590； 3. 连云港四方测绘勘察有限公司，江苏 连云港 222047; 4. 地球化学勘查与海洋地质调查研究院, 江苏 南京 210007)

风电塔的日常运营维护是非常重要的工作，利用地面三维激光扫描技术对风力发电塔的倾斜观测进行研究具有重要实际意义。本文选择马陵山风电项目7#风电塔作为研究对象，利用徕卡C10三维激光扫描仪获取激光点云数据，并利用Cyclone软件进行数据预处理。利用Cyclone软件获取塔筒40个截面中心坐标并计算倾斜度，与同步全站仪获取的倾斜度进行对比分析。研究结果表明：利用地面三维激光扫描技术对风电塔的倾斜观测更加全面，而且满足监测精度要求，具有较大的应用价值。

三维激光扫描技术；风力发电塔；倾斜观测；全站仪

近年来国家加大了风能的建设力度，风力发电机组的建设必定伴随着维护与监测。将地面三维激光扫描仪应用于风电塔倾斜监测是目前世界上比较先进的测量技术，具有高自动化、高速率、高精度的测量特点。近年来国内一些学者进行了相关研究，主要成果有：谢雄耀等[1]采用三维激光扫描技术对超高压服役杆塔整体倾斜进行检测，结论可靠且对线路运营维护起到指导作用；戴靠山等[2]使用激光扫描仪对风电塔外形进行扫描测量，验证几何尺寸且拟合得到不同高度处圆心坐标，并对垂直度进行了评估；刘云备等[3]提出了基于地面三维激光扫描技术监测高压线塔倾斜度的方法；苏宗跃等[4]利用天宝TX8三维激光扫描仪采集风电塔筒三维数据，论证三维激光扫描仪对风电塔筒垂直度在不同高度处变化的监测应用；李广云等[5]以激光扫描测量数据内业处理为研究内容确定了去噪和光顺分别研究的噪声类型。另外，一些学者利用三维激光扫描技术对建筑物进行整体位移监测[6]，对桥梁、自升式钻井平台桩腿、电视塔、塔形建筑物进行变形监测[7-10]，对煤矿井架与输煤栈桥支架进行倾斜监测[11-12]，以及古建筑中的应用[13]。

1 激光点云数据获取

1.1 研究区域概况

中电投东海马陵山风电项目位于江苏省连云港市东海县桃林镇西山林场，项目风电场占地面积21 km2，共有单机容量为1800 kW的发电机组24台，连云港四方测绘勘察有限公司已完成全部风电塔筒的倾斜观测工作，由于7#风电塔筒倾斜严重，延长了其监测时间。本次研究以7#风电塔筒为扫描研究对象，同步进行全站仪免棱镜观测。

1.2 数据获取方法

结合地形和风电塔位置情况，此次扫描采用基于标靶的点云数据采集方案，设置测站3站，在塔筒四周放置4个球形标靶(确保每一测站都能观测到4个标靶)，保证两测站扫描对象有一定的重叠，避免缺失情况的出现，采用自定义分辨率(1 cm/50 m)进行扫描，每一测站用时约为8 min，选用矩形区域的扫描方式[14]。徕卡C10扫描仪采集点云数据的测站分布示意图如图1所示。

图1 测站分布示意图

2 点云数据处理

2.1 数据预处理

本次使用徕卡C10配套的数据处理软件Cyclone8.0。将扫描数据导入Cyclone软件完成拼接得到完整的塔筒点云，经去噪、均一化处理后获得风电塔筒点云数据(如图2所示)，均一化处理点云间隔设置为1 cm，与扫描时的分辨率统一。

图2 预处理后的点云数据

2.2 塔筒几何中心坐标提取

利用Cyclone软件对点云进行进一步处理，获得塔筒不同高度点云切片，拟合截面(如图3所示)，提取截面的几何中心点坐标，从而计算多个截面的倾斜度。

图3 塔筒拟合截面

2.3 倾斜度计算方法

圆柱状高耸构筑物倾斜度，可通过截面中心的水平位移来求取，从而判断构筑物的倾斜，具体计算参考截面中心示意图(如图4所示)。

图4 截面中心示意图

图4中xo、yo为塔筒底面中心po的坐标，xi、yi为高度为i的截面中心pi的坐标，若xo≠xi、yo≠yi,说明底面中心与截面中心在铅垂面内不重合，塔筒倾斜。计算出增量Δx=xi-xo、Δy=yi-yo，按照下式计算倾斜度

(1)

式中，hi为塔筒截面相对于底面的高度，可通过截面偏移量获得。截面几何中心坐标及倾斜度见表1。

2.4 同步全站仪观测

本次实地采集风电塔点云数据的同时，连云港四方测绘勘察公司的技术人员携带拓普康MS05型全站仪，用免棱镜模式对风电塔在大致垂直的4个方位进行了倾斜观测(如图5所示)，具体方法叙述如下。

图5 观测方法示意图

从A、B、C、D这4个大致垂直的方向观测风机塔筒外表，下端观测位置在距离地面1.7 m处，上端观测位置在比底部观测位置高32.43 m处。两处观测位置均为结构的搭接处，焊缝明显便于观测。具体观测计算方法详见文献[15]，通过对观测数据的计算得到4个方向上的倾斜度(见表1)。

表1 全站仪观测计算的倾斜度

3 数据计算与分析

3.1 倾斜度计算

为了全面了解塔筒倾斜度，本文试验从塔底每隔2 m高度获取截面中心坐标，共有40个坐标值。计算坐标增量，求取中心位移量，利用式(1)计算40个截面倾斜度，具体数值见表2。

为了直观表达偏移量随塔筒高度的变化情况，利用表2位移量数据绘制散点图(如图6所示)，从图6中可以看出位移量随着高度的增加呈线性变化。

为了直观了解塔筒倾斜变化，利用表2倾斜度数据绘制散点图(如图7所示)，这样可以很清晰地了解不同高度处塔身的倾斜变化，塔筒下端倾斜较大，逐渐趋于平缓。

3.2 对比分析

(1) 数据获取对比。传统的监测方法在观测过程中需要技术人员全过程操作仪器，试验中全站仪观测共设置了4个测站。三维激光扫描仪仅设置了3个测站，便获取了监测对象完整的点云数据，每一测站完成参数设置后扫描仪自动观测，整个数据采集完成仅需要传统观测方法1/4的时间。传统监测方法的测站观测条件较差且耗费了一定的人力，对比突出了三维激光扫描技术高速率、高自动化、高精度的特点。

图7 风电塔倾斜度散点分布

(2) 数据处理对比。在内业数据处理的过程上，全站仪测量获取的观测数据，经过计算可以直接得到对应高度处的倾斜度，激光点云数据需经过Cyclone软件处理。在图形工作站上处理点云数据需要一定的时间，也需要工作人员对软件有一定的熟悉，从点云数据的预处理到关键信息的提取每一步都非常关键，与传统监测方法相比，内业任务比较繁重。

(3) 实用性对比。利用点云数据求取的风电塔筒倾斜度，从生成的散点图中可知风电塔筒底端倾斜较大，从10 m到80 m的高度范围塔筒倾斜维持在21.65′至25.10′区间内，说明塔筒不是单一的刚体倾斜，其自身还存在弯曲形变。传统监测方法求取风电塔32 m处的倾斜度为18.91′，与利用点云数据求取的倾斜度24.07′之间存在一定偏差，单个截面的倾斜观测存在偶然性、分析不全的问题。而利用三维激光扫描技术监测风电塔筒倾斜，保证了监测数据的完整性，对于风电塔的监测更加清晰和全面。

4 结 语

本文利用地面三维激光扫描技术和传统方法对风电塔筒倾斜度进行了对比试验研究，试验研究结果表明：三维激光扫描技术获取激光点云数据速度快、精度高、完整性好。数据处理流程简单，可以计算任意高度截面的倾斜度。此技术方法可以满足工程需要，具有广泛的应用前景。

[1] 谢雄耀,姜毅,卢晓智,等.超高压服役杆塔病害及三维激光扫描检测技术[J].地下空间与工程学报,2014,10(3):668-674.

[2] 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.

[3] 刘云备,蔡来良,王珊珊,等.基于TLS的高压线塔倾斜度监测[J].测绘工程, 2016, 25(8):65-69.

[4] 宋宗跃,赵晋睿,王玲玲,等.浅谈天宝TX8三维激光扫描仪在风电场风机塔筒垂直度监测中的应用[J].测绘通报,2016(7):146-147.

[5] 李广云,李明磊,王力,等.地面激光扫描点云数据预处理综述[J].测绘通报,2015 (11):1-3．

[6] 周保兴,岳建平,张磊,等.基于地面三维激光扫描技术的建筑物整体位移监测[J].测绘通报,2013(10): 76-79．

[7] 黄承亮.激光扫描技术下桥梁变形监测方法的研究[J].测绘通报,2015(S0): 206-209．

[8] 罗建,孙德鸿,蒋涛.三维激光扫描在自升式钻井平台桩腿变形测量中的应用[J].测绘通报,2013(5):50-53．

[9] 李建敏,程光亮.三维激光扫描支持下电视塔变形监测试验研究[J].城市勘测, 2011(4):138-141.

[10] 张厚禄,陈雯超,王恒东.三维激光扫描技术在塔形建筑物变形观测中的应用[J].青海国土经略,2015(2):58-61.

[11] 韩腾腾,陶禹.三维激光扫描技术在煤矿井架变形监测分析中的应用[J].山东煤炭科技,2017(6):137-139.

[12] 蔺小虎,姚顽强,张咏,等.基于地面三维激光扫描技术的输煤栈桥支架倾斜监测[J].煤矿安全,2016,47(9):110-113.

[13] 孙文潇,王健,刘春晓.三维激光扫描在古建筑中的应用[J].测绘科学, 2016, 41(12):297-301.

[14] 谢宏全,谷风云.地面三维激光扫描技术与应用[M].武汉:武汉大学出版社,2016.

[15] 王锦华,隋俭武.风力发电塔变形监测方法研究[J].现代测绘,2016,39(6):19-21.

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

国家自然科学基金(41506106)；海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室资助项目(2014B09)；江苏省海洋科学技术优势学科

谢宏全(1964—)，男，博士，教授，主要从事三维激光扫描技术与应用方面的研究。E-mail:xiehongquan@163.com

谢宏全，杨涛，徐德伟,等.利用激光点云数据求取风电塔倾斜度的试验[J].测绘通报，2017(12)：38-42.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0375.

P234.5

A

0494-0911(2017)12-0038-05