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《河南理工大学》 2018年
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基于点云数据的沉陷区高压线塔变形分析研究

王姗姗  
【摘要】:近年来LiDAR((Light Detection and Ranger))技术快速发展,因其非接触测量的工作方式及高效准确的获取物体几何信息的技术优势,在变形监测领域的应用愈加广泛,对点云数据的研究日益成熟。采动区的高压线塔作为输电线路中的重要构件,关系到输电线路的正常运行和工矿企业的安全运营。然而在开发和利用地下煤炭资源时,会不可避免的破坏地下岩体、土体的原始应力平衡状态,形成塌陷、沉降等地表变化,从而引发高压线塔倒塌、断线等惨重的安全事故。对高压线塔变形监测,评估高压线塔安全状态具有重大意义。本研究以三维激光扫描仪扫描的不同时期的高压线塔点云数据为基础,分别从整体和局部对高压线塔的变形状态进行评估。在整体上,提出了水平截面法计算高压线塔的倾斜度,并进行线塔倾斜的模拟实验,验证水平截面法的可行性;研究水平截面法计算倾斜度的原理,分析产生的系统误差并推导出误差补偿公式;在局部上,从高压线塔点云中提取出特征点-攀爬钉端点,通过特征点的位移分析高压线塔的变形规律;分析局部角钢的变形,研究局部变形情况。具体研究工作如下:1总结了三维激光扫描技术的发展以及常用的处理点云数据的方法,介绍了三维激光扫描技术的原理及分类,分析了高压线塔变形监测的研究现状,比较了各种方法的优缺点,并总结了将LiDAR技术用于高压线塔变形监测的优势。2制作线塔模型,进行线塔刚性倾斜变形的室内模拟实验。介绍了实验所用的三维光学面扫描系统以及三维光学摄影测量系统,分别使用这两种测量系统获取模型塔倾斜前后的点云数据与影像数据。提出水平截面法计算模型塔倾斜度,对获取数据进行处理分析,验证水平截面法进行高压线塔倾斜计算的可行性。3研究了高压线塔点云数据的采集方案,分析了数据的误差来源,并对采集的点云数据进行拼接、去噪、滤波等预处理,从大量的点云中提取出高压线塔的点云。对高压线塔点云数据经过水平截面、截面边界点云提取、边界点云分割、边界点云直线拟合和直线角点及中心点提取等处理后,利用分层面片与底层面片的偏差和面片所在高度的比值,计算面片的倾斜度。分析水平截面法计算倾斜度产生的误差,建立误差改正模型,并推导出误差计算公式。4由面片的角点坐标计算出高压线塔的四条棱线方程,设置缓冲区,提取棱线缓冲区内的点云,获得高压线塔棱线点云(包含攀爬钉、与塔棱线角钢相连的角钢的部分点云)。建立棱线点云的空间包围盒,设置网格大小,将攀爬钉点云划分到相邻空间网格内。探索空间网格的邻域关系,将满足要求的网格中点云提取出来,计算点云的中心点作为疑似特征点,设置疑似特征点之间的验证阈值,提取出攀爬钉端点。将多期特征点进行对比,求出位移量。5角钢是高压线塔的重要构件,角钢的变形反映了线塔局部的变形。当角钢变形较小时,可以更换高压线塔局部的角钢保证线塔的安全。将点云划分在网格内,则每个网格中的点云可作为一个点的邻域集,根据PCA算法计算各网格内邻域集的曲率,提取出曲率较大的网格点云,即为角钢变形部位,分析其变形量。
【学位授予单位】:河南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:P225;TM75

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