王 巍，王 彬，花春亮，刘鸿剑

(中国能源建设集团甘肃省电力设计院有限公司，甘肃 兰州 730050)

电力铁塔是高电压等级架空输电线路的基本设备之一。对电力铁塔进行倾斜测量以确保线路安全在电力线路的建设施工和运行、维护中有着重要意义。

电力铁塔有着其特殊性，塔高难登且塔型不统一，因此对电力铁塔进行倾斜测量应根据现场铁塔实际情况采用适宜的方法。目前，电力铁塔倾斜测量采用的方法主要有铅垂法、经纬仪法、平面镜法、单目视觉测量法、全站仪免棱镜测量法以及三维激光扫描技术等。本文主要对上述测量方法进行分析并加以对比。

1 测量方法分析

1.1 铅垂法

铅垂法适用范围广泛，是通过重力原理来进行测量。作业原理见图1，从塔顶横担中心悬挂铅锤，量取地面的点2和地面中心点1在水平投影上的距离S，通过查询或者实测得到铁塔全高H，计算得到该铁塔的倾斜率α=S/H。

由于铅垂法要靠人工挂锤拉尺完成测量，因此受环境影响及人为因素误差较大，精度较低。此外由于铁塔高度高,且有时需要带电作业，因此有人工作业风险。

图1 铅垂法测量原理图

1.2 经纬仪法

经纬仪法的原理是利用经纬仪在顺线路方向和垂直线路方向分别投出塔顶中心的投影线，二者交点即为塔顶中心的投影，通过该点和铁塔实际底部中心的较差来计算倾斜成果。

实际测量中，首先根据铁塔塔腿交会或塔位中心桩等定出铁塔底部实际中心点，然后将经纬仪架设在顺线路方向对准铁塔顶部中心，固定水平方向，通过垂直方向的移动配合棱镜来获取得到对应方向上的两点来定线，再将经纬仪架设到垂直线路方向，同理得到另外两点定线，二线的交点，即为塔顶中心投影(见图2)。

图2 经纬仪法测量原理图

由于经纬仪法要依靠人工棱镜来配合，同时仪器需要多次设站，因此受人为因素影响大，精度较低。同时该法需要在顺线路方向和垂直线路方向设站，因此对铁塔周边环境也有要求，易受地形所限。

1.3 平面镜法

平面镜法是在传统常规经纬仪法基础上出现的，通过添加平面镜辅助利用光学原理可以有效的解决经纬仪法在特殊地形下倾斜测量受限的问题。

平面镜法通过适当的设置平面镜，合理设计光路，以观测特定目标在平面镜中的成像代替观测目标本身，从而计算出铁塔倾斜率(见图3)。该法的关键在于通过调整平面镜的角度控制平面镜成像，利用经纬仪测量标记量取距离并计算，从而获得所需成果。

图3 平面镜法测量布置图

利用光学理论辅助测量原理可行，但由于平面镜设置较繁琐，亦需要大量人工调整，加之所测成果需通过二次计算，因此精度较低。但此法有效避开了地形限制，因此在特殊地形下有其可取之处。

1.4 单目视觉测量法

单目视觉测量法是在近些年计算机视觉研究基础上发展起来的。单目视觉测量法利用数码相机在现场特定的距离和角度拍摄数码像片，然后在内业进行图像处理和数据的计算，最终得到铁塔倾斜成果。

单目视觉测量法的关键在于精确的对像片进行校正。校正的内容主要包括变形校正和畸变校正。其中误差主要来源于变形校正，变形校正计算图见图4；畸变校正又包括视觉畸变校正和镜头畸变校正，其中视觉畸变是由于位置投影关系的不同在图像上发生的畸变，主要和照相的角度以及焦距有关，镜头畸变是指加工过程随机产生的。

图4 变形校正计算图

单目视觉测量法虽然外业工作量小，但是内业数据处理工作繁杂、计算量大，且关于镜头畸变和视觉畸变的计算部分理论上无法通过计算完全消除，因此精度较低，目前仅在需求快速响应、精度需求不高的地方适用。近些年来虽然陆续有人提出在塔型建筑测量中应用此方法，但并未引起较多的反响。

1.5 全站仪免棱镜测量法

全站仪免棱镜测量法的原理是利用免棱镜测量目标点时不需要瞄准棱镜或反射片就可以测出被测物体空间信息的特性，通过这些空间信息利用AutoCAD等制图工具绘图，计算得到所需倾斜测量成果。

通常采用此法时，根据实际地形可采用轴线设站、正交设站、任意设站等多种方法设站进行多测回闭合测量。获得的数据既可通过所测得三维坐标来展图成图，也可通过平距、水平角、高差等相对关系数据成果利用制图工具绘制水平投影图和垂直投影图，并计算倾斜成果，见图5。

全站仪免棱镜测量法的精度主要受仪器精度、环境影响以及人工观测精度等方面影响。因此可以通过选取高精度的全站仪，在良好天气下进行测量工作，测量时提高人工读数精度，多测回测量加强校核，来提高倾斜测量的精度。全站仪免棱镜测量法具有操作简便、数据处理简单、成果可靠、效率高等优点，在实际工作中仍然一定程度上受气象、环境限制。

图5 水平投影和垂直投影图

1.6 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术又称实景复制技术，通过高速激光扫描大面积、高分辨率的快速获取被测对象表面的三维坐标数据，通过快速、大量的采集空间点位信息来建立被测物体的三维影像模型。通过对恢复的铁塔模型进行分析可以得到需要的各种倾斜成果。

利用三维激光扫描技术对铁塔进行扫描时，需要分站架设获取铁塔的点云数据，通过拼接、去噪等步骤处理，在此基础上绘制铁塔的平面图、立面图、剖面图以及三维模型等成果(工作流程见图6)。其中控制测量部分通常考虑按1∶500地形图测量图根点的要求进行，影像扫描时应注意从不同方向和角度扫描，尽量不留死角，在数据处理阶段由于噪声点不可避免，因此需要准确剔除无关的点云数据。

三维激光扫描技术的数学精度主要受以下三方面的影响：(1)仪器本身精度，主要是扫描仪自身精度。(2)控制测量精度。(3)后期数据处理的误差。一般而言，三维激光扫描仪的仪器精度较高且不可控，主要通过提高控制测量的精度以及后期内业数据处理的精度来保证成果质量。三维激光扫描技术由于在数据获取阶段尽可能避免了人工干预，同时扫描仪精度很高，因此成果精度高。但是内业处理时间较长，设备成本相对较高，因此近年来在各地古建筑保护测量方面多见使用，而在铁塔倾斜测量方面使用较少。

图6 三维激光扫描技术作业流程

2 测量方法对比

3.1 所需硬件及工作环境影响对比

通过对比，可以发现铅垂法设备需求低，但登塔测量人员风险较大；经纬仪法、平面镜法、全站仪法设备需求不高，都受环境影响；单目视觉测量法设备需求低、受环境影响小；三维激光扫描技术设备需求高，受环境影响较大。

2.2 外业、内业工作量及人员需求对比

以10基330 kV铁塔工作量为例，见表2。

表2 不同测量方法工作量及人员需求对比

通过对比，可以发现铅垂法所需人力较多，单目视觉测量相对较少；从作业时间看，外业工作铅垂法时间最长，单目视觉测量法和三维激光扫描技术优势明显；内业工作，铅垂法工作量极小，经纬仪法、平面镜法、全站仪法处理数据工作量相对较少，不涉及过多的数据改正计算，单目视觉由于涉及较多的改正计算因此时间较长，而三维激光扫描技术内业所需处理数据多，耗费时间长。

2.3 精度及使用率对比

6种测量方法精度及使用率对比，见表3。

表3 不同测量方法精度及使用率对比

通过对比，可以发现精度上三维激光扫描技术最高，全站仪免棱镜测量法次之，而铅垂法、经纬仪法、平面镜法由于自身缺陷逐渐被淘汰。三维激光扫描技术虽然精度高，但由于成本、工作环境等原因，因此目前仅在个别领域使用较多，还需要进一步研究和发展。总的来说，当前在电力铁塔倾斜测量方面以全站仪免棱镜测量法使用较为广泛。

3 结语

本文通过对6种电力铁塔倾斜测量的方法进行分析，剖析了各方法的主要原理。并通过多方面的分析比较，对比了各方法的优劣，对电力铁塔倾斜测量的研究具有一定的借鉴意义。

综合来看，目前在电力铁塔倾斜测量上，比较成熟可靠，性价比高的主流倾斜测量方法是全站仪免棱镜测量法。但是从近年来电力成果三维可视化发展趋势的角度来看，三维激光扫描技术可以提供高精度的丰富三维立体成果，在精度精准性和成果丰富性上有较大的发展空间，值得进一步研究。