输电塔架承载变形三维光学测量
随着高压输电网电压等级的不断升级，对输电塔架高度和承载能力的要求也在逐步提高。２００８年我国南方雪灾曾造成大批输电塔架在不断累积的冰雪负载下倒塌，给国民经济造成了重大损失。现实对新建输电塔架的设计和制造提出了更高的要求，因而准确获取其承载能力和屈服极限显得尤为重要。输电塔架是一种高次静定空间结构，被为是难以分析的一种杆系结构，一般由单角钢用螺栓偏心连接构成。由于单角钢为单轴对称截面的薄壁构件，加之输电塔架结构形式及构造的多样性，承受的荷载工况多而复杂，要对其受力性能进行分析比较困难。
英国电力研究所（ ＥＰＲＩ ）做了大量的输电塔架真型试验后得出结论 ：荷载工况复杂时计算结果和试验数据符合得不好。因此，在计算塔架的承载能力时，单纯使用数值模拟的方法难以获取准确的结果，需要直接测量真型试验中的负载变形，并观测塔架在不同负载情况下的变形场及承载极限。由于电力塔架具有尺寸大、变形大、测点多和三维变形等特点，传统的位移传感器和应变片等无法满足其三维变形测量的需要。单只传感器只能测单点的一维变形且量程有限，大量安装它们需要布置大量引线，采集分析繁琐，成本高且常常受到空间的限制，很难测量整体变形场。
本方案针对输电塔架承载变形真型试验测量需求，提出并实现了一种光学三维变形快速测量方法，并在某型塔架组件上进行了三维变形测量实验。系统基于近景摄影测量和计算机视觉技术，通过跟踪固定在塔架表面的众多变形标志点，计算标志点在负载下的位移，以获取塔架在不同负载下的整体变形场。其测量结果不仅为塔架力学性能分析提供了数据支持，检验数值模拟中模型和结果的可信性，也为设计塔架时提高承载能力和使用寿命提供了定量参考。
系统介绍
大尺寸三维光学变形测量系统设计
测量系统硬件构成
系统基于近景摄影测量和立体视觉技术，以数码相机拍摄到的测量对象多角度照片组作为原始数据。硬件由单反数码相机 ＣＡＮＯＮ４００Ｄ 、环形闪光灯、磁性环形编码标志点、十字方向尺、比例尺和非编码点（作为测量目标的普通圆形标志点）组成。单反数码相机 ＣＭＯＳ芯片尺寸为２３．６ｍｍ×１５．８ｍｍ ，像素大小为６．０９ μ ｍ×６．０９ μ ｍ ，分辨率为 ３ ８７２×２ ５９２ ；光学镜头采用尼康 ２０ｍｍ定焦镜头。
软件界面及处理流程
获取每个状态的原始数据输入测量软件中进行全自动测量。在测量软件中，先对拍摄的照片组进行图像处理，检测出本组图像中所有标志点的二维图像坐标，根据图像中的编码点完成定向，利用外极线几何关系实现非编码点的匹配 ，采用含相对控制的光束平差解法计算出所有标志点的三维空间坐标，后将各状态的坐标系对齐后计算两个状态之间的变形场。
关键技术
图像标志点检测与匹配
图像标志点检测出来后，各图像中非编码点极为相似，传统的立体视觉系统中常采用核线约束来进行匹配，但在标志点分布密集，某些核线附近的标志点不时，就会出现误区配。系统在摄站网型设计中采用了大交会角多次覆盖的方案，在匹配算法中采用了多核线立体匹配策略，实验中得到了９９％以上的匹配率。
空间标志点的三维坐标解算
图像标志点匹配后，利用两张图像的内、外参数以及对应的像点二维坐标，通过空间前方交会就可以重建得到空间点的三维坐标。采用自由网光束平差算法，并考虑数字相机成像系统可能存在的４种系统误差，包括对称径向畸变、偏心畸变（含切向畸变和非对称径向畸变）、像平面畸变和内方位元素误差，采用无控制点的整体解算算法，将所有标志点作为待测点解算其空间三维坐标，所以光束平差前不需要知道控制点的三维坐标，只需要一个已知的空间长度作为约束条件，对所有待解参数进行同步优求解。
试验案例
经过加强设计的某型塔架构件在不同负载下的变形进行测量实验。
输电塔架真型承载变形测量实验
２００８ 年南方雪灾中失效的输电塔架，主要承受的是堆积在塔架梁杆上冰雪的重力负载，为模拟垂直压力，将塔架水平放置于地面上，两端使用水压机加压，从侧面进行观测。
在塔架上及周围放置编码点、非编码点，并使其空间分布。其中非编码点粘贴于关键变形部位，作为测量的变形点。从空载开始，以 ３０ｔ 左右的间隔增加负载。空载时作为初始状态，采用ＸＪＴＵＳＤ 系统测量出待测标志点的空间三维坐标，此时的变形量为 ０ ；每次增加负载变形结束后为一个变形状态，采用 ＸＪＴＵＳＤ 系统再次测量被测点的三维坐标，与初始坐标相减得到此状态下被测标志点的三维位移。重复上述操作直至塔架失效。得到部分变形点在不同负载下的三维变形测量结果变化曲线 ，选取的 １０ 个点均为三维位移量较大的点。负载加至 ３４０ｔ 时，塔架屈服。
全部测点的整体变形情况可以在测量软件的３Ｄ 窗口中进行观察，图７中列出了各测量点在部分状态下的三维变形场。在测量软件中，也可以选择任意两个状态进行变形场计算及显示。从各点的变形矢量看，两端变形小，方向向外发散，中间受力位置变形大，方向向内集中，符合塔架的受力变形特性，与有限元模型模拟结果一致。
三维光学变形测量系统的精度评估实验
现有各种测量技术中难以找到能完成同样任务的测量手段对塔架进行同步测量（短时间内测量众多变形点），因此很难通过塔架实验来评估本文系统的精度。为了验证本系统中标志点空间重建的精度（变形测量精度的主要影响因素），参照ＶＤＩ － ２６３４ 光学设备三维精度测试标准及测试框架 ，并取框架上不同方向的７个空间长度作为标准长度，系统对这些空间长度进行１６次测量，结果如表１所示，得到系统三维测量结果与基准的偏差小于０．１ｍｍ ／ ４ｍ （ ＲＭＳ ， １σ ），完全能够满足塔架变形测量对精度的要求。
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