天寶Trimble Harrier 68i機(jī)載LiDAR系統(tǒng)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

天寶寰宇電子產(chǎn)品（上海）有限公司 鄭江榮

一、引 言

在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢下，傳統(tǒng)的電網(wǎng)管理模式已不能滿足電力行業(yè)的需求，而智能電網(wǎng)成為發(fā)展方向，這在世界范圍內(nèi)已形成共識。但由于智能電網(wǎng)的研究與開發(fā)尚處于起步階段，各國國情及資源分布不同，以及發(fā)展的方向和側(cè)重點(diǎn)也不盡相同，國際上對其還沒有達(dá)成統(tǒng)一而明確的定義。根據(jù)目前技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的角度看，學(xué)者普遍認(rèn)同以下觀點(diǎn):智能電網(wǎng)是將先進(jìn)的遙感測量技術(shù)、信息通信技術(shù)、分析決策技術(shù)、自動控制技術(shù)和能源電力技術(shù)相結(jié)合，并與電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施高度集成而形成的新型現(xiàn)代化電網(wǎng)。

我國的智能電網(wǎng)是以堅強(qiáng)網(wǎng)架為基礎(chǔ)，以信息通信平臺為支撐，以智能控制為手段，包括電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各個環(huán)節(jié)，覆蓋所有電壓等級，實現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合，是堅強(qiáng)可靠、經(jīng)濟(jì)高效、清潔環(huán)保、透明開放、友好互動的現(xiàn)代化電網(wǎng)。目前，包括國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)等都在進(jìn)行電力技術(shù)改造，但由于最初的線路設(shè)計是由不同的設(shè)計院完成的，因此為后期的統(tǒng)一管理帶來了困難。同時，后期管理時沒有地形地貌的一手資料，需要人為到現(xiàn)場查看，也給管理工作帶來了很多困難和障礙。因此，為了保障電網(wǎng)安全，南方電網(wǎng)開展了電力技術(shù)改造項目。項目包含采用航測遙感技術(shù)采集高精度的地面三維地理信息、數(shù)據(jù)處理及三維信息矢量化，并最終將所有數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合并放置在統(tǒng)一的GIS平臺下進(jìn)行管理。

該項目的實施單位為廣州建通測繪技術(shù)開發(fā)有限公司。該公司創(chuàng)建于1996年，是以武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實驗室為技術(shù)背景、專業(yè)從事測繪業(yè)務(wù)的高科技測繪公司。作為國內(nèi)最大的LiDAR技術(shù)應(yīng)用企業(yè)，廣州建通測繪技術(shù)開發(fā)有限公司擁有3套Trimble LiDAR設(shè)備，并持有國家甲級測繪資質(zhì)證書。

二、項目背景

從電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展來看，輸電線路是電網(wǎng)的重要組成部分，而線路走廊內(nèi)的地形地貌狀況及地物都會對線路的布設(shè)和安全運(yùn)行產(chǎn)生重大影響，是輸電線路設(shè)計和管理最為關(guān)注的區(qū)域。而隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，超高壓、大功率、長距離輸電線路越建越多，線路走廊遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)和交通干線，穿過荒山野嶺，地理環(huán)境復(fù)雜，而且有些地區(qū)還存在人工不能到達(dá)的巡線盲區(qū)，這對巡檢維護(hù)和數(shù)據(jù)采集工作帶來很大的困難。由此可見，常規(guī)的電力巡檢方式，已不能滿足現(xiàn)代化智能電網(wǎng)的發(fā)展和安全運(yùn)行需求，超高壓電網(wǎng)急需安全、先進(jìn)、科學(xué)、高效的電力巡檢方式。

機(jī)載激光雷達(dá)（light detection and ranging，Li-DAR）測量技術(shù)的出現(xiàn)為輸電線路的高效巡檢提供了新的途徑，該系統(tǒng)是一種集激光測距技術(shù)、高精度全球定位系統(tǒng)技術(shù)和高動態(tài)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（inertial navigation system，INS）技術(shù)于一體的系統(tǒng)。結(jié)合建成的區(qū)域GPS連續(xù)跟蹤站，機(jī)載LiDAR系統(tǒng)可以直接采集線路走廊高精度激光點(diǎn)云和高分辨率航空影像，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可以獲取高精度的輸電線路走廊的三維地形地貌及走廊中的地物空間信息，包括桿塔、掛線點(diǎn)位置、電線弧垂、樹木、建筑物等。目前，市場上的多種商業(yè)機(jī)載LiDAR系統(tǒng)應(yīng)用于電力巡線時還存在諸多不足之處。

Trimble Harrier 68i是新一代的機(jī)載激光測量系統(tǒng)（如圖1所示），使用400 KHz脈沖頻率，能產(chǎn)生極高密度的點(diǎn)云，以及高質(zhì)量、具有空間地理信息的正射影像。其中，Harrier（飛鷹）集成了廣角全波形數(shù)字化激光設(shè)備、中幅面框幅式數(shù)碼相機(jī)、空間定位定姿系統(tǒng)和飛行管理系統(tǒng)，使之成為廣域測繪、電力測繪、廊帶測繪、管道監(jiān)控、航空攝影測量等其他苛刻遙感任務(wù)的理想解決方案。Harrier 68i的全波形數(shù)字化特性使得用戶可以從回波信號中提取更加全面的細(xì)節(jié)高程信息，而全數(shù)字化的原始數(shù)據(jù)可以幫助分析出同一位置中不同電力線的詳細(xì)位置。

圖1 Trimble Harrier 68i系統(tǒng)

三、技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)特殊的作業(yè)環(huán)境，廣州建通測繪技術(shù)開發(fā)有限公司在南方電網(wǎng)的電力技術(shù)改造項目使用了2套Trimble Harrier 68i，1套 Trimble Harrier 56和18套軟件。整個項目由于受天氣、飛機(jī)等主客觀條件的影響，時間總長為兩年，第1期的數(shù)據(jù)采集工作已于2011年9月完成。

Trimble機(jī)載LiDAR系統(tǒng)Trimble Harrier 68i是天寶公司收購TopoSys公司后自行研制的新一代航空測圖系統(tǒng)，很大程度上滿足了南方電網(wǎng)的電力技術(shù)改造項目在節(jié)能性、穩(wěn)定性及可靠性方面的高需求。該設(shè)備的主要特點(diǎn)為:① 激光脈沖頻率高達(dá)400 KHz；② 掃描頻率高達(dá)200 Hz；③ 全波形數(shù)字化；④45°～60°掃描角度；⑤ 基于軟件控制的翻滾補(bǔ)償技術(shù)；⑥一體化飛行管理技術(shù)；⑦ 便攜式存儲系統(tǒng)；⑧內(nèi)置框幅式數(shù)碼相機(jī)，帶有前移補(bǔ)償功能（FMC）；⑨影像分辨率可高達(dá)3 cm（使用中幅面相機(jī)）。其技術(shù)優(yōu)勢包括:① 全流程數(shù)據(jù)處理軟件；②整合的一體化式系統(tǒng)；③高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集；④靈活的搭載方案；⑤飛行員單人操作方案。

南方電網(wǎng)超高壓輸電線路采集項目于2009年11月正式啟動，項目跨越廣東、廣西、云南、貴州四省，總長度達(dá)14 500 km，覆蓋了南方電網(wǎng)所有500 kV千伏以上交流、直流輸電線路，以及部分220 kV線路。

由于項目本身所采集的地物的特殊性，需要獲得大量的地面細(xì)節(jié)信息和高分辨率的影像信息，所以廣州建通采用了直升機(jī)為平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所有設(shè)備均一次性通過安裝調(diào)試。直升機(jī)跟固翼飛機(jī)相比起降更為靈活，并且可以保持長時間低空勻速飛行。所以這樣的飛行方式能夠盡量地減少飛行時間，提高項目的效率，并保證能夠采集能夠密度的激光點(diǎn)云。

在數(shù)據(jù)后處理中，廣州建通采用了Trimble公司的TopPit軟件對采集回來的三維點(diǎn)云按照需求進(jìn)行不同類別的分類（如圖2所示），主要包含地面點(diǎn)、人工建筑物點(diǎn)、植被點(diǎn)、電力塔及線電力點(diǎn)。整個軟件在Linux平臺下運(yùn)行，能夠提高計算的效率。同時，TopPit采用全自動點(diǎn)云分類算法，不需要大量的人工干預(yù)，也在很大程度上提高了工程效率。同時，采集回來的高分辨率影像可以幫助判別地物的屬性，并能夠給后期的三維模型付上真色彩。

圖2 點(diǎn)云自動分類

廣州建通還通過自身研發(fā)建立了快速進(jìn)行電力塔三維建模。通過高密度的激光點(diǎn)云建立電力塔的精細(xì)模型。此類三維模型不僅在位置上保持高精度，同時電力塔的各種細(xì)節(jié)也被真實的還原出來，包含每條電線上的絕緣子位置和個數(shù)。

所有處理的地面模型，電力線和電力塔模型，均被放置在一同的三維GIS管理平臺下進(jìn)行管理，用戶可以遠(yuǎn)程登錄此系統(tǒng)查詢電網(wǎng)的各種詳細(xì)信息。包含電力塔詳細(xì)位置，狀態(tài)和周圍環(huán)境狀況，能夠?qū)ο乱徊降木唧w措施進(jìn)行預(yù)判和制定詳細(xì)的計劃。

四、性能及效益

南方電網(wǎng)超高壓輸電線路采集項目完成后，為整個行業(yè)帶來了很大的觸動，實現(xiàn)了行業(yè)內(nèi)的多個第一。首先，該項目是國內(nèi)第一次采集這么長距離的線路，總長度達(dá)14 500 km，覆蓋了南方電網(wǎng)所有500 kV以上交流，直流輸電線路及部分220 kV線路；其次，第一次實現(xiàn)了整個線路系統(tǒng)的三維顯示，為線路系統(tǒng)的管理和維護(hù)帶來了很好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，大大節(jié)省了時間、提升了管理的便捷性。

此外，該項目對于南方電網(wǎng)未來發(fā)展也起到了很大的促進(jìn)作用。

1）管理方法的提升。通過該項目的完成，南方電網(wǎng)新的辦公系統(tǒng)大大提高了糾錯的能力，改變了以前地方斷電不能實時監(jiān)控的缺陷，實現(xiàn)了不間斷的室內(nèi)監(jiān)控。

2）大大提升了監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

3）通過長期以來的開發(fā)，幫助南方電力建立了電力線、鐵塔和電連線的三維模型，使其整個線路的影像有了具體形狀，形成真實的三維場景一樣，大大提升了管理的精確性和效率。