機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在電力工程測繪中的應(yīng)用

王 珂

(武漢供電設(shè)計(jì)院有限公司,湖北 武漢 430000)

引言

在電力工程測繪項(xiàng)目中,各種智能化、高科技的測繪技術(shù)和儀器不斷地被開發(fā)和應(yīng)用到測繪過程,促進(jìn)了電力工程測繪的創(chuàng)新發(fā)展。其中,機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)以其數(shù)字化管理、精準(zhǔn)化測繪以及立體化顯示等優(yōu)點(diǎn),能夠更好地適用于電力工程測繪特別是電網(wǎng)系統(tǒng)工程的測繪項(xiàng)目,為電力工程的建設(shè)以及后續(xù)電網(wǎng)工程的長效運(yùn)營提供重要的數(shù)據(jù)支撐,從而保障電力企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)概述

1.1 基本概念

所謂激光雷達(dá)技術(shù),就是借助激光在接觸物體時會出現(xiàn)反射的特性,利用回波來對物體之間的距離、位置、方向等進(jìn)行測量,同時還可以辨別出需要定位的目標(biāo),而不至于對被測物體造成傷害或者妨礙。機(jī)載激光雷達(dá)集成了GPS 定位系統(tǒng)、IMU 高精度光纖以及激光掃描儀,是具有極高精準(zhǔn)度的探測和測距系統(tǒng)。在電力工程測繪中,機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)能夠?qū)Y(jié)構(gòu)復(fù)雜且有著較高安全性要求的電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行高精度探測和測距,并且借助其穿透力強(qiáng)的特征進(jìn)行目標(biāo)物體的探尋和定位,從而有效滿足電力工程測繪的各項(xiàng)需求。

1.2 運(yùn)行原理

從目前電力工程測繪項(xiàng)目的實(shí)際需求來看,機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)主要發(fā)揮探測和測距的作用,其運(yùn)行原理為波的反射。具體來說,就是通過使用測距激光設(shè)備,反復(fù)地發(fā)出連續(xù)的激光,當(dāng)激光接觸到目標(biāo)物體后將會反射回來,從而測出激光發(fā)射器與目標(biāo)物體之間的方向、位置、距離關(guān)系,或者探測發(fā)現(xiàn)所需要尋找的目標(biāo)物體。在機(jī)載雷達(dá)激光系統(tǒng)接收到回波后,通過將檢測到的光學(xué)信號進(jìn)行電學(xué)轉(zhuǎn)化,使其可以被計(jì)算機(jī)系統(tǒng)識別并進(jìn)行相應(yīng)的處理,最終生成關(guān)于電力工程測繪的各項(xiàng)數(shù)據(jù),儲存在測繪系統(tǒng)中進(jìn)行運(yùn)算使用,同時也可以為以后的日常管理與運(yùn)行提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)參考。

1.3 技術(shù)優(yōu)勢

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在電力工程測繪中的應(yīng)用優(yōu)勢,主要體現(xiàn)在獲取數(shù)據(jù)多、測繪精度高兩個方面。一方面,機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以在較短時間內(nèi)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采集,從而減少了不同時段數(shù)據(jù)的變動所帶來的處理偏差,從而更好地保證了數(shù)據(jù)處理的及時性和有效性。另一方面,外界的光、風(fēng)等自然因素以及人為操作因素對于機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的干擾極小甚至可以忽略不計(jì),因而測繪的精準(zhǔn)度非常高,更加適用于電力工程等有著較高安全性要求的項(xiàng)目。此外,激光信號通過與地面、目標(biāo)物體的接觸與反射,可以迅速獲取雷達(dá)系統(tǒng)與地面、目標(biāo)物體之間的位置關(guān)系等數(shù)據(jù),從而即時得到相關(guān)物體的坐標(biāo)情況,為后續(xù)的工程建設(shè)或者管理提供及時的參考。

2 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在電力工程測繪中的具體應(yīng)用

電力工程涉及到規(guī)劃、勘測、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、管理、維護(hù)等諸多方面,對于空間信息的需求非常強(qiáng)烈,而機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢正好契合了電力工程的客觀需要,并在線路設(shè)計(jì)規(guī)劃等多個方面發(fā)揮著具體的作用。具體見圖1,即機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在電力工程測繪中的應(yīng)用思路：

圖1 運(yùn)用思路

2.1 在電力線路優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用

在電力企業(yè)的電網(wǎng)建設(shè)工程中,電力線路的選擇不僅關(guān)系到工程建設(shè)的鋪設(shè)成本和耗材使用等經(jīng)濟(jì)效益,還涉及到線路周邊環(huán)境對工程施工以及線路維護(hù)等造成的影響,因而需要結(jié)合諸多因素進(jìn)行綜合考察,確定最優(yōu)化的電力選線方案,才能夠?qū)崿F(xiàn)電力供應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益的共贏。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在線路設(shè)計(jì)上的應(yīng)用,主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

第一,進(jìn)行線路規(guī)劃以及電網(wǎng)立桿點(diǎn)的選擇,通過激光技術(shù)進(jìn)行整個線路的距離測繪,并結(jié)合相關(guān)參數(shù)進(jìn)行細(xì)致地分析,從而對立桿點(diǎn)位和線路設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性進(jìn)行計(jì)算和分析。通過立體場景的模擬,還可以從不同的視角對線路的周邊環(huán)境進(jìn)行審查,盡可能地減少環(huán)境因素對線路規(guī)劃與使用帶來的不利影響。

第二,進(jìn)行線路沿線樹木砍伐的面積測算。在電力工程線路鋪設(shè)過程中,不可避免地需要砍伐沿線的樹木,而通過對面積進(jìn)行精準(zhǔn)測算,可以將工程施工對自然環(huán)境的影響降至最低。

第三,進(jìn)行沿線房屋拆遷的測繪和費(fèi)用測算。通過機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù),不僅可以探測出線路沿線需要拆遷的房屋數(shù)量,還能夠測繪出房屋內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、層數(shù)、占地面積等與拆遷費(fèi)用息息相關(guān)的情況,并通過三維影象進(jìn)行展示,再結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算,可以基本估算出電力工程所需要準(zhǔn)備的拆遷業(yè)務(wù)量和費(fèi)用,從而為后續(xù)的施工和拆遷工程奠定良好的基礎(chǔ)。

2.2 在電力系統(tǒng)線路巡檢方面的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的深入發(fā)展,電力的生活、生產(chǎn)需求越來越高,電網(wǎng)項(xiàng)目特別是高壓、長距離電力等配送的輸變電日益增加,能否實(shí)現(xiàn)線路建成后的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行,是當(dāng)前電力企業(yè)非常重視也十分重要的議題。因此,電力企業(yè)必須要加強(qiáng)對電網(wǎng)線路的實(shí)時測繪,從而掌握電網(wǎng)運(yùn)行的即時信息,以隨時進(jìn)行維護(hù)和故障排除,保障用戶的用電安全和穩(wěn)定。

然而,從電網(wǎng)線路管理與維護(hù)的現(xiàn)狀來看,天氣、環(huán)境以及人為因素,都有可能對電力工程測繪造成影響,導(dǎo)致測繪的工作效率、質(zhì)量難以達(dá)到既定的目標(biāo)。通過機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用,可以基本無視外界環(huán)境對測繪技術(shù)的影響,精準(zhǔn)高效地對電路系統(tǒng)進(jìn)行測繪,并且通過立體展示技術(shù)對輸電線路的三維空間進(jìn)行模擬演示,使電力企業(yè)相關(guān)部門和管理人員能夠更加直觀地觀測到電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)際情況,從而作出相應(yīng)的應(yīng)對決定和措施,保障線路的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。圖2 所示,通過對線路所處環(huán)境的地面危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行檢測,可以實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)運(yùn)行過程中全方位、高精度的安全檢測,當(dāng)激光數(shù)據(jù)點(diǎn)小于安全距離時,系統(tǒng)就會根據(jù)傳輸回的回波信息進(jìn)行自動匯總,并輸出相應(yīng)的圖表,從而為后續(xù)的野外現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)作業(yè)提供精確的坐標(biāo)和檢修建議,提高檢修的質(zhì)量、效率和安全。

圖2 作業(yè)模擬

2.3 在可視化管理方面的應(yīng)用

我國電力企業(yè)在線路系統(tǒng)識別和管理方面,長期以來一直使用基于二維坐標(biāo)的GIS 系統(tǒng),這種以二維為核心、采取幾何圖形方式表現(xiàn)出來的測繪圖并不能真實(shí)展現(xiàn)出線路、桿塔等設(shè)備或者電力設(shè)施周邊的具體情況,對于自然環(huán)境、地形地貌的描述比較抽象,對于管理、觀測、檢修人員的綜合素質(zhì)有著較高的要求,而且容易因圖層疊加而忽視個別細(xì)節(jié),從而導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)的安全隱患未能在第一時間被發(fā)現(xiàn)和解決。相比之下,機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)以其良好的穿透性和反射性,可以非常精準(zhǔn)地測繪出所有地形、地貌的具體情況,并且通過“回波信號——數(shù)據(jù)信息——模擬影像”的數(shù)據(jù)處理和三維可視化技術(shù),以立體模擬影像的方式完美、直觀地展現(xiàn)出線路、設(shè)備周邊的地理環(huán)境和其他情況,從而為電力企業(yè)的管理與決策提供更加清晰、精準(zhǔn)的信息參考。

其中,對于新建設(shè)的高壓線路、超高壓線路等,可以通過機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)地立體測繪,全方位地展現(xiàn)出線路走廊三維地形、地貌走廊地物空間信息等影像,并在線路優(yōu)化設(shè)計(jì)之后將線路布局、排桿方位等全部投射在影像當(dāng)中,還可以根據(jù)觀測人員的需要顯示桿線數(shù)據(jù)資料、天氣、風(fēng)速等其他相關(guān)元素,從而提供出更加直觀、簡潔、清楚地三維可視化內(nèi)容,為觀測、設(shè)計(jì)、施工、管理等相關(guān)人員決策使用。在此基礎(chǔ)上,還可以對上述可視化內(nèi)容進(jìn)行數(shù)字化儲存、導(dǎo)入、輸出,使其在系統(tǒng)中得到更加廣泛的推廣和應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、資料的全面共享,使測繪成果得到更加充分地利用。在線路巡檢過程中,也可以借助三維三視化技術(shù),將建設(shè)時的線路三維走廊進(jìn)行重現(xiàn),在巡檢以及增容前先對立體影像進(jìn)行觀察和分析,從而為后續(xù)的各項(xiàng)工作奠定良好的基礎(chǔ),減少巡檢、增容等環(huán)節(jié)的重復(fù)勞動和額外付出,在減少電網(wǎng)運(yùn)行管理成本的同時提高管理的質(zhì)量和效率。

2.4 在輸電線路配電增容方面的應(yīng)用

電力企業(yè)的輸電線路安裝工程,往往不能僅僅滿足于當(dāng)前管轄范圍內(nèi)用戶的用電需求,而要適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行擴(kuò)容,從而有效應(yīng)對未來用電客戶和用電量的增加。如果要滿足電力能源輸送的持續(xù)快速增長,最為直接同時效果也最為明顯的方案就是新增輸電線路。然而從當(dāng)前電力企業(yè)的運(yùn)行和技術(shù)上看,新增輸電線路不僅要額外增加大量的工程投入和資源耗損,更重要的是在線路選擇上將會愈發(fā)困難。

在機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的支持下,電力企業(yè)可以利用激光LIDAR 測量技術(shù)快速掃描并恢復(fù)線路走廊精確的地形、地物三維空間位置,并且能夠?qū)崟r記錄作業(yè)時的環(huán)境變量信息。在此基礎(chǔ)上,借助計(jì)算機(jī)模擬提高荷載后的弧垂,進(jìn)行弧垂對地距離安全檢測,從而為提高電線載流容量提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)依據(jù)。通過這種測繪,施工人員可以快速、精準(zhǔn)地計(jì)算出現(xiàn)有電網(wǎng)線路當(dāng)中哪些檔可以直接適應(yīng)新的載荷要求,并且能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行；而對于現(xiàn)有情況下不能適應(yīng)輸電增容的檔,可以在測繪之后進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算,采取移動電線桿、電塔位置、更換部分設(shè)備或者設(shè)施、清除部分樹木植被等方式,提高輸電線路的載荷容量,如圖3 所示,就是運(yùn)用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)下的線路增容模擬分析圖。

3 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在電力工程測繪中的發(fā)展建議和前景展望

圖3 線路增容模擬分析

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)有效結(jié)合了光電學(xué)原理以及信息化、數(shù)據(jù)化等現(xiàn)代智能技術(shù),在許多行業(yè)領(lǐng)域特別是探測與測繪方面發(fā)揮了巨大的作用,并且在技術(shù)上也愈發(fā)地成熟。在可預(yù)期的范圍內(nèi),機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)將進(jìn)一步加強(qiáng)自動化和智能化發(fā)展,依據(jù)激光測量所獲取的海量數(shù)據(jù)信息,并借助網(wǎng)絡(luò)信息傳遞功能,共同構(gòu)建測繪信息庫和數(shù)據(jù)庫,從而在滿足電力工程測繪的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享。當(dāng)然,要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),必須在加強(qiáng)行業(yè)內(nèi)的競爭與合作,探索研發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)激光測繪數(shù)據(jù)收集、傳輸、儲存、處理、查詢和共享一體化的系統(tǒng)和軟件,最大程度地發(fā)掘測繪數(shù)據(jù)資源的潛在價值,并且依托測繪數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)建設(shè),為電力工程的規(guī)?；ㄔO(shè)與運(yùn)行管理提供助力,促進(jìn)現(xiàn)代電力工程項(xiàng)目的穩(wěn)定創(chuàng)新發(fā)展。

4 結(jié)束語

綜上所述,機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在電力工程測繪中的應(yīng)用,是電力工程技術(shù)的一大進(jìn)步,也是電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化并逐步進(jìn)入智能化階段的重要保障,對于電力系統(tǒng)的運(yùn)行和管理發(fā)揮著巨大的作用。電力企業(yè)要在有效利用當(dāng)前技術(shù)的同時,不斷加強(qiáng)技術(shù)的更新和升級,探索電力測繪和系統(tǒng)運(yùn)行智能化發(fā)展,為電力工程測繪工作的高質(zhì)高效發(fā)展提供更多的技術(shù)支撐,為電力企業(yè)和我國電力行業(yè)的現(xiàn)代化建設(shè)作出更大的貢獻(xiàn)。