基于WebGIS的高壓線輸電走廊地質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)研究及應(yīng)用

郝 飛，雷 鵬，張彥斌，李 想，苗 壯，陳 鵬，閆云峰，李中為，翟宇峰

內(nèi)蒙古電力（集團）有限責任公司 烏海超高壓供電局，內(nèi)蒙古 烏海 016000

0 引 言

我國電力系統(tǒng)建設(shè)進入到了智能電網(wǎng)時代[1-2]。在電網(wǎng)建設(shè)過程中，輸電線鐵塔塔基沉降觀測是電力安全生產(chǎn)的重要保障，也是電力線巡線的重要內(nèi)容之一[3]。在采空區(qū)、地下煤礦自燃區(qū)、地質(zhì)活動活躍區(qū)域以及由于降雨等因素對地表造成劇烈變化的地區(qū)（山洪導(dǎo)致塌方或泥石流），都對輸電鐵塔塔基的穩(wěn)定造成顯著的影響，嚴重的會導(dǎo)致塔體傾斜或倒塔事故[4]。

傳統(tǒng)輸電線路巡檢大多采取人工進行巡視的方式進行，耗費大量人力、物力，效率低下且容易忽視不易查覺的隱患點?；跓o人機進行線路巡查也存在續(xù)航時間短、信號丟失、受惡劣天氣影響等問題[5]。合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)（InSAR），能夠?qū)﹁F塔沿線區(qū)域進行高精度沉降監(jiān)測，并獲取高壓輸電鐵塔沿線區(qū)域地表形變隨時間的變化情況，為鐵塔沉降分析提供精確的量化依據(jù)，是一種成本低、效率高的監(jiān)測手段[6]。

地理信息系統(tǒng)有著強大的數(shù)據(jù)管理能力，通過空間分析，可將通過InSAR 技術(shù)獲取的形變監(jiān)測結(jié)果與輸電線通道數(shù)據(jù)進行融合展示、分析，為決策提供更好的支持，在電力系統(tǒng)防災(zāi)、減災(zāi)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。姚楠等人將多種形式的氣象數(shù)據(jù)加入到基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的氣象災(zāi)害監(jiān)測中，通過關(guān)聯(lián)分析建立了可靠的氣象災(zāi)害預(yù)警模型[7]；虢韜等人針對電力系統(tǒng)運維階段處理海量大數(shù)據(jù)的需求，利用GIS 平臺，基于常見的山火、覆冰等災(zāi)害信息，建立了防災(zāi)減災(zāi)分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了綜合分析，達到提前預(yù)警的目的[8]；黃緒勇等人以O(shè)penlayers 平臺和Oracle 數(shù)據(jù)庫為載體，將氣象數(shù)據(jù)、運維數(shù)據(jù)等多元數(shù)據(jù)集成分析，進行可視化展示，為災(zāi)害預(yù)警提供了支撐[9]。

針對傳統(tǒng)輸電線路人工巡檢方式耗時、費力，成本高和如何將電力巡線業(yè)務(wù)多源數(shù)據(jù)進行融合展示等問題，本文提出了一種基于WebGIS 高壓線走廊地質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用InSAR 技術(shù)對輸電線路沿線地質(zhì)進行沉降分析，通過WebGIS 實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、交換、服務(wù)、分析評估和可視化展示等功能。

1 技術(shù)介紹

1.1 InSAR技術(shù)

InSAR 技術(shù)是在合成孔徑雷達的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的空間對地觀測技術(shù)，通過同軌且處于不同位置的雷達對相同地區(qū)發(fā)射電磁波，接收回波信號獲取兩組影像，進行配準處理，生成干涉圖。干涉圖像元包含地面形變信息，經(jīng)過相位解纏、地理編碼等步驟獲得可靠的地表形變信息。

永久散射體干涉測量（PS-InSAR）技術(shù)是在傳統(tǒng)合成孔徑雷達干涉技術(shù)上發(fā)展起來的，可以有效削弱時間、空間、失相干、大氣延遲等誤差影響，能夠提取相干性強、穩(wěn)定的點位形變信息。該技術(shù)能夠有效地對目標區(qū)域進行監(jiān)測，相比傳統(tǒng)設(shè)站水準監(jiān)測方法，極大降低監(jiān)測成本，提高監(jiān)測效率[10]。

1.2 WebGIS技術(shù)

與傳統(tǒng)GIS 技術(shù)相比，網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)即WebGIS，除了具有傳統(tǒng)GIS 空間數(shù)據(jù)服務(wù)能力外，特點在于能夠通過網(wǎng)絡(luò)分享、操作地理空間數(shù)據(jù)，在線進行空間分析與檢索操作。WebGIS 具有良好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，可以在全球范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上傳或下載服務(wù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)，及時反饋更新，通過瀏覽器也能夠?qū)崿F(xiàn)多平臺登錄操作，因此WebGIS 在智能電力系統(tǒng)中發(fā)揮的作用極大。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)應(yīng)用平臺

1）WebGIS 平臺。采用基于GIS 組合與分布式集群的思想，以多節(jié)點橫向擴展的方式增強服務(wù)性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性，從而提高GIS 平臺的整體服務(wù)性能，同時減少單點故障。

將多個GIS 服務(wù)器節(jié)點有序組合起來，共同處理來自客戶端的高并發(fā)請求服務(wù)，這種組合模式稱為GIS 服務(wù)器集群。在客戶端訪問集群與訪問一臺服務(wù)器的模式和方法是相同的，GIS 集群可以充分利用多個集群節(jié)點的資源進行計算，從而大幅度提高計算速度和響應(yīng)速度，同時多個節(jié)點互為備份，使得單節(jié)點故障不至于導(dǎo)致整個服務(wù)的崩潰，保證服務(wù)能夠正常運行，為客戶端提供穩(wěn)定的服務(wù)支撐。

集群通過負載均衡分擔來自客戶端的高并發(fā)訪問壓力，負載均衡模塊將來自客戶端的請求，基于負載均衡算法，盡可能將請求按權(quán)重比例分配到集群的各個計算節(jié)點上進行處理，響應(yīng)處理結(jié)果，避免一臺服務(wù)器因為負荷太高而出現(xiàn)故障或?qū)е掠嬎憔徛?。集群部署GIS 服務(wù)器能夠提高請求地圖瓦片的響應(yīng)速度和WFS 數(shù)據(jù)的請求速度。

在GIS 集群中采用分布式文件存儲的方式，管理GIS 服務(wù)需要的文件資源。分布式文件系統(tǒng)（DFS，Distributed File System）是指文件系統(tǒng)管理的物理存儲資源，不一定直接連接在本地節(jié)點上，而是通過網(wǎng)絡(luò)與其他節(jié)點相互通信，或是由多個不同的邏輯磁盤分區(qū)或卷標組合在一起而形成的完整的有層次的文件系統(tǒng)。GlusterFS 是一個開源的分布式文件系統(tǒng)，橫向擴展能力非常強大，支持高達PBxxx\級的存儲容量和處理大量客戶端的文件資源請求（圖1）。

圖1 GIS 服務(wù)架構(gòu)Fig.1 GIS server framework

2）數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫PostgreSQL，是一個功能強大的開源的對象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（ORDBMS），可以滿足管理龐大的數(shù)據(jù)量，并且可以滿足對數(shù)據(jù)的添加、更新、刪除等頻繁操作；也可以通過多張表，來存儲一些具有關(guān)聯(lián)關(guān)系的數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)、關(guān)系、對數(shù)據(jù)的約束組成的數(shù)據(jù)模型來存儲和管理數(shù)據(jù)，存儲和分析空間數(shù)據(jù)。采用PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫可提供高效的空間信息存儲與分析能力，可為簡單的屬性信息附上地理維度的標簽，如地表形變監(jiān)測結(jié)果包括：監(jiān)測點編號、監(jiān)測點緯度坐標值、監(jiān)測點經(jīng)度坐標值、監(jiān)測點大地高程值、監(jiān)測點相對外部參考DEM 高程值、監(jiān)測點形變速率、監(jiān)測點累積形變速率、時間相干性、雷達多普勒坐標值Sample、雷達多普勒坐標值Line、時間序列形變量標準差值等。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于WebGIS 的高壓線輸電走廊地質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了空間地理信息和輸電線路模型的集合匯總，通過InSAR 監(jiān)測數(shù)據(jù)與輸電線路空間信息融合，可在系統(tǒng)平臺上進行分析應(yīng)用和監(jiān)測目標可視化展示。系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)進行開發(fā)，即瀏覽器與服務(wù)器架構(gòu)模式，系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計分為四大層次（圖2）。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.2 System framework

1）數(shù)據(jù)儲存層。針對數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計，分析存儲系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)，包括衛(wèi)星光學(xué)影像、衛(wèi)星雷達影像、數(shù)字高程模型、輸電線路矢量數(shù)據(jù)、輸電塔模型信息、InSAR 監(jiān)測數(shù)據(jù)、空間坐標信息等。

2）數(shù)據(jù)服務(wù)層。數(shù)據(jù)服務(wù)層主要功能是按照需求，將所需調(diào)用的數(shù)據(jù)進行類型封裝，實現(xiàn)數(shù)據(jù)增減、刪改等操作，主要包含系統(tǒng)業(yè)務(wù)服務(wù)、圖層分析服務(wù)、地質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)和模型管理服務(wù)。

3）分析應(yīng)用層。分析應(yīng)用層主要將不同應(yīng)用功能進行模塊劃分，對不同模塊進行數(shù)據(jù)調(diào)用和處理，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、監(jiān)測報告生成、監(jiān)測結(jié)果三維空間查看、輸電沿線飛行排查、輸電塔定位查詢、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)與最近監(jiān)測結(jié)果對比分析等。

4）綜合展示層。綜合展示層將數(shù)據(jù)服務(wù)層處理后的數(shù)據(jù)加載到用戶頁面，供用戶操作查看展示，主要為用戶展示監(jiān)測區(qū)域的二維矢量地圖、三維空間地形圖、輸電塔模型及輸電沿線監(jiān)測結(jié)果，可以查看區(qū)域內(nèi)的時間序列沉降值。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

高壓線輸電走廊地質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對大范圍、長距離高壓線路周邊地質(zhì)情況的監(jiān)測分析。結(jié)合多源數(shù)據(jù)建立一體化綜合展示平臺，將輸電線路信息、輸電塔模型信息、監(jiān)測結(jié)果在同一空間內(nèi)加載展示，對監(jiān)測區(qū)域進行全方位不同角度分析，實現(xiàn)輸電線路沿線地質(zhì)變化情況評估、提取可疑區(qū)域、預(yù)警等功能。

3.1 三維地理空間信息

1）三維地理空間信息以三維數(shù)字地球模型為基礎(chǔ)，加載衛(wèi)星遙感影像、矢量線路數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型，模擬出整個線路監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)的真實地表情況，可以進行底圖切換，查看沿線附近真實地表情況（圖3）。

圖3 監(jiān)測線路分布Fig.3 Distribution of monitored transmission lines

2）在三維模型空間內(nèi)可以查看高壓線輸電塔的三維模型以及輸電塔所在的經(jīng)緯度坐標，實現(xiàn)輸電沿線所有鐵塔地表沉降情況的虛擬巡線排查（圖4）。

圖4 三維空間輸電塔模型Fig.4 3D model of transmission tower

3.2 沉降監(jiān)測結(jié)果可視化

采用InSAR 技術(shù)獲取高分辨率雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)形變信息，監(jiān)測結(jié)果加載到三維空間內(nèi)可查看輸電沿線左右1 km 范圍內(nèi)的形變值，獲得輸電鐵塔周邊地表形變的時空特征規(guī)律（圖5）。

圖5 形變監(jiān)測結(jié)果Fig.5 Deformation results

基于PS-InSAR技術(shù)，獲取長時間序列的地表形變圖，在空間維度掌握形變區(qū)域，在時間維度了解變形的發(fā)展過程。在39.283072°N，106.86364°E 位置，塔號為59、60 的輸電鐵塔周邊存在較明顯的形變區(qū)域，垂直方向形變速率達-81.141 mm/年（圖6）。

圖6 烏吉II 線59 號塔和60 號塔周邊形變區(qū)Fig.6 The area with deformation around Tower No. 59 and No.60 of Wuji Line II

在系統(tǒng)中可通過點擊查看隱患區(qū)域內(nèi)的PS 點獲取點位時序沉降數(shù)據(jù)，在沉降信息詳情中可以查看該PS點的具體序號、經(jīng)緯度坐標和雷達影像監(jiān)測日期對應(yīng)的累計形變量值等信息，為觀測區(qū)域內(nèi)不同目標的形變分析提供客觀數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)連續(xù)形變特征分析（圖7）。

圖7 時間序列沉降值Fig.7 Subsidence value with time series

4 結(jié) 論

本文針對目前電力建設(shè)過程中高壓輸電線走廊監(jiān)測難度大、效率低下的問題，開發(fā)了一種基于WebGIS高壓線輸電走廊地質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)對輸電線路沿線地質(zhì)開展沉降分析，通過WebGIS 實現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)存儲、交換、服務(wù)、分析評估、可視化展示等，為輸電線路安全運行提供了有效支撐。