王新

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司）

基于激光掃描技術(shù)的智能電網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王新

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司）

通過采用三維激光掃描技術(shù)可以快捷完整地獲取輸電線路和變電站的高精度空間三維數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維智能電網(wǎng)建模研究，構(gòu)建三維仿真模型，從而提高了電網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率和科學(xué)性，實(shí)現(xiàn)全面、可視化、精準(zhǔn)測(cè)量成果，為智能電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)平臺(tái)的構(gòu)建提供了新方向。

機(jī)載激光雷達(dá)；三維激光掃描儀；線路設(shè)計(jì)；仿真模型；優(yōu)勢(shì)

1 引言

三維激光掃描系統(tǒng)是空間點(diǎn)陣掃描技術(shù)和激光無反射棱鏡長距離快速測(cè)距技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一項(xiàng)新測(cè)繪技術(shù)，它克服了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的局限性，采用非接觸主動(dòng)測(cè)量方式直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)。經(jīng)過一系列的后處理軟件操作，可以精確而完整地測(cè)量出輸電線路和變電站的設(shè)備數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的三維仿真模型，使得測(cè)繪技術(shù)人員突破傳統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法，進(jìn)行新的數(shù)據(jù)挖掘和開發(fā)研究，滿足了智能電網(wǎng)對(duì)可視化、仿真化、精細(xì)化等方面的需求。

三維激光掃描系統(tǒng)分為機(jī)載激光雷達(dá)和地面三維激光掃描儀，目前它在電網(wǎng)領(lǐng)域主要有兩個(gè)方面應(yīng)用：（1）基于機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的架空輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)；（2）基于三維激光掃描技術(shù)的變電站三維仿真模型建立。

2 基于機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的架空輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)組成

機(jī)載激光雷達(dá)是一種新型的主動(dòng)獲取地物三維空間坐標(biāo)的測(cè)量技術(shù)。激光雷達(dá)系統(tǒng)集合了激光測(cè)距技術(shù)、GPS動(dòng)態(tài)差分技術(shù)以及INS技術(shù)于一體，主要由激光測(cè)距系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)差分GPS、慣性測(cè)量裝置IMU以及高分辨率CCD相機(jī)4部分組成［1］。激光測(cè)距系統(tǒng)用于探測(cè)激光信號(hào)發(fā)射點(diǎn)到地表激光點(diǎn)之間的距離，動(dòng)態(tài)差分GPS用于確定激光發(fā)射點(diǎn)的空間位置，慣性測(cè)量裝置IMU用于測(cè)定激光掃描裝置的空間姿態(tài)信息，高分辨率CCD相機(jī)用于獲取掃描區(qū)域的真彩色影像數(shù)據(jù)。它的平面精度可以達(dá)到0.15～1m，高程精度可達(dá)到0.1m，采集間隔可達(dá)到2～12m。

2.2 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量原理

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的作業(yè)模式是通過重要組件的相互協(xié)同工作完成的，激光器發(fā)射離散的高重頻激光脈沖使其打在地面上，并接收地面反射回來的回波信號(hào)，同時(shí)記錄時(shí)間，由此可得到激光器與地面點(diǎn)的空間距離，再結(jié)合GPS及INS獲取的掃描儀的空中位置及姿態(tài)信息，即可準(zhǔn)確計(jì)算出每一個(gè)地面激光腳點(diǎn)的三維坐標(biāo)。測(cè)量原理如下：若空間有一向量，其模為R，方向?yàn)椋é?ω,K），如能測(cè)出起點(diǎn)的坐標(biāo)（XS，YS，ZS），則該向量的另一端點(diǎn)（X0，Y0，Z0）可以惟一確定，如公式（1）［2］所示：

其中，起點(diǎn)利用動(dòng)態(tài)差分GPS確定，向量R的模利用測(cè)距儀測(cè)量，姿態(tài)（φ,ω,K）利用IMU測(cè)定。

2.3 線路優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

在電力線路優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)用機(jī)載激光雷達(dá)沿可研路徑或初步設(shè)計(jì)路徑方案，獲取線路走廊范圍（2～3km）GPS及IMU數(shù)據(jù)、激光測(cè)距數(shù)據(jù)、原始數(shù)碼影像等。通過專業(yè)軟件數(shù)據(jù)處理，可以得到三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、數(shù)字地面模型DEM、數(shù)字表面模型DSM、數(shù)字正射影像圖DOM、數(shù)字線劃圖DLG、房屋分布圖、斷面圖等。將所需成果數(shù)據(jù)加載到三維線路優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件中，通過DEM和DOM的幾何疊加得到高清的三維真實(shí)場(chǎng)景圖，可以進(jìn)行放大、縮小、漫游以及任意角度的瀏覽，能夠進(jìn)行線路路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)，其優(yōu)勢(shì)及效益體現(xiàn)在以下方面。

1）激光雷達(dá)技術(shù)不受陰影和太陽高度角的影響，可以探測(cè)植被下面的真實(shí)地形，這是其他測(cè)量手段所無法達(dá)到的［3］。

2）激光雷達(dá)技術(shù)可以直接獲取電力線路走廊范圍的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在室內(nèi)即可完成線路交叉跨越測(cè)量工作，減少了測(cè)量人員外業(yè)測(cè)繪的時(shí)間；借助DEM、DOM等數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員可以實(shí)時(shí)獲取不同方向、不同寬度的斷面圖；通過實(shí)現(xiàn)直觀可視的三維實(shí)景瀏覽，在斷面提取以及桿塔排位工作中，可將環(huán)境、社會(huì)因素集成到該三維空間系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)電力線路工程與環(huán)境、生態(tài)、社會(huì)發(fā)展的有機(jī)結(jié)合，協(xié)調(diào)好各方面的因素；便于線路設(shè)計(jì)人員優(yōu)化線路路徑，縮短了線路長度，合理配置桿塔排位；同時(shí)也可以有效避讓居民區(qū)、林區(qū)、礦區(qū)等敏感地帶，并精確評(píng)估待拆遷房屋結(jié)構(gòu)及面積、樹木砍伐量等，為線路的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，降低工程的整體投資。

3）成果資料可為數(shù)字化線路提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也可為線路后續(xù)的施工改造及運(yùn)行維護(hù)提供快捷的服務(wù)。

3 基于三維激光掃描技術(shù)的變電站三維仿真模型建立

3.1 三維激光掃描系統(tǒng)的組成及原理

三維激光掃描系統(tǒng)由激光掃描儀、控制平臺(tái)、數(shù)據(jù)處理平臺(tái)及其他附件共同組成［4］。激光掃描儀本身主要包括激光測(cè)距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，并且還集成了CCD和儀器內(nèi)部控制和校正等系統(tǒng)。它將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃射被測(cè)區(qū)域帶，測(cè)距模塊量測(cè)每個(gè)激光脈沖的空間距離S，并且掃描控制模塊控制和量測(cè)每個(gè)脈沖激光的水平角α和天頂距θ，最后按空間極坐標(biāo)原理計(jì)算出掃描的激光點(diǎn)在被測(cè)物體上的三維坐標(biāo)［5］。計(jì)算公式如（2）所示：

3.2 變電站三維仿真模型的建立

隨著老舊變電站的負(fù)荷及全壽命周期的限制，越來越多的老舊變電站面臨擴(kuò)建改造的問題。然而變電站不可能因?yàn)閿U(kuò)建改造測(cè)量而停止運(yùn)行，所以采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法具有很大的危險(xiǎn)性及其地物不完整性。通過利用三維激光掃描儀獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)（包括點(diǎn)云模型、地形圖、三維參數(shù)化模型、剖面圖等），可以建立變電站三維仿真模型，在三維環(huán)境下布置電氣設(shè)備及導(dǎo)體、建（構(gòu)）筑物等，其三維直觀可視性將顯著提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，為變電站的擴(kuò)建改造提供準(zhǔn)確的資料。

目前，新建變電站只是單純的二維平面設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)初期無法給工程投資方一個(gè)總體形象和立體效果。變電站三維仿真模型系統(tǒng)基于DEM、DOM、三維數(shù)據(jù)模型及其他GIS數(shù)據(jù)信息，結(jié)合三維可視化技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，再現(xiàn)電力建設(shè)環(huán)境下的真實(shí)情況，把所有管理對(duì)象都置于一個(gè)真實(shí)的三維世界中，實(shí)現(xiàn)了通過網(wǎng)頁形式在普通PC機(jī)平臺(tái)上三維場(chǎng)景的實(shí)時(shí)漫游瀏覽。通過變電站三維仿真模型的建立，系統(tǒng)可以方便地在三維場(chǎng)景中直觀展示室內(nèi)、室外空間位置關(guān)系，環(huán)網(wǎng)柜、變壓器、斷路器、刀閘、母線等設(shè)備的組織關(guān)系，線路走向、微觀結(jié)構(gòu)，以及安全工器具、建筑物、道路、植物、消防設(shè)備等的三維模型，使管理者通過電腦就可以如臨現(xiàn)場(chǎng)一樣瀏覽整體廠區(qū)，掌握設(shè)備情況。實(shí)現(xiàn)了變電站資源、景觀、安全、環(huán)境管理等社會(huì)資源的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化及動(dòng)態(tài)可視化，從而支持變電站的各項(xiàng)運(yùn)營管理工作。

4 結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)可以獲取豐富的空間三維數(shù)據(jù)，在架空送電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)、變電站仿真模型的建立等方面具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，提高了智能電網(wǎng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和可靠性。相信在不久的將來，三維激光掃描系統(tǒng)必將成為測(cè)繪領(lǐng)域的主流技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場(chǎng)空間。

［1］景欽剛．機(jī)載三維激光掃描系統(tǒng)在線路工程中的應(yīng)用研究［J］．電力建設(shè)，2009(3)：35-37.

［2］李學(xué)友．IMU／DGPS輔助航空攝影測(cè)量綜述［J］．測(cè)繪科學(xué)，2005(5)：22-27.

［3］ 阮羚，周平，姚堯．困難復(fù)雜地區(qū)輸電防雷線塔數(shù)據(jù)機(jī)載LiDAR三維掃描獲?。跩］．測(cè)繪通報(bào)，2011，19（3）：37-39.

［4］江俊毅，常增亮,等．三維激光掃描系統(tǒng)在輸電線路舞動(dòng)治理工程中的應(yīng)用［J］．測(cè)繪通報(bào)，2010，9（2）：67-68.

Research on Intelligent Grid Optimization Design Based on Laser Scanning Technology

WANG Xin

(Liaoning Transportation Planning and Design Institute Co.,Ltd.)

You can quickly complete access to the transmission line and the substation high precision 3D data by using 3D laser scanning technology, 3D modeling of smart grid construction, 3D simulation model, so as to improve the efficiency and scientificity of power grid optimization design, to achieve a comprehensive, accurate measurement and visualization results, provides a new direction for the construction of 3D design platform smart grid.

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