李震宇

（國網(wǎng)山西省電力公司，山西太原 030001）

機載激光雷達三維成像技術(shù)能夠精確、快速獲取地面三維數(shù)據(jù)，已經(jīng)得到廣泛的認同。在國外，多應(yīng)用于海洋管控、礦山勘測、林業(yè)監(jiān)察、水利灌溉、土地環(huán)保以及城市建設(shè)等領(lǐng)域，發(fā)展了立體攝影測量技術(shù)，具有超強的任務(wù)載荷、續(xù)航能力，以及安全性。至今全球已經(jīng)有超過30類不同型號的激光雷達掃描系統(tǒng)投放市場，形成了較成熟的商業(yè)系統(tǒng)。

近年來，我國也在專業(yè)低空遙感方面進行了積極的探索與研究。自主產(chǎn)權(quán)的機載激光雷達可以實時、動態(tài)、大量采集空間點云信息，實現(xiàn)了點云和影像數(shù)據(jù)同步采集，支持真彩色點云快速生成，逐漸在農(nóng)業(yè)、環(huán)境、測繪等多個行業(yè)廣泛應(yīng)用。隨著數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及相應(yīng)的行業(yè)應(yīng)用平臺的逐步完善成熟,機載激光雷達三維成像技術(shù)在電力行業(yè)尤其是特高壓輸電線路運維管理中的應(yīng)用也將逐步普及。

1 特高壓輸電通道風(fēng)險評估存在的問題

山西電網(wǎng)架空輸電線路規(guī)模大,所處自然環(huán)境復(fù)雜惡劣,火災(zāi)、冰害、風(fēng)害、地質(zhì)災(zāi)害、污閃、異物、雷擊、樹線放電、鳥害等危險因素的核查工作量大，給特高壓重要輸電通道風(fēng)險評估工作帶來極大的困難。目前特高壓輸電通道風(fēng)險評估工作主要存在以下技術(shù)問題。

a）數(shù)據(jù)收集難，缺乏足夠翔實的通道走廊數(shù)據(jù)，無法有效支撐風(fēng)險評估工作的順利開展。

b）缺乏高效實用的走廊數(shù)據(jù)采集工具，人工模式工作量繁重而且精度不高。

c）缺乏有山西地域特色的走廊數(shù)據(jù)分析模型，無法精確判定危險因素。

d）缺乏智能化生成風(fēng)險評估報告的技術(shù)手段，人工匯總計算公式復(fù)雜。

e）風(fēng)險評估結(jié)果的利用不足，治理計劃、治理效果的追蹤靠人工完成，缺乏信息化手段的支撐。

2 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

特高壓輸電通道激光-雷達三維可視化系統(tǒng)的總體目標(biāo)是，通過快速搭建立體可視化輸電通道，建立大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)模型，融合PMS 2.0、微氣象、雷電定位、在線監(jiān)測、直升機巡檢、遙感等數(shù)據(jù)。從而智能識別危險點，結(jié)合風(fēng)險評估體系，輔助運維檢修人員進行評估，提高輸電線路抗風(fēng)險能力和安全防護水平，為山西電網(wǎng)智能運檢體系落地提供切實支撐。

一是基于激光-雷達三維成像的特高壓輸電線路重要通道立體化管控技術(shù)研究。旨在等比例三維實景真實再現(xiàn)輸電通道情況，便于運檢人員從宏觀上對輸電通道運行環(huán)境了然于胸，從微觀上翔實掌握輸電通道的各種運行信息。擬解決的技術(shù)問題主要有激光點云與電力模型之間的匹配問題，以及地形、火源、污染源、樹木等各種非關(guān)系型數(shù)據(jù)與輸電通道的耦合。

二是基于大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)模型的危險點智能識別技術(shù)研究。旨在通過各種模型分析獲取特高壓輸電通道潛在的危險因素，為通道風(fēng)險評估查漏補缺，提供數(shù)據(jù)支撐。擬解決的技術(shù)問題主要有危險點模型的準(zhǔn)確率與運行經(jīng)驗的匹配。

三是基于多信息融合的特高壓輸電通道風(fēng)險智能評估技術(shù)研究。旨在輔助決策，提高風(fēng)險評估報告的準(zhǔn)確度與含金量，同時降低運維人員的工作難度和工作量。

3 相關(guān)技術(shù)介紹

3.1 激光雷達掃描技術(shù)

激光雷達掃描技術(shù)是激光技術(shù)與雷達技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種集激光、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)3種技術(shù)與一身的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并精確生產(chǎn)DEM。它的工作原理與無線電雷達比較類似，即由雷達發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個信號，經(jīng)目標(biāo)反射后被接收系統(tǒng)收集，通過測量反射的運行時間而確定目標(biāo)的距離。激光雷達掃描技術(shù)近幾年無論從體積、測量速度、測量距離和精度上，都有了巨大的進步。尤其是無人機激光雷達系統(tǒng)，集無人機技術(shù)和機載激光雷達的雙重優(yōu)勢，可在超低空安全作業(yè)，直接獲得地表及地物真三維信息，可到人員無法進入的危險區(qū)域完成作業(yè)。項目中應(yīng)用的激光雷達設(shè)備的安全等級為1級，測量范圍為100 m，測距精度為±3 cm，垂直視野為-15°～+15°，水平視野為360°， 掃描頻率為5～20 Hz，角分辨率（垂直）為2.0°，角分辨率（水平）為0.1°～0.4°， 最大有效測量速率為 300 000 pts/s。

3.2 高清數(shù)字影像技術(shù)

隨著攝像設(shè)備的普及，使數(shù)字影像已經(jīng)成為人們工作生活中不可或缺的重要部分。從手機自拍到天眼工程，再到醫(yī)學(xué)成像、宇航拍攝、軍事和國防、航空航天等，都離不開數(shù)字影像和視頻解碼技術(shù)。然而目前，國內(nèi)外市場上的影像設(shè)備和技術(shù)都存在動態(tài)范圍不足的技術(shù)缺陷，導(dǎo)致了圖像不清。尤其是激光雷達往往裝載在無人機、直升機等飛行器上，需要在高速運動中拍攝影像，帶來了新的技術(shù)難題。在本項目中，為了提高數(shù)字影像的清晰度，主要方法為提高影像分辨率，即在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字模式下，自動辨別環(huán)境參數(shù)智能確定波長，提高掃描線數(shù)量，擴大垂直視野范圍。

3.3 三維數(shù)字化技術(shù)

三維數(shù)字化是通過人工獲取物品的外形數(shù)據(jù)，將獲得的數(shù)據(jù)信息進行加工拼接，通過建模的方式加以整理，將各個孤立的單視角三維數(shù)字模型無縫集成，經(jīng)過貼圖、渲染處理以后，形成三維數(shù)據(jù)文件。這其中建模是非常重要的一步，尤其是在面對這種大規(guī)模需要模型的三維數(shù)據(jù)。三維數(shù)字模型與二維數(shù)字模型類似，但相比于二維數(shù)字模型，三維數(shù)據(jù)模型具有更多優(yōu)勢能更全面體現(xiàn)客觀實際。它利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能更為直觀地表達地形或物體的真實外觀與形狀，使二維GIS抽象的點線面符號直觀化，結(jié)合生活常識就可以識別，加快了分析辨別的速度。二、三維一體化數(shù)字化共享技術(shù)，對用戶來說，二維與三維界面不再是不同系統(tǒng)的不同窗口，而只是一個系統(tǒng)向用戶提供的不同顯示選擇。用戶可以選擇是在二維環(huán)境下應(yīng)用還是在三維環(huán)境下應(yīng)用，二維和三維系統(tǒng)可以基于空間坐標(biāo)同步顯示相同或不同的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論與建議

特高壓輸電通道激光-雷達三維可視化系統(tǒng)由5部分構(gòu)成，如圖1所示。

a)基礎(chǔ)架構(gòu)。核心即是整合計算、存儲與網(wǎng)絡(luò)3種資源，而在配置時在擴展性、穩(wěn)定性及冗余性達到一定要求。

b）數(shù)據(jù)架構(gòu)?；赑MS 2.0和電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺，通過接入特高壓輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)包括微氣象、導(dǎo)線弧垂、桿塔傾斜、導(dǎo)線溫度等在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)采集和分析，并能與無人機巡線的影像信息進行綜合數(shù)據(jù)分析。

圖1 特高壓輸電通道激光-雷達三維可視化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

c）應(yīng)用架構(gòu)。通過數(shù)據(jù)篩選、加工、處理、分析，構(gòu)建統(tǒng)一的輸電網(wǎng)SIM模型，實現(xiàn)三維輸電GIS管控、智能危險點識別、一鍵生成風(fēng)險評估報告等功能。

d）安全架構(gòu)。系統(tǒng)安全不僅僅在于應(yīng)用層面上的安全，還包含有網(wǎng)絡(luò)防護和主機防護，多層加密數(shù)據(jù)傳輸，確保對發(fā)生故障的部分進行隔離，防止蔓延。

e）運維架構(gòu)。建立數(shù)據(jù)驅(qū)動運維模式，包括服務(wù)管理、系統(tǒng)管理、服務(wù)監(jiān)控以及用戶和桌面管理。系統(tǒng)平臺提供服務(wù)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、處理、分析處理能力，運維人員可自定義生成分析報表。

5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點

a）標(biāo)準(zhǔn)化。遵從國網(wǎng)公司SG-EA架構(gòu)管控要求，并遵照“一平臺、一系統(tǒng)、多場景、微應(yīng)用”信息化整體規(guī)劃，對于新增功能采用“微服務(wù)、微應(yīng)用”實現(xiàn)方式，發(fā)揮技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)勢。

b）擴展性。系統(tǒng)采用頁面插件（Webwidget）技術(shù)，實現(xiàn)完全模塊化設(shè)計，每個功能模塊均為一個獨立的Widget，每個Widget均通過XML文件進行參數(shù)化配置，支持組件的動態(tài)加載。業(yè)務(wù)微調(diào)之后，通過設(shè)置對應(yīng)的XML文件來調(diào)整系統(tǒng)，系統(tǒng)不需要作出大的變動。

c）可靠性。系統(tǒng)提供完善的日志記錄功能和數(shù)據(jù)庫自動備份功能。日志內(nèi)容分為完整的數(shù)據(jù)庫操作記錄、用戶登陸記錄、關(guān)鍵業(yè)務(wù)操作記錄、系統(tǒng)異常記錄等，以此來保證系統(tǒng)在出現(xiàn)故障的時候管理員能夠通過日志記錄及時定位系統(tǒng)故障位置以及原因，為快速修正異常提供前提保證。系統(tǒng)同時也采用雙機備份、服務(wù)器集群模式，保證了系統(tǒng)在高并發(fā)訪問時候的穩(wěn)定性，也可以防止單一服務(wù)器故障導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰的情況。

6 結(jié)語

特高壓輸電通道激光-雷達三維可視化系統(tǒng)作為一種實用型的應(yīng)用系統(tǒng)，存在改進和提升的極大空間，例如激光-雷達掃描精度的提升直接影響到風(fēng)險評估的準(zhǔn)確性，而目前我國尚未有一個合理的數(shù)學(xué)模型來描述。因此，隨著科技的不斷發(fā)展，對國土、環(huán)境、氣象等測量數(shù)據(jù)進一步豐富，都將對系統(tǒng)的完善和改進起到積極的作用。