雷 磊，王 良，趙穎博，王少軍，劉子瑞，萬 昊，侯澤權(quán)

(1.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710100；2.國網(wǎng)(西安)環(huán)保技術(shù)中心有限公司，陜西 西安 710100；3.國網(wǎng)陜西省電力有限公司，陜西 西安 710048；4.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710032)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷增長，我國的電能消費(fèi)水平越來越高。但是，我國的能源空間分布不均衡的問題仍然十分突出。因此，大力發(fā)展特高壓輸變電工程，實(shí)現(xiàn)大面積、長距離、高效輸送電能資源，成為至關(guān)重要的工作[1]。

需要注意的是，特高壓輸變電工程雖然基本解決了我國電力能源分配不均的問題，但是其在建設(shè)和運(yùn)行的過程中不可避免地會對周邊地貌，動植物等造成破壞，特別是其引起的水土流失問題，如果不及時采取一定的措施進(jìn)行監(jiān)測和防治，將會嚴(yán)重影響周邊環(huán)境和人民的生活質(zhì)量。為了響應(yīng)“雙碳”目標(biāo)[2]，同時實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的水土保持監(jiān)測，本文提出使用基于三維激光技術(shù)的輸變電工程水土保持在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高可靠性和高穩(wěn)定性的水土流失量在線監(jiān)測，建立置信度高的多環(huán)境因子水土流失及預(yù)警模型。

1 水土保持監(jiān)測的作用

生態(tài)環(huán)境破壞就是人類破壞或者過度使用自然資源導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)無法自動調(diào)節(jié)，造成了無法自愈的生態(tài)問題[3]。特高壓輸變電工程在建設(shè)以及運(yùn)行的過程中會對周邊生態(tài)環(huán)境造成較大的影響，包括大氣和水資源的污染、地表植被的破壞等，其中最為嚴(yán)重的就是因植被破壞導(dǎo)致的水土流失問題，因此及時做好水土保持監(jiān)測和防治，可以有效避免不必要的損失[4]。

2018年，中國水利部明確規(guī)定生產(chǎn)項(xiàng)目建設(shè)單位依法、依規(guī)進(jìn)行的水土保持檢測，是通過國家自主驗(yàn)收的必要條件之一[5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目已逐漸成為導(dǎo)致水土流失的主要原因之一，因此在特高壓輸變電工程中開展水土保持在線監(jiān)測十分重要。做好特高壓輸變電工程中的水土保持監(jiān)測工作，一方面是順應(yīng)國家發(fā)展戰(zhàn)略要求，提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和穩(wěn)定性，保障經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)性發(fā)展；另一方面，高精度的水土保持監(jiān)測工作，可以準(zhǔn)確掌握監(jiān)測地區(qū)的水土流失情況，便于因地制宜地制定出科學(xué)的水土流失防治措施[6]。

2 基于三維激光技術(shù)的輸變電工程水土保持在線監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 技術(shù)路線

本文研究的基于三維激光技術(shù)的輸變電工程水土保持在線監(jiān)測系統(tǒng)通過激光雷達(dá)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的多點(diǎn)激光掃描，形成三維空間點(diǎn)云，通過點(diǎn)云分析完整呈現(xiàn)區(qū)域內(nèi)土壤情況，從而獲得更準(zhǔn)確的水土監(jiān)測數(shù)據(jù)[7]。同時，將衛(wèi)星無線通信、大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)引入輸變電工程水土保持監(jiān)管工作中，提升系統(tǒng)測量精度及穩(wěn)定性，保證信號傳輸?shù)耐暾耘c實(shí)時性，大力提升輸變電工程環(huán)保水保管理工作水平。具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 水土保持在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)路線

2.2 硬件設(shè)備

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件架構(gòu)(見圖2)，主要包括太陽能模塊、三維激光掃描模塊、LED顯示模塊、高度集成的氣象傳感器模塊、攝像頭監(jiān)控模塊和衛(wèi)星通信模塊。

圖2 硬件架構(gòu)

2.2.1 太陽能模塊

太陽能模塊用以給整套設(shè)備提供電能，它由一個支架、一個太陽能電池板和一個蓄電池組組成。通過支架將太陽能板固定至桿架的合適位置，并調(diào)整至接收太陽光的合適角度，白天可以通過太陽能發(fā)電并存儲至蓄電池組，由蓄電池組給其他模塊進(jìn)行供電，大大提高了整個裝置的可持續(xù)性，同時也更加環(huán)保，順應(yīng)國家的“雙碳”目標(biāo)。

2.2.2 LED顯示模塊

LED顯示模塊可以十分顯眼地將監(jiān)測信息顯示出來，比如PM2.5、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、雨量、濕度等，方便相關(guān)人員實(shí)地檢查或者現(xiàn)場記錄時進(jìn)行觀察。同時，也可以將整個監(jiān)測系統(tǒng)的名字展示在上面。在野外，工作人員可以很方便地定位監(jiān)測設(shè)備的所在位置。

2.2.3 三維激光掃描模塊

三維激光掃描模塊有多個部分組成，如圖3所示。三維激光掃描就是對每個三維空間像素點(diǎn)的激光測距，在單點(diǎn)激光測距的基礎(chǔ)上，對每個測距點(diǎn)的方位信息同步進(jìn)行測量，如方位角—俯仰角—距離、距離—速度—強(qiáng)度，并將數(shù)據(jù)以圖像的形式顯示，即可實(shí)現(xiàn)三維成像。而方位信息的獲取可以通過單點(diǎn)掃描和面陣器件成像兩種方式。

圖3 三維激光掃描

本系統(tǒng)采用較為成熟的多面體掃描。通過電機(jī)驅(qū)動多面體轉(zhuǎn)動，能夠?qū)崿F(xiàn)單圈旋轉(zhuǎn)下，通過發(fā)掘多面體面型以及面數(shù)的自由度，實(shí)現(xiàn)單一激光器的空間掃描的復(fù)用，從而實(shí)現(xiàn)多個線數(shù)，降低系統(tǒng)成本。多面體的每個反射面的法線方向在旋轉(zhuǎn)下以整體多面結(jié)構(gòu)的中心軸為圓心旋轉(zhuǎn)，因此帶動入射到多面體的反射面的發(fā)射激光的反射角度的空間掃描，該技術(shù)具有大掃描視場和高掃描效率的特性。此外，該技術(shù)也可以較為方便地與多激光光束平行掃描結(jié)合，從而進(jìn)一步提升掃描的線束，實(shí)現(xiàn)更高的點(diǎn)云密度。

基于激光三維掃描得到經(jīng)過濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，并依據(jù)掃描系統(tǒng)在環(huán)境中的坐標(biāo)以及方向，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，導(dǎo)入后處理軟件中進(jìn)行編輯和處理，應(yīng)用目標(biāo)切割等處理方法對非地貌數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除后，生成如表面形貌和等高線等水土保持監(jiān)測所需的數(shù)據(jù)，從而估算出土壤侵蝕量。

2.2.4 高度集成的氣象傳感器模塊

整個監(jiān)測裝置在測量核心的水土流失數(shù)據(jù)之外，還需要收集并上傳其他豐富的環(huán)境信息。本裝置采用高度集成的氣象傳感器模塊，將各型傳感器進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、PM2.5、PM10、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量的測量，通過各類信息分析，即可實(shí)現(xiàn)該裝置對氣候、大氣、光照、噪聲、污染、土壤等多種類別的環(huán)境因子的監(jiān)測。以上環(huán)境因子傳感器的測量范圍和測量精度如表1所示。

表1 多環(huán)境因子傳感器的測量范圍和測量精度

2.2.5 攝像頭監(jiān)控模塊

由于監(jiān)測裝置多安裝于野外，因此經(jīng)常有動物闖入，影響水土監(jiān)測的可靠性。為實(shí)時感知闖入者信息，利用動物或人體體溫一般高于環(huán)境溫度的特性，集成一套紅外監(jiān)測系統(tǒng)，對溫度進(jìn)行感知，通過溫度擾動，實(shí)時發(fā)現(xiàn)闖入者，并實(shí)時控制紅外攝像頭云臺，開啟攝像頭，對闖入者進(jìn)行連續(xù)抓拍，并將抓拍數(shù)據(jù)本地存儲或?qū)崟r上傳。聯(lián)合氣象數(shù)據(jù)、激光掃描數(shù)據(jù)，協(xié)同分析，使水土保持監(jiān)測結(jié)果更準(zhǔn)確有效。該模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 自動抓拍系統(tǒng)

2.2.6 衛(wèi)星通信模塊

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸終端安裝在水土保持監(jiān)測傳感器塔桿，傳感器收集到的數(shù)據(jù)以及音視頻通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸終端發(fā)送至通信衛(wèi)星，然后由衛(wèi)星地面主站接收后接入公網(wǎng)(或電力系統(tǒng)專網(wǎng))，可實(shí)現(xiàn)多個水土保持監(jiān)測傳感器點(diǎn)位通過共同連接一顆通信衛(wèi)星傳送數(shù)據(jù)。后方水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺可通過公網(wǎng)(或電力系統(tǒng)專網(wǎng))訪問查詢各水土保持監(jiān)測傳感器點(diǎn)位音視頻畫面、數(shù)據(jù)，同時水土保持監(jiān)測傳感器通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸終端進(jìn)行定時回傳。

2.3 配套軟件

2.3.1 在線監(jiān)測系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)水土保持的監(jiān)測，不僅需要良好的硬件設(shè)備，也需要相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。硬件設(shè)備在監(jiān)測地區(qū)測量各類數(shù)據(jù)信息，通過衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)后，經(jīng)過在線監(jiān)測的軟件進(jìn)行自動處理，最后將結(jié)果反饋給工作人員。通過在線監(jiān)測軟件，可以實(shí)時看到各個監(jiān)測地區(qū)的水土流失量和其他環(huán)境因子的測量數(shù)據(jù)。除此之外，軟件會對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析，方便工作人員對水土流失的把握。在線監(jiān)測軟件如圖5所示。

圖5 在線監(jiān)測軟件

2.3.2 移動端App

移動端app可以直接訪問整個數(shù)據(jù)庫，隨時隨地都可以查看各個水土流失監(jiān)測情況，同時移動端app集成了攝像功能，可以隨時控制現(xiàn)場監(jiān)測裝置的攝像頭觀看周圍的環(huán)境。除此之外，如果遇到水土大量流失的情況，移動端app會發(fā)出預(yù)警，及時提醒工作人員進(jìn)行查看，并采取相應(yīng)的防治措施，避免不必要的損失。移動端的app界面如圖6所示。

圖6 移動端app

3 水土保持監(jiān)測項(xiàng)目應(yīng)用案例

本文所提系統(tǒng)應(yīng)用于國網(wǎng)陜西電科院(環(huán)保中心)2020年水土保持監(jiān)測服務(wù)項(xiàng)目陜北—湖北特高壓工程水保監(jiān)測項(xiàng)目中，進(jìn)行了初步的測試和驗(yàn)證，以2021年1月份的數(shù)據(jù)為例(見圖7)，分別監(jiān)測并記錄監(jiān)測地區(qū)的PM2.5、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度、溫度、噪聲和水土流失量。可以看出，該系統(tǒng)可以很好地記錄各類環(huán)境因子的數(shù)據(jù)，并得到精確的水土流失量，能夠滿足特高壓輸變電工程中水土保持監(jiān)測工作的要求。

圖7 在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4 結(jié)語

面對特高壓輸變電工程引起的水土流失問題，為了進(jìn)行更高精度的水土保持監(jiān)測工作，采用三維激光技術(shù)獲得更精確的水土流失量數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)集成式傳感器可以同時測量多種環(huán)境因子，最后搭配在線監(jiān)測軟件和移動端app實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測、數(shù)據(jù)下載以及智能預(yù)警等功能。通過陜北-湖北±800 kV特高壓直流工程進(jìn)行驗(yàn)證。從某站點(diǎn)1月份的各類數(shù)據(jù)可以看出，本文所研究的系統(tǒng)可以很好地完成水土保持的監(jiān)測工作，為特高壓輸變電工程的水土保持工作提供幫助。