張學儀

（四川中水成勘院測繪工程有限責任公司，成都 610072）

隨著我國宣布“碳達峰”“和碳中”和目標，分布式光伏作為助力建筑節(jié)能的重要方式，可持續(xù)提供可再生能源和經(jīng)濟效益，與“碳達峰”“碳中和”目標高度契合。分布式光伏仍處在起步階段，但其在提升完善建筑功能，在綠色環(huán)保、可持續(xù)和可循環(huán)建設方式上展現(xiàn)出的巨大優(yōu)勢和潛力，對實現(xiàn)國家“碳達峰”與“碳中和”戰(zhàn)略目標具有重要意義。

分布式光伏發(fā)電特指采用光伏組件，將太陽能直接轉換為電能的分布式發(fā)電系統(tǒng)。其發(fā)電和能源綜合利用方式采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式，倡導就近發(fā)電，就近并網(wǎng)，就近轉換，就近使用的原則，同時還有效解決了電力在升壓及長途運輸中的損耗問題。利用光伏組件的光電轉換效應，把太陽光轉換成直流電，通過光伏逆變器把直流電轉換成普遍使用的交流電，通過控制設備供給就近的設備或電器使用，或者直接上傳國家電網(wǎng)。

目前，分布式光伏應用于部分有代表性的公共建筑、民用建筑、工商業(yè)建筑及未來社區(qū)等，開展光伏建筑一體化應用試點或建筑外立面光伏發(fā)電工程改造試點。在分布式光伏現(xiàn)場踏勘和測繪收集情況，選擇屋面條件比較好，項目廠址附近無高聳建筑物，同時未來3～5 年內(nèi)無高聳建筑物規(guī)劃，不會對光伏機組產(chǎn)生陰影遮擋，周邊交通便利。

屋頂分布式光伏發(fā)電項目（簡稱“分布式光伏項目”）在場址選擇后，可研階段需要屋頂?shù)钠矫鎴D、女兒墻等立面信盧和屋頂障礙物情況，本文主要以測繪地理信盧專業(yè)技術與分布式光伏項目結合，通過無人機傾斜攝影獲取原始數(shù)據(jù)，產(chǎn)生設計依據(jù)的建筑屋頂平面圖、正射影像和三維模型等基礎數(shù)據(jù)，解決基礎測繪數(shù)據(jù)獲取難的問題，杜絕了人工獲取屋頂信盧的安全隱患。以地理信盧平臺對分布式光伏進行運維管理，并利用無人機進行光伏巡檢和維護，研究了測繪地理信盧專業(yè)技術在分布式光伏項目中的應用。

1 無人機測繪

近年來迅速發(fā)展的無人機航測技術，具有機動靈活、作業(yè)高效迅速、可高頻監(jiān)測關鍵區(qū)域及成本低廉等特點，在小區(qū)域地形圖測繪領域具有明顯的優(yōu)勢。在分布式光伏項目人工無法安全測量的區(qū)域，無人機航測可對絕大多數(shù)不利環(huán)境進行測繪作業(yè)，全方位獲取測量區(qū)域地理信盧數(shù)據(jù)。目前的無人機航測設備均配備精度極高的高清影像設備，在測繪作業(yè)中能快速清晰地獲取測量區(qū)域的地理信盧數(shù)據(jù)，獲得的數(shù)字影像分辨率高，并且影像中包含了坐標信盧即地形測繪所需的重要信盧，為地形成圖提供高精度的原始資料。同時無人機航測具備高協(xié)調(diào)性，可同時結合衛(wèi)星遙感、航空測繪數(shù)據(jù)，及時與地面控制系統(tǒng)形成互動，及時修正有誤差的影像及數(shù)據(jù)，極大地保證地形測繪數(shù)據(jù)的精度和質量[1]。

分布式光伏項目采用無人機低空航飛采集模式，其飛行的POS 數(shù)據(jù)直接通過網(wǎng)絡RTK 來獲取，內(nèi)業(yè)定向成圖等均能得到CGCS2000（2000 國家大地坐標系）坐標。飛行方案規(guī)劃包括飛行系統(tǒng)的選擇和航線規(guī)劃方案設計，飛行方案的設計直接影響外業(yè)飛行效率和影像的質量，因此合理設計外業(yè)飛行方案至關重要。本次航飛采用大疆精靈Phantom 4，采用傾斜攝影的方式獲取高重疊度影像數(shù)據(jù)，飛行模式采用環(huán)繞飛行，利用自動實景三維建模和三維模型立體量測技術，實現(xiàn)免外業(yè)調(diào)繪的高精度大比例尺地形圖測繪。

1.1 飛行系統(tǒng)的選擇

飛行系統(tǒng)的選擇是根據(jù)航飛區(qū)域的范圍和特點來選擇，屋頂分布式光伏開發(fā)是將公共建筑物以棟為單位，測量面積較小，位置分布散亂且范圍較廣，因此輕小型旋翼無人機的飛行系統(tǒng)更有優(yōu)勢。

此系統(tǒng)具有以下特點：①環(huán)繞飛行具有免像控優(yōu)勢，省去刺點作業(yè)流程。②飛行系統(tǒng)硬件設備重量較小，便于攜帶；不受起降場地限制，靈活性高，模塊化結構設計，飛機組裝無需專門工具，可單人作業(yè)，攜帶方便。③飛行安全系數(shù)較高，更加適合屋頂分布式光伏攝影測量作業(yè)。④具有傾斜攝影模塊，傾斜航空攝影測量可全方位獲取建筑物紋理信盧，通過三維重建技術可精確還原建筑物現(xiàn)狀。傾斜攝影的高冗余度的影像重疊，可極大提高影像匹配精度，不同于傳統(tǒng)立體測圖的傾斜三維測圖，其所見即所得的采集方式可精確獲取建筑物角點信盧，不受房檐遮擋影響，非常適用于房屋屋頂信盧獲取。

1.2 航線設計

航線規(guī)劃主要飛行模式采用環(huán)繞飛行，50 m 相對航高，50 m 半徑環(huán)繞懸停拍攝，本項目飛行主要考慮飛行過程中的安全，保證與周圍高層建筑的安全距離，考慮平臺續(xù)航能力，合理布設飛行航線。

1.3 外業(yè)飛行

根據(jù)設計好的環(huán)繞飛行航線，進行無人機外業(yè)數(shù)據(jù)采集，因本次數(shù)據(jù)需要進行實景三維建模，需要保證屋頂和側面紋理的完整性，在環(huán)繞飛行時需要注意航線圈之間的重疊度，對于部分場址，如工廠，面積較大的區(qū)域，可以采用平行航線進行數(shù)據(jù)采集，確保數(shù)據(jù)沒有空洞和漏飛。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 實景三維

對采集的環(huán)繞數(shù)據(jù)進行預處理，利用專業(yè)傾斜影像處理軟件，經(jīng)過空三加密、三維建模等處理，得到項目范圍內(nèi)的實景三維模型[2]，其制作流程如圖1 所示。

圖1 實景三維模型數(shù)據(jù)制作技術路線

2.2 正射影像生產(chǎn)

在利用實景三維空三加密結果制作DOM（文檔對象模型），經(jīng)過影像鑲嵌與勻色處理，再引入DEM（數(shù)字高程模型）來對影像數(shù)據(jù)進行數(shù)字微分糾正，因本項目都在城區(qū)，需要對房區(qū)DEM 進行編輯，盡量消除因地形地面構筑物產(chǎn)生的投影誤差，最終生成分幅的DOM 成果。

2.3 數(shù)字線劃圖

模型數(shù)據(jù)采集，作者利用專業(yè)三維測圖軟件，在測量模塊里加載本地傾斜模型，進行建筑物數(shù)據(jù)采集，在進行裸眼立體采集房子時，軟件會自動生成輔助面，可以幫助作圖人員選取更加貼合墻面的位置，使精度更高。待所有需要采集的數(shù)據(jù)都采集完以后，可以將數(shù)據(jù)輸出相應的CAD 成果格式。外業(yè)應對屋頂邊長及其他物體的長度進行測量，與內(nèi)業(yè)所測平面圖數(shù)據(jù)進行校核。

3 光伏設計

3.1 GIS 陰影分析

在分布式光伏項目設計之前，首先了解場址區(qū)域太陽能資源情況，并根據(jù)無人機測繪的實景三維模型，在GIS 專業(yè)軟件中分析和模擬不同太陽高度角場址的陰影情況。分析場址周邊的高層建筑，并根據(jù)高大植被對屋頂產(chǎn)生陰影的分析，排除場址區(qū)域中經(jīng)過GIS 陰影分析后效果不佳的建筑。

3.2 光照分析

在經(jīng)過大范圍的GIS 光照陰影分析后，需要對場址建筑具體屋面進行光照分析，本項目屋面主要的障礙物類型有女兒墻、樓梯間及通風設備等。

光伏陣列必須考慮周圍障礙物陰影遮擋問題，并通過計算確定陣列間的距離或光伏陣列與建筑物的距離，如圖2 所示。根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》要求的“光伏方陣各排、列的布置間距，無論是跟蹤式還是固定式均應保證全年9：00～15：00（當?shù)卣嫣枙r）時段內(nèi)四周均無陰影遮擋”，可由以下公式計算

圖2 光照分析程序模型

式中：L為陣列斜面長度；D1為正南方向兩排陣列之間距離；β 為陣列傾角；φ 為當?shù)鼐暥取?/p>

本工程地處北半球太陽回歸線外，太陽總是位于天頂南部，太陽光線照射到地面障礙物上后，將在障礙物北側地面上形成陰影。

3.3 組件排布設計

分布式光伏發(fā)電項目，場址位于低緯度地區(qū)，太陽能資源較好，固定傾角支架安裝方式可以降低建設成本與運維成本，提高屋頂利用率。通過GIS 光照分析的結果可知，本項目年水平面太陽總輻照量為資源豐富地區(qū)，全天陰影遮擋段比較少，而且遮擋范圍小。

本項目光伏組件安裝于學校屋面，除部分屋面為彩鋼瓦外，其他屋面類型均為混凝土屋面，光伏陣列主要采用5°傾角順屋面豎向2 排布置的方案，經(jīng)計算，屋面前后陣列間距為5.3 m，光伏陣列東西向間距考慮人行通道按1 m 進行設計，部分組件排布設計示意圖如圖3 所示。

圖3 組件排布設計示意圖

4 光伏信息平臺建設

4.1 建設思路

本項目以分布式光伏與地理信盧平臺相結合，以三維地理信盧平臺為承載，針對分布式光伏的特性建設光伏信盧化智慧管理平臺。系統(tǒng)由三維可視化圖、智慧化設計、光伏運營管理系統(tǒng)、智慧巡檢系統(tǒng)組成和后臺管理系統(tǒng)組成。

系統(tǒng)以無人機采集處理后的實景三維模型為數(shù)據(jù)底座，對應試點和模范工程場址進行精細化建模，并對光伏組件進行BIM 化建模，以新型地理實體為載體，融合了光伏行業(yè)信盧、互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等先進技術，為分布式光伏系統(tǒng)打造保障業(yè)務流程可控、運營管理全方位的智慧三維可視化地理信盧平臺。

4.2 平臺架構

平臺架構包括5 個層級，分別為支持層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、應用層和表現(xiàn)層。為保證平臺正常運行，還需要從管理、實施和技術等層面建立組織實施措施和保障。

1）支持層。支持層為整個系統(tǒng)平臺提供基礎支撐，保障平臺上功能正常運行。本項目支持層主要包含硬件環(huán)境、存儲資源、平臺安全資源、3D 可視化引擎、GIS 系統(tǒng)、分布式存儲、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和云計算等。

2）傳輸層。傳輸層主要是為整個平臺提供網(wǎng)絡資源，保障平臺信盧正常傳輸通信。傳輸層主要包括運營商3G/4G/5G 通信網(wǎng)絡、光纖網(wǎng)絡和工程專網(wǎng)等。

3）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層為整個系統(tǒng)平臺提供數(shù)據(jù)支撐，按照項目成果數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一標準，規(guī)范格式，主要包含測繪成果數(shù)據(jù)庫、光伏材料數(shù)據(jù)庫、光伏設計庫和發(fā)電信盧庫等。

4）應用層。應用層是具體業(yè)務應用系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)平臺、智能光伏信盧平臺和網(wǎng)格化聯(lián)動指揮中心。

5）表現(xiàn)層。表現(xiàn)層主要是為整個系統(tǒng)提供的應用產(chǎn)品，主要有中心大屏可視化系統(tǒng)、APP 和微信小程序，方便用戶使用和交互。

4.3 關鍵技術

4.3.1 時空數(shù)據(jù)庫技術

時空數(shù)據(jù)庫技術可以對分布式光伏項目全項目階段的地理信盧數(shù)據(jù)與光伏設計施工等數(shù)據(jù)進行立體化統(tǒng)一管理，統(tǒng)籌開展分布式光伏數(shù)據(jù)庫設計，統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫內(nèi)容、模型和接口等標準規(guī)范，形成一體化存儲管理。

本項目主要匯集分布式場址實景三維、遙感影像、地形數(shù)據(jù)、屋頂平面和正射影像等基礎地理信盧數(shù)據(jù)庫；分布式光伏項目設計數(shù)據(jù)、工程施工數(shù)據(jù)、光伏三維BIM 模型數(shù)據(jù)和光伏發(fā)電業(yè)務信盧等專題數(shù)據(jù)。具有大數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)類型復雜和結構復雜等特點，對空間數(shù)據(jù)庫處理分析能力、3D 可視化引擎渲染及海量數(shù)據(jù)庫存儲能力都要求高。對于大比例尺實景三維數(shù)據(jù)，平臺采用文件數(shù)據(jù)庫加密管理模式，預防數(shù)據(jù)泄密等風險。對于其他公開的遙感影像、地形數(shù)據(jù)等地理信盧采用分布式空間大數(shù)據(jù)存儲，基于并行計算處理模型，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的有效管理。

4.3.2 多源數(shù)據(jù)融合

平臺數(shù)據(jù)主要涉及分布式光伏項目從設計、施工到運營各個階段的測繪地理信盧數(shù)據(jù)和光伏發(fā)電等業(yè)務專題數(shù)據(jù)，包括正射影像、地形圖、屋頂平面圖、遙感影像、實景三維數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)信盧，本項目主要使用地理信盧平臺作為多源數(shù)據(jù)融合解決方案。

GIS 數(shù)據(jù)來源眾多，采集方式各異，所采用的坐標系也存在一定差異，借助地理信盧平臺強大的空間數(shù)據(jù)處理和轉換能力，集成項目多源數(shù)據(jù)，通過GIS 集成轉換為不同數(shù)據(jù)格式，通過“四參數(shù)”“七參數(shù)”使數(shù)據(jù)基礎統(tǒng)一。本項目設計所用的CAD 圖紙和CAD 光伏設計圖紙均為二維平面圖，而無人機實景三維模型屬于三維立體空間數(shù)據(jù)，通過多源數(shù)據(jù)融合技術，可以將CAD 與三維模型精確匹配，可以在系統(tǒng)中瀏覽二、三維數(shù)據(jù)一體化，方便對比，判斷周邊環(huán)境，便于光伏設計方案的討論和修改。

4.3.3 GIS+BIM 相關技術

BIM 已經(jīng)成為各種行業(yè)解決實際問題的重要工具，其用于提供建筑物精細化模型。本項目融合BIM 和GIS技術，以三維地理新信盧系統(tǒng)作為基礎平臺，結合高分辨率影像地形、無人機實景三維模型及光伏板BIM 模型，可以綜合反映光伏項目的完整信盧，將微觀設計數(shù)據(jù)與宏觀地理環(huán)境聯(lián)系起來，為光伏信盧化提供支持。

本項目基于Cesium 搭建地理信盧平臺，通過Cesium通過光伏場景管理、三維展示、空間分析和日照陰影分析等，實現(xiàn)GIS 與BIM 數(shù)據(jù)的融合，從而進一步促進分布式光伏項目的信盧化、數(shù)字化和可視化，助力光伏項目全生命周期管理。

4.3.4 無人機巡檢

分布式光伏項目在進入運營階段后，熱斑是影響光伏板均衡輸出電量的主要成因，進而降低光伏發(fā)電效率，導致輸出減少。另外，各類物體、雜質和灰塵等會對少數(shù)發(fā)電組件產(chǎn)生遮擋，也會造成發(fā)電機組承受強度不同的陽光照射，會縮短光伏組件壽命，導致光伏發(fā)電成本增加。若未能對這類故障進行及時檢查和排除，甚至會有局部高溫、燒毀和炸裂的風險。如何篩選故障的點位和具體故障光伏板是運營階段的難點，因分布式光伏的特性，人工巡檢難度大，效率低。借助無人機巡檢，搭載紅外相機，規(guī)劃飛行作業(yè)航線，設定巡檢任務，能夠提升巡檢頻率，快速識別熱斑，精準定位光伏故障位置，能夠便于維修和檢查。

5 結束語

分布式光伏項目數(shù)字化管理系統(tǒng)利用無人機技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、時空大數(shù)據(jù)技術和GIS+BIM 等信盧化技術，將分布式光伏項目建設各個環(huán)節(jié)的成果資料進行統(tǒng)一的管理，實現(xiàn)三維GIS 平臺可視化，并匯集各類成果和信盧進行綜合分析，輔助光伏項目業(yè)務。本項目從光伏基礎場址信盧采集、數(shù)據(jù)成果管理、光伏設計和運營維護的全局各個角度研究了測繪地理信盧相關專業(yè)技術的應用，為無人機及地理信盧平臺服務于分布式光伏項目建設提供了實踐參考意義。