特高压输电通道激光-雷达三维可视化系统的建设与研究

李震宇

（国网山西省电力公司，山西太原 030001）

机载激光雷达三维成像技术能够精确、快速获取地面三维数据，已经得到广泛的认同。在国外，多应用于海洋管控、矿山勘测、林业监察、水利灌溉、土地环保以及城市建设等领域，发展了立体摄影测量技术，具有超强的任务载荷、续航能力，以及安全性。至今全球已经有超过30类不同型号的激光雷达扫描系统投放市场，形成了较成熟的商业系统。

近年来，我国也在专业低空遥感方面进行了积极的探索与研究。自主产权的机载激光雷达可以实时、动态、大量采集空间点云信息，实现了点云和影像数据同步采集，支持真彩色点云快速生成，逐渐在农业、环境、测绘等多个行业广泛应用。随着数据处理技术以及相应的行业应用平台的逐步完善成熟,机载激光雷达三维成像技术在电力行业尤其是特高压输电线路运维管理中的应用也将逐步普及。

1 特高压输电通道风险评估存在的问题

山西电网架空输电线路规模大,所处自然环境复杂恶劣,火灾、冰害、风害、地质灾害、污闪、异物、雷击、树线放电、鸟害等危险因素的核查工作量大，给特高压重要输电通道风险评估工作带来极大的困难。目前特高压输电通道风险评估工作主要存在以下技术问题。

a）数据收集难，缺乏足够翔实的通道走廊数据，无法有效支撑风险评估工作的顺利开展。

b）缺乏高效实用的走廊数据采集工具，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数据分析模型，无法精确判定危险因素。

d）缺乏智能化生成风险评估报告的技术手段，人工汇总计算公式复杂。

e）风险评估结果的利用不足，治理计划、治理效果的追踪靠人工完成，缺乏信息化手段的支撑。

2 系统建设目标

特高压输电通道激光-雷达三维可视化系统的总体目标是，通过快速搭建立体可视化输电通道，建立大数据业务模型，融合PMS 2.0、微气象、雷电定位、在线监测、直升机巡检、遥感等数据。从而智能识别危险点，结合风险评估体系，辅助运维检修人员进行评估，提高输电线路抗风险能力和安全防护水平，为山西电网智能运检体系落地提供切实支撑。

一是基于激光-雷达三维成像的特高压输电线路重要通道立体化管控技术研究。旨在等比例三维实景真实再现输电通道情况，便于运检人员从宏观上对输电通道运行环境了然于胸，从微观上翔实掌握输电通道的各种运行信息。拟解决的技术问题主要有激光点云与电力模型之间的匹配问题，以及地形、火源、污染源、树木等各种非关系型数据与输电通道的耦合。

二是基于大数据业务模型的危险点智能识别技术研究。旨在通过各种模型分析获取特高压输电通道潜在的危险因素，为通道风险评估查漏补缺，提供数据支撑。拟解决的技术问题主要有危险点模型的准确率与运行经验的匹配。

三是基于多信息融合的特高压输电通道风险智能评估技术研究。旨在辅助决策，提高风险评估报告的准确度与含金量，同时降低运维人员的工作难度和工作量。

3 相关技术介绍

3.1 激光雷达扫描技术

激光雷达扫描技术是激光技术与雷达技术相结合的产物，是一种集激光、北斗导航系统和惯性导航系统3种技术与一身的系统，用于获得数据并精确生产DEM。它的工作原理与无线电雷达比较类似，即由雷达发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射的运行时间而确定目标的距离。激光雷达扫描技术近几年无论从体积、测量速度、测量距离和精度上，都有了巨大的进步。尤其是无人机激光雷达系统，集无人机技术和机载激光雷达的双重优势，可在超低空安全作业，直接获得地表及地物真三维信息，可到人员无法进入的危险区域完成作业。项目中应用的激光雷达设备的安全等级为1级，测量范围为100 m，测距精度为±3 cm，垂直视野为-15°～+15°，水平视野为360°， 扫描频率为5～20 Hz，角分辨率（垂直）为2.0°，角分辨率（水平）为0.1°～0.4°， 最大有效测量速率为 300 000 pts/s。

3.2 高清数字影像技术

随着摄像设备的普及，使数字影像已经成为人们工作生活中不可或缺的重要部分。从手机自拍到天眼工程，再到医学成像、宇航拍摄、军事和国防、航空航天等，都离不开数字影像和视频解码技术。然而目前，国内外市场上的影像设备和技术都存在动态范围不足的技术缺陷，导致了图像不清。尤其是激光雷达往往装载在无人机、直升机等飞行器上，需要在高速运动中拍摄影像，带来了新的技术难题。在本项目中，为了提高数字影像的清晰度，主要方法为提高影像分辨率，即在标准数字模式下，自动辨别环境参数智能确定波长，提高扫描线数量，扩大垂直视野范围。

3.3 三维数字化技术

三维数字化是通过人工获取物品的外形数据，将获得的数据信息进行加工拼接，通过建模的方式加以整理，将各个孤立的单视角三维数字模型无缝集成，经过贴图、渲染处理以后，形成三维数据文件。这其中建模是非常重要的一步，尤其是在面对这种大规模需要模型的三维数据。三维数字模型与二维数字模型类似，但相比于二维数字模型，三维数据模型具有更多优势能更全面体现客观实际。它利用虚拟现实技术能更为直观地表达地形或物体的真实外观与形状，使二维GIS抽象的点线面符号直观化，结合生活常识就可以识别，加快了分析辨别的速度。二、三维一体化数字化共享技术，对用户来说，二维与三维界面不再是不同系统的不同窗口，而只是一个系统向用户提供的不同显示选择。用户可以选择是在二维环境下应用还是在三维环境下应用，二维和三维系统可以基于空间坐标同步显示相同或不同的数据。

4 结论与建议

特高压输电通道激光-雷达三维可视化系统由5部分构成，如图1所示。

a)基础架构。核心即是整合计算、存储与网络3种资源，而在配置时在扩展性、稳定性及冗余性达到一定要求。

b）数据架构。基于PMS 2.0和电网地理信息系统（GIS）平台，通过接入特高压输电线路在线监测系统，实现包括微气象、导线弧垂、杆塔倾斜、导线温度等在内的多种数据采集和分析，并能与无人机巡线的影像信息进行综合数据分析。

图1 特高压输电通道激光-雷达三维可视化系统结构示意图

c）应用架构。通过数据筛选、加工、处理、分析，构建统一的输电网SIM模型，实现三维输电GIS管控、智能危险点识别、一键生成风险评估报告等功能。

d）安全架构。系统安全不仅仅在于应用层面上的安全，还包含有网络防护和主机防护，多层加密数据传输，确保对发生故障的部分进行隔离，防止蔓延。

e）运维架构。建立数据驱动运维模式，包括服务管理、系统管理、服务监控以及用户和桌面管理。系统平台提供服务状态数据的采集、处理、分析处理能力，运维人员可自定义生成分析报表。

5 系统结构特点

a）标准化。遵从国网公司SG-EA架构管控要求，并遵照“一平台、一系统、多场景、微应用”信息化整体规划，对于新增功能采用“微服务、微应用”实现方式，发挥技术创新优势。

b）扩展性。系统采用页面插件（Webwidget）技术，实现完全模块化设计，每个功能模块均为一个独立的Widget，每个Widget均通过XML文件进行参数化配置，支持组件的动态加载。业务微调之后，通过设置对应的XML文件来调整系统，系统不需要作出大的变动。

c）可靠性。系统提供完善的日志记录功能和数据库自动备份功能。日志内容分为完整的数据库操作记录、用户登陆记录、关键业务操作记录、系统异常记录等，以此来保证系统在出现故障的时候管理员能够通过日志记录及时定位系统故障位置以及原因，为快速修正异常提供前提保证。系统同时也采用双机备份、服务器集群模式，保证了系统在高并发访问时候的稳定性，也可以防止单一服务器故障导致整个系统崩溃的情况。

6 结语

特高压输电通道激光-雷达三维可视化系统作为一种实用型的应用系统，存在改进和提升的极大空间，例如激光-雷达扫描精度的提升直接影响到风险评估的准确性，而目前我国尚未有一个合理的数学模型来描述。因此，随着科技的不断发展，对国土、环境、气象等测量数据进一步丰富，都将对系统的完善和改进起到积极的作用。