输变电工程水土保持在线监测中三维激光技术的应用

雷 磊，王 良，赵颖博，王少军，刘子瑞，万 昊，侯泽权

(1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西 西安 710100；2.国网(西安)环保技术中心有限公司，陕西 西安 710100；3.国网陕西省电力有限公司，陕西 西安 710048；4.西安理工大学，陕西 西安 710032)

0 引言

随着国民经济的不断增长，我国的电能消费水平越来越高。但是，我国的能源空间分布不均衡的问题仍然十分突出。因此，大力发展特高压输变电工程，实现大面积、长距离、高效输送电能资源，成为至关重要的工作[1]。

需要注意的是，特高压输变电工程虽然基本解决了我国电力能源分配不均的问题，但是其在建设和运行的过程中不可避免地会对周边地貌，动植物等造成破坏，特别是其引起的水土流失问题，如果不及时采取一定的措施进行监测和防治，将会严重影响周边环境和人民的生活质量。为了响应“双碳”目标[2]，同时实现更加准确的水土保持监测，本文提出使用基于三维激光技术的输变电工程水土保持在线监测系统，实现高可靠性和高稳定性的水土流失量在线监测，建立置信度高的多环境因子水土流失及预警模型。

1 水土保持监测的作用

生态环境破坏就是人类破坏或者过度使用自然资源导致生态系统无法自动调节，造成了无法自愈的生态问题[3]。特高压输变电工程在建设以及运行的过程中会对周边生态环境造成较大的影响，包括大气和水资源的污染、地表植被的破坏等，其中最为严重的就是因植被破坏导致的水土流失问题，因此及时做好水土保持监测和防治，可以有效避免不必要的损失[4]。

2018年，中国水利部明确规定生产项目建设单位依法、依规进行的水土保持检测，是通过国家自主验收的必要条件之一[5]。据统计，生产建设项目已逐渐成为导致水土流失的主要原因之一，因此在特高压输变电工程中开展水土保持在线监测十分重要。做好特高压输变电工程中的水土保持监测工作，一方面是顺应国家发展战略要求，提升生态环境质量和稳定性，保障经济社会的可持续性发展；另一方面，高精度的水土保持监测工作，可以准确掌握监测地区的水土流失情况，便于因地制宜地制定出科学的水土流失防治措施[6]。

2 基于三维激光技术的输变电工程水土保持在线监测系统

2.1 技术路线

本文研究的基于三维激光技术的输变电工程水土保持在线监测系统通过激光雷达技术，实现区域内的多点激光扫描，形成三维空间点云，通过点云分析完整呈现区域内土壤情况，从而获得更准确的水土监测数据[7]。同时，将卫星无线通信、大数据分析等先进技术引入输变电工程水土保持监管工作中，提升系统测量精度及稳定性，保证信号传输的完整性与实时性，大力提升输变电工程环保水保管理工作水平。具体技术路线如图1所示。

图1 水土保持在线监测系统技术路线

2.2 硬件设备

为了实现上述功能，本文设计了相应的硬件架构(见图2)，主要包括太阳能模块、三维激光扫描模块、LED显示模块、高度集成的气象传感器模块、摄像头监控模块和卫星通信模块。

图2 硬件架构

2.2.1 太阳能模块

太阳能模块用以给整套设备提供电能，它由一个支架、一个太阳能电池板和一个蓄电池组组成。通过支架将太阳能板固定至杆架的合适位置，并调整至接收太阳光的合适角度，白天可以通过太阳能发电并存储至蓄电池组，由蓄电池组给其他模块进行供电，大大提高了整个装置的可持续性，同时也更加环保，顺应国家的“双碳”目标。

2.2.2 LED显示模块

LED显示模块可以十分显眼地将监测信息显示出来，比如PM2.5、风速、风向、温度、雨量、湿度等，方便相关人员实地检查或者现场记录时进行观察。同时，也可以将整个监测系统的名字展示在上面。在野外，工作人员可以很方便地定位监测设备的所在位置。

2.2.3 三维激光扫描模块

三维激光扫描模块有多个部分组成，如图3所示。三维激光扫描就是对每个三维空间像素点的激光测距，在单点激光测距的基础上，对每个测距点的方位信息同步进行测量，如方位角—俯仰角—距离、距离—速度—强度，并将数据以图像的形式显示，即可实现三维成像。而方位信息的获取可以通过单点扫描和面阵器件成像两种方式。

图3 三维激光扫描

本系统采用较为成熟的多面体扫描。通过电机驱动多面体转动，能够实现单圈旋转下，通过发掘多面体面型以及面数的自由度，实现单一激光器的空间扫描的复用，从而实现多个线数，降低系统成本。多面体的每个反射面的法线方向在旋转下以整体多面结构的中心轴为圆心旋转，因此带动入射到多面体的反射面的发射激光的反射角度的空间扫描，该技术具有大扫描视场和高扫描效率的特性。此外，该技术也可以较为方便地与多激光光束平行扫描结合，从而进一步提升扫描的线束，实现更高的点云密度。

基于激光三维扫描得到经过滤波后的点云数据后，并依据扫描系统在环境中的坐标以及方向，对点云数据进行相应的坐标转换后，导入后处理软件中进行编辑和处理，应用目标切割等处理方法对非地貌数据进行剔除后，生成如表面形貌和等高线等水土保持监测所需的数据，从而估算出土壤侵蚀量。

2.2.4 高度集成的气象传感器模块

整个监测装置在测量核心的水土流失数据之外，还需要收集并上传其他丰富的环境信息。本装置采用高度集成的气象传感器模块，将各型传感器进行集成，实现温度、湿度、PM2.5、PM10、风速、风向、雨量的测量，通过各类信息分析，即可实现该装置对气候、大气、光照、噪声、污染、土壤等多种类别的环境因子的监测。以上环境因子传感器的测量范围和测量精度如表1所示。

表1 多环境因子传感器的测量范围和测量精度

2.2.5 摄像头监控模块

由于监测装置多安装于野外，因此经常有动物闯入，影响水土监测的可靠性。为实时感知闯入者信息，利用动物或人体体温一般高于环境温度的特性，集成一套红外监测系统，对温度进行感知，通过温度扰动，实时发现闯入者，并实时控制红外摄像头云台，开启摄像头，对闯入者进行连续抓拍，并将抓拍数据本地存储或实时上传。联合气象数据、激光扫描数据，协同分析，使水土保持监测结果更准确有效。该模块的系统结构如图4所示。

图4 自动抓拍系统

2.2.6 卫星通信模块

卫星网络数据传输终端安装在水土保持监测传感器塔杆，传感器收集到的数据以及音视频通过卫星网络数据传输终端发送至通信卫星，然后由卫星地面主站接收后接入公网(或电力系统专网)，可实现多个水土保持监测传感器点位通过共同连接一颗通信卫星传送数据。后方水土保持监测数据平台可通过公网(或电力系统专网)访问查询各水土保持监测传感器点位音视频画面、数据，同时水土保持监测传感器通过卫星网络数据传输终端进行定时回传。

2.3 配套软件

2.3.1 在线监测系统

要实现水土保持的监测，不仅需要良好的硬件设备，也需要相应的软件系统。硬件设备在监测地区测量各类数据信息，通过卫星传输数据后，经过在线监测的软件进行自动处理，最后将结果反馈给工作人员。通过在线监测软件，可以实时看到各个监测地区的水土流失量和其他环境因子的测量数据。除此之外，软件会对这些数据进行可视化分析，方便工作人员对水土流失的把握。在线监测软件如图5所示。

图5 在线监测软件

2.3.2 移动端App

移动端app可以直接访问整个数据库，随时随地都可以查看各个水土流失监测情况，同时移动端app集成了摄像功能，可以随时控制现场监测装置的摄像头观看周围的环境。除此之外，如果遇到水土大量流失的情况，移动端app会发出预警，及时提醒工作人员进行查看，并采取相应的防治措施，避免不必要的损失。移动端的app界面如图6所示。

图6 移动端app

3 水土保持监测项目应用案例

本文所提系统应用于国网陕西电科院(环保中心)2020年水土保持监测服务项目陕北—湖北特高压工程水保监测项目中，进行了初步的测试和验证，以2021年1月份的数据为例(见图7)，分别监测并记录监测地区的PM2.5、风速、风向、湿度、温度、噪声和水土流失量。可以看出，该系统可以很好地记录各类环境因子的数据，并得到精确的水土流失量，能够满足特高压输变电工程中水土保持监测工作的要求。

图7 在线监测数据分析

4 结语

面对特高压输变电工程引起的水土流失问题，为了进行更高精度的水土保持监测工作，采用三维激光技术获得更精确的水土流失量数据，设计集成式传感器可以同时测量多种环境因子，最后搭配在线监测软件和移动端app实现远程监测、数据下载以及智能预警等功能。通过陕北-湖北±800 kV特高压直流工程进行验证。从某站点1月份的各类数据可以看出，本文所研究的系统可以很好地完成水土保持的监测工作，为特高压输变电工程的水土保持工作提供帮助。