天寶Trimble Harrier 68i機載LiDAR系統在智能電網中的應用

天寶寰宇電子產品（上海）有限公司 鄭江榮

一、引 言

在當今經濟的發展趨勢下，傳統的電網管理模式已不能滿足電力行業的需求，而智能電網成為發展方向，這在世界范圍內已形成共識。但由于智能電網的研究與開發尚處于起步階段，各國國情及資源分布不同，以及發展的方向和側重點也不盡相同，國際上對其還沒有達成統一而明確的定義。根據目前技術發展和應用的角度看，學者普遍認同以下觀點:智能電網是將先進的遙感測量技術、信息通信技術、分析決策技術、自動控制技術和能源電力技術相結合，并與電網基礎設施高度集成而形成的新型現代化電網。

我國的智能電網是以堅強網架為基礎，以信息通信平臺為支撐，以智能控制為手段，包括電力系統的發電、輸電、變電、配電、用電和調度各個環節，覆蓋所有電壓等級，實現“電力流、信息流、業務流”的高度一體化融合，是堅強可靠、經濟高效、清潔環保、透明開放、友好互動的現代化電網。目前，包括國家電網、南方電網等都在進行電力技術改造，但由于最初的線路設計是由不同的設計院完成的，因此為后期的統一管理帶來了困難。同時，后期管理時沒有地形地貌的一手資料，需要人為到現場查看，也給管理工作帶來了很多困難和障礙。因此，為了保障電網安全，南方電網開展了電力技術改造項目。項目包含采用航測遙感技術采集高精度的地面三維地理信息、數據處理及三維信息矢量化，并最終將所有數據有機結合并放置在統一的GIS平臺下進行管理。

該項目的實施單位為廣州建通測繪技術開發有限公司。該公司創建于1996年，是以武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室為技術背景、專業從事測繪業務的高科技測繪公司。作為國內最大的LiDAR技術應用企業，廣州建通測繪技術開發有限公司擁有3套Trimble LiDAR設備，并持有國家甲級測繪資質證書。

二、項目背景

從電網建設的發展來看，輸電線路是電網的重要組成部分，而線路走廊內的地形地貌狀況及地物都會對線路的布設和安全運行產生重大影響，是輸電線路設計和管理最為關注的區域。而隨著我國經濟高速發展，超高壓、大功率、長距離輸電線路越建越多，線路走廊遠離城鎮和交通干線，穿過荒山野嶺，地理環境復雜，而且有些地區還存在人工不能到達的巡線盲區，這對巡檢維護和數據采集工作帶來很大的困難。由此可見，常規的電力巡檢方式，已不能滿足現代化智能電網的發展和安全運行需求，超高壓電網急需安全、先進、科學、高效的電力巡檢方式。

機載激光雷達（light detection and ranging，Li-DAR）測量技術的出現為輸電線路的高效巡檢提供了新的途徑，該系統是一種集激光測距技術、高精度全球定位系統技術和高動態慣性導航系統（inertial navigation system，INS）技術于一體的系統。結合建成的區域GPS連續跟蹤站，機載LiDAR系統可以直接采集線路走廊高精度激光點云和高分辨率航空影像，數據經處理后可以獲取高精度的輸電線路走廊的三維地形地貌及走廊中的地物空間信息，包括桿塔、掛線點位置、電線弧垂、樹木、建筑物等。目前，市場上的多種商業機載LiDAR系統應用于電力巡線時還存在諸多不足之處。

Trimble Harrier 68i是新一代的機載激光測量系統（如圖1所示），使用400 KHz脈沖頻率，能產生極高密度的點云，以及高質量、具有空間地理信息的正射影像。其中，Harrier（飛鷹）集成了廣角全波形數字化激光設備、中幅面框幅式數碼相機、空間定位定姿系統和飛行管理系統，使之成為廣域測繪、電力測繪、廊帶測繪、管道監控、航空攝影測量等其他苛刻遙感任務的理想解決方案。Harrier 68i的全波形數字化特性使得用戶可以從回波信號中提取更加全面的細節高程信息，而全數字化的原始數據可以幫助分析出同一位置中不同電力線的詳細位置。

圖1 Trimble Harrier 68i系統

三、技術應用

根據特殊的作業環境，廣州建通測繪技術開發有限公司在南方電網的電力技術改造項目使用了2套Trimble Harrier 68i，1套 Trimble Harrier 56和18套軟件。整個項目由于受天氣、飛機等主客觀條件的影響，時間總長為兩年，第1期的數據采集工作已于2011年9月完成。

Trimble機載LiDAR系統Trimble Harrier 68i是天寶公司收購TopoSys公司后自行研制的新一代航空測圖系統，很大程度上滿足了南方電網的電力技術改造項目在節能性、穩定性及可靠性方面的高需求。該設備的主要特點為:① 激光脈沖頻率高達400 KHz；② 掃描頻率高達200 Hz；③ 全波形數字化；④45°～60°掃描角度；⑤ 基于軟件控制的翻滾補償技術；⑥一體化飛行管理技術；⑦ 便攜式存儲系統；⑧內置框幅式數碼相機，帶有前移補償功能（FMC）；⑨影像分辨率可高達3 cm（使用中幅面相機）。其技術優勢包括:① 全流程數據處理軟件；②整合的一體化式系統；③高質量數據采集；④靈活的搭載方案；⑤飛行員單人操作方案。

南方電網超高壓輸電線路采集項目于2009年11月正式啟動，項目跨越廣東、廣西、云南、貴州四省，總長度達14 500 km，覆蓋了南方電網所有500 kV千伏以上交流、直流輸電線路，以及部分220 kV線路。

由于項目本身所采集的地物的特殊性，需要獲得大量的地面細節信息和高分辨率的影像信息，所以廣州建通采用了直升機為平臺進行數據采集，所有設備均一次性通過安裝調試。直升機跟固翼飛機相比起降更為靈活，并且可以保持長時間低空勻速飛行。所以這樣的飛行方式能夠盡量地減少飛行時間，提高項目的效率，并保證能夠采集能夠密度的激光點云。

在數據后處理中，廣州建通采用了Trimble公司的TopPit軟件對采集回來的三維點云按照需求進行不同類別的分類（如圖2所示），主要包含地面點、人工建筑物點、植被點、電力塔及線電力點。整個軟件在Linux平臺下運行，能夠提高計算的效率。同時，TopPit采用全自動點云分類算法，不需要大量的人工干預，也在很大程度上提高了工程效率。同時，采集回來的高分辨率影像可以幫助判別地物的屬性，并能夠給后期的三維模型付上真色彩。

圖2 點云自動分類

廣州建通還通過自身研發建立了快速進行電力塔三維建模。通過高密度的激光點云建立電力塔的精細模型。此類三維模型不僅在位置上保持高精度，同時電力塔的各種細節也被真實的還原出來，包含每條電線上的絕緣子位置和個數。

所有處理的地面模型，電力線和電力塔模型，均被放置在一同的三維GIS管理平臺下進行管理，用戶可以遠程登錄此系統查詢電網的各種詳細信息。包含電力塔詳細位置，狀態和周圍環境狀況，能夠對下一步的具體措施進行預判和制定詳細的計劃。

四、性能及效益

南方電網超高壓輸電線路采集項目完成后，為整個行業帶來了很大的觸動，實現了行業內的多個第一。首先，該項目是國內第一次采集這么長距離的線路，總長度達14 500 km，覆蓋了南方電網所有500 kV以上交流，直流輸電線路及部分220 kV線路；其次，第一次實現了整個線路系統的三維顯示，為線路系統的管理和維護帶來了很好的經濟效應，大大節省了時間、提升了管理的便捷性。

此外，該項目對于南方電網未來發展也起到了很大的促進作用。

1）管理方法的提升。通過該項目的完成，南方電網新的辦公系統大大提高了糾錯的能力，改變了以前地方斷電不能實時監控的缺陷，實現了不間斷的室內監控。

2）大大提升了監測的準確性。

3）通過長期以來的開發，幫助南方電力建立了電力線、鐵塔和電連線的三維模型，使其整個線路的影像有了具體形狀，形成真實的三維場景一樣，大大提升了管理的精確性和效率。