天宝Trimble Harrier 68i机载LiDAR系统在智能电网中的应用

天宝寰宇电子产品（上海）有限公司 郑江荣

一、引 言

在当今经济的发展趋势下，传统的电网管理模式已不能满足电力行业的需求，而智能电网成为发展方向，这在世界范围内已形成共识。但由于智能电网的研究与开发尚处于起步阶段，各国国情及资源分布不同，以及发展的方向和侧重点也不尽相同，国际上对其还没有达成统一而明确的定义。根据目前技术发展和应用的角度看，学者普遍认同以下观点:智能电网是将先进的遥感测量技术、信息通信技术、分析决策技术、自动控制技术和能源电力技术相结合，并与电网基础设施高度集成而形成的新型现代化电网。

我国的智能电网是以坚强网架为基础，以信息通信平台为支撑，以智能控制为手段，包括电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，是坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代化电网。目前，包括国家电网、南方电网等都在进行电力技术改造，但由于最初的线路设计是由不同的设计院完成的，因此为后期的统一管理带来了困难。同时，后期管理时没有地形地貌的一手资料，需要人为到现场查看，也给管理工作带来了很多困难和障碍。因此，为了保障电网安全，南方电网开展了电力技术改造项目。项目包含采用航测遥感技术采集高精度的地面三维地理信息、数据处理及三维信息矢量化，并最终将所有数据有机结合并放置在统一的GIS平台下进行管理。

该项目的实施单位为广州建通测绘技术开发有限公司。该公司创建于1996年，是以武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室为技术背景、专业从事测绘业务的高科技测绘公司。作为国内最大的LiDAR技术应用企业，广州建通测绘技术开发有限公司拥有3套Trimble LiDAR设备，并持有国家甲级测绘资质证书。

二、项目背景

从电网建设的发展来看，输电线路是电网的重要组成部分，而线路走廊内的地形地貌状况及地物都会对线路的布设和安全运行产生重大影响，是输电线路设计和管理最为关注的区域。而随着我国经济高速发展，超高压、大功率、长距离输电线路越建越多，线路走廊远离城镇和交通干线，穿过荒山野岭，地理环境复杂，而且有些地区还存在人工不能到达的巡线盲区，这对巡检维护和数据采集工作带来很大的困难。由此可见，常规的电力巡检方式，已不能满足现代化智能电网的发展和安全运行需求，超高压电网急需安全、先进、科学、高效的电力巡检方式。

机载激光雷达（light detection and ranging，Li-DAR）测量技术的出现为输电线路的高效巡检提供了新的途径，该系统是一种集激光测距技术、高精度全球定位系统技术和高动态惯性导航系统（inertial navigation system，INS）技术于一体的系统。结合建成的区域GPS连续跟踪站，机载LiDAR系统可以直接采集线路走廊高精度激光点云和高分辨率航空影像，数据经处理后可以获取高精度的输电线路走廊的三维地形地貌及走廊中的地物空间信息，包括杆塔、挂线点位置、电线弧垂、树木、建筑物等。目前，市场上的多种商业机载LiDAR系统应用于电力巡线时还存在诸多不足之处。

Trimble Harrier 68i是新一代的机载激光测量系统（如图1所示），使用400 KHz脉冲频率，能产生极高密度的点云，以及高质量、具有空间地理信息的正射影像。其中，Harrier（飞鹰）集成了广角全波形数字化激光设备、中幅面框幅式数码相机、空间定位定姿系统和飞行管理系统，使之成为广域测绘、电力测绘、廊带测绘、管道监控、航空摄影测量等其他苛刻遥感任务的理想解决方案。Harrier 68i的全波形数字化特性使得用户可以从回波信号中提取更加全面的细节高程信息，而全数字化的原始数据可以帮助分析出同一位置中不同电力线的详细位置。

图1 Trimble Harrier 68i系统

三、技术应用

根据特殊的作业环境，广州建通测绘技术开发有限公司在南方电网的电力技术改造项目使用了2套Trimble Harrier 68i，1套 Trimble Harrier 56和18套软件。整个项目由于受天气、飞机等主客观条件的影响，时间总长为两年，第1期的数据采集工作已于2011年9月完成。

Trimble机载LiDAR系统Trimble Harrier 68i是天宝公司收购TopoSys公司后自行研制的新一代航空测图系统，很大程度上满足了南方电网的电力技术改造项目在节能性、稳定性及可靠性方面的高需求。该设备的主要特点为:① 激光脉冲频率高达400 KHz；② 扫描频率高达200 Hz；③ 全波形数字化；④45°～60°扫描角度；⑤ 基于软件控制的翻滚补偿技术；⑥一体化飞行管理技术；⑦ 便携式存储系统；⑧内置框幅式数码相机，带有前移补偿功能（FMC）；⑨影像分辨率可高达3 cm（使用中幅面相机）。其技术优势包括:① 全流程数据处理软件；②整合的一体化式系统；③高质量数据采集；④灵活的搭载方案；⑤飞行员单人操作方案。

南方电网超高压输电线路采集项目于2009年11月正式启动，项目跨越广东、广西、云南、贵州四省，总长度达14 500 km，覆盖了南方电网所有500 kV千伏以上交流、直流输电线路，以及部分220 kV线路。

由于项目本身所采集的地物的特殊性，需要获得大量的地面细节信息和高分辨率的影像信息，所以广州建通采用了直升机为平台进行数据采集，所有设备均一次性通过安装调试。直升机跟固翼飞机相比起降更为灵活，并且可以保持长时间低空匀速飞行。所以这样的飞行方式能够尽量地减少飞行时间，提高项目的效率，并保证能够采集能够密度的激光点云。

在数据后处理中，广州建通采用了Trimble公司的TopPit软件对采集回来的三维点云按照需求进行不同类别的分类（如图2所示），主要包含地面点、人工建筑物点、植被点、电力塔及线电力点。整个软件在Linux平台下运行，能够提高计算的效率。同时，TopPit采用全自动点云分类算法，不需要大量的人工干预，也在很大程度上提高了工程效率。同时，采集回来的高分辨率影像可以帮助判别地物的属性，并能够给后期的三维模型付上真色彩。

图2 点云自动分类

广州建通还通过自身研发建立了快速进行电力塔三维建模。通过高密度的激光点云建立电力塔的精细模型。此类三维模型不仅在位置上保持高精度，同时电力塔的各种细节也被真实的还原出来，包含每条电线上的绝缘子位置和个数。

所有处理的地面模型，电力线和电力塔模型，均被放置在一同的三维GIS管理平台下进行管理，用户可以远程登录此系统查询电网的各种详细信息。包含电力塔详细位置，状态和周围环境状况，能够对下一步的具体措施进行预判和制定详细的计划。

四、性能及效益

南方电网超高压输电线路采集项目完成后，为整个行业带来了很大的触动，实现了行业内的多个第一。首先，该项目是国内第一次采集这么长距离的线路，总长度达14 500 km，覆盖了南方电网所有500 kV以上交流，直流输电线路及部分220 kV线路；其次，第一次实现了整个线路系统的三维显示，为线路系统的管理和维护带来了很好的经济效应，大大节省了时间、提升了管理的便捷性。

此外，该项目对于南方电网未来发展也起到了很大的促进作用。

1）管理方法的提升。通过该项目的完成，南方电网新的办公系统大大提高了纠错的能力，改变了以前地方断电不能实时监控的缺陷，实现了不间断的室内监控。

2）大大提升了监测的准确性。

3）通过长期以来的开发，帮助南方电力建立了电力线、铁塔和电连线的三维模型，使其整个线路的影像有了具体形状，形成真实的三维场景一样，大大提升了管理的精确性和效率。