輸變電工程水土保持在線監測中三維激光技術的應用

雷 磊，王 良，趙穎博，王少軍，劉子瑞，萬 昊，侯澤權

(1.國網陜西省電力公司電力科學研究院，陜西 西安 710100；2.國網(西安)環保技術中心有限公司，陜西 西安 710100；3.國網陜西省電力有限公司，陜西 西安 710048；4.西安理工大學，陜西 西安 710032)

0 引言

隨著國民經濟的不斷增長，我國的電能消費水平越來越高。但是，我國的能源空間分布不均衡的問題仍然十分突出。因此，大力發展特高壓輸變電工程，實現大面積、長距離、高效輸送電能資源，成為至關重要的工作[1]。

需要注意的是，特高壓輸變電工程雖然基本解決了我國電力能源分配不均的問題，但是其在建設和運行的過程中不可避免地會對周邊地貌，動植物等造成破壞，特別是其引起的水土流失問題，如果不及時采取一定的措施進行監測和防治，將會嚴重影響周邊環境和人民的生活質量。為了響應“雙碳”目標[2]，同時實現更加準確的水土保持監測，本文提出使用基于三維激光技術的輸變電工程水土保持在線監測系統，實現高可靠性和高穩定性的水土流失量在線監測，建立置信度高的多環境因子水土流失及預警模型。

1 水土保持監測的作用

生態環境破壞就是人類破壞或者過度使用自然資源導致生態系統無法自動調節，造成了無法自愈的生態問題[3]。特高壓輸變電工程在建設以及運行的過程中會對周邊生態環境造成較大的影響，包括大氣和水資源的污染、地表植被的破壞等，其中最為嚴重的就是因植被破壞導致的水土流失問題，因此及時做好水土保持監測和防治，可以有效避免不必要的損失[4]。

2018年，中國水利部明確規定生產項目建設單位依法、依規進行的水土保持檢測，是通過國家自主驗收的必要條件之一[5]。據統計，生產建設項目已逐漸成為導致水土流失的主要原因之一，因此在特高壓輸變電工程中開展水土保持在線監測十分重要。做好特高壓輸變電工程中的水土保持監測工作，一方面是順應國家發展戰略要求，提升生態環境質量和穩定性，保障經濟社會的可持續性發展；另一方面，高精度的水土保持監測工作，可以準確掌握監測地區的水土流失情況，便于因地制宜地制定出科學的水土流失防治措施[6]。

2 基于三維激光技術的輸變電工程水土保持在線監測系統

2.1 技術路線

本文研究的基于三維激光技術的輸變電工程水土保持在線監測系統通過激光雷達技術，實現區域內的多點激光掃描，形成三維空間點云，通過點云分析完整呈現區域內土壤情況，從而獲得更準確的水土監測數據[7]。同時，將衛星無線通信、大數據分析等先進技術引入輸變電工程水土保持監管工作中，提升系統測量精度及穩定性，保證信號傳輸的完整性與實時性，大力提升輸變電工程環保水保管理工作水平。具體技術路線如圖1所示。

圖1 水土保持在線監測系統技術路線

2.2 硬件設備

為了實現上述功能，本文設計了相應的硬件架構(見圖2)，主要包括太陽能模塊、三維激光掃描模塊、LED顯示模塊、高度集成的氣象傳感器模塊、攝像頭監控模塊和衛星通信模塊。

圖2 硬件架構

2.2.1 太陽能模塊

太陽能模塊用以給整套設備提供電能，它由一個支架、一個太陽能電池板和一個蓄電池組組成。通過支架將太陽能板固定至桿架的合適位置，并調整至接收太陽光的合適角度，白天可以通過太陽能發電并存儲至蓄電池組，由蓄電池組給其他模塊進行供電，大大提高了整個裝置的可持續性，同時也更加環保，順應國家的“雙碳”目標。

2.2.2 LED顯示模塊

LED顯示模塊可以十分顯眼地將監測信息顯示出來，比如PM2.5、風速、風向、溫度、雨量、濕度等，方便相關人員實地檢查或者現場記錄時進行觀察。同時，也可以將整個監測系統的名字展示在上面。在野外，工作人員可以很方便地定位監測設備的所在位置。

2.2.3 三維激光掃描模塊

三維激光掃描模塊有多個部分組成，如圖3所示。三維激光掃描就是對每個三維空間像素點的激光測距，在單點激光測距的基礎上，對每個測距點的方位信息同步進行測量，如方位角—俯仰角—距離、距離—速度—強度，并將數據以圖像的形式顯示，即可實現三維成像。而方位信息的獲取可以通過單點掃描和面陣器件成像兩種方式。

圖3 三維激光掃描

本系統采用較為成熟的多面體掃描。通過電機驅動多面體轉動，能夠實現單圈旋轉下，通過發掘多面體面型以及面數的自由度，實現單一激光器的空間掃描的復用，從而實現多個線數，降低系統成本。多面體的每個反射面的法線方向在旋轉下以整體多面結構的中心軸為圓心旋轉，因此帶動入射到多面體的反射面的發射激光的反射角度的空間掃描，該技術具有大掃描視場和高掃描效率的特性。此外，該技術也可以較為方便地與多激光光束平行掃描結合，從而進一步提升掃描的線束，實現更高的點云密度。

基于激光三維掃描得到經過濾波后的點云數據后，并依據掃描系統在環境中的坐標以及方向，對點云數據進行相應的坐標轉換后，導入后處理軟件中進行編輯和處理，應用目標切割等處理方法對非地貌數據進行剔除后，生成如表面形貌和等高線等水土保持監測所需的數據，從而估算出土壤侵蝕量。

2.2.4 高度集成的氣象傳感器模塊

整個監測裝置在測量核心的水土流失數據之外，還需要收集并上傳其他豐富的環境信息。本裝置采用高度集成的氣象傳感器模塊，將各型傳感器進行集成，實現溫度、濕度、PM2.5、PM10、風速、風向、雨量的測量，通過各類信息分析，即可實現該裝置對氣候、大氣、光照、噪聲、污染、土壤等多種類別的環境因子的監測。以上環境因子傳感器的測量范圍和測量精度如表1所示。

表1 多環境因子傳感器的測量范圍和測量精度

2.2.5 攝像頭監控模塊

由于監測裝置多安裝于野外，因此經常有動物闖入，影響水土監測的可靠性。為實時感知闖入者信息，利用動物或人體體溫一般高于環境溫度的特性，集成一套紅外監測系統，對溫度進行感知，通過溫度擾動，實時發現闖入者，并實時控制紅外攝像頭云臺，開啟攝像頭，對闖入者進行連續抓拍，并將抓拍數據本地存儲或實時上傳。聯合氣象數據、激光掃描數據，協同分析，使水土保持監測結果更準確有效。該模塊的系統結構如圖4所示。

圖4 自動抓拍系統

2.2.6 衛星通信模塊

衛星網絡數據傳輸終端安裝在水土保持監測傳感器塔桿，傳感器收集到的數據以及音視頻通過衛星網絡數據傳輸終端發送至通信衛星，然后由衛星地面主站接收后接入公網(或電力系統專網)，可實現多個水土保持監測傳感器點位通過共同連接一顆通信衛星傳送數據。后方水土保持監測數據平臺可通過公網(或電力系統專網)訪問查詢各水土保持監測傳感器點位音視頻畫面、數據，同時水土保持監測傳感器通過衛星網絡數據傳輸終端進行定時回傳。

2.3 配套軟件

2.3.1 在線監測系統

要實現水土保持的監測，不僅需要良好的硬件設備，也需要相應的軟件系統。硬件設備在監測地區測量各類數據信息，通過衛星傳輸數據后，經過在線監測的軟件進行自動處理，最后將結果反饋給工作人員。通過在線監測軟件，可以實時看到各個監測地區的水土流失量和其他環境因子的測量數據。除此之外，軟件會對這些數據進行可視化分析，方便工作人員對水土流失的把握。在線監測軟件如圖5所示。

圖5 在線監測軟件

2.3.2 移動端App

移動端app可以直接訪問整個數據庫，隨時隨地都可以查看各個水土流失監測情況，同時移動端app集成了攝像功能，可以隨時控制現場監測裝置的攝像頭觀看周圍的環境。除此之外，如果遇到水土大量流失的情況，移動端app會發出預警，及時提醒工作人員進行查看，并采取相應的防治措施，避免不必要的損失。移動端的app界面如圖6所示。

圖6 移動端app

3 水土保持監測項目應用案例

本文所提系統應用于國網陜西電科院(環保中心)2020年水土保持監測服務項目陜北—湖北特高壓工程水保監測項目中，進行了初步的測試和驗證，以2021年1月份的數據為例(見圖7)，分別監測并記錄監測地區的PM2.5、風速、風向、濕度、溫度、噪聲和水土流失量。可以看出，該系統可以很好地記錄各類環境因子的數據，并得到精確的水土流失量，能夠滿足特高壓輸變電工程中水土保持監測工作的要求。

圖7 在線監測數據分析

4 結語

面對特高壓輸變電工程引起的水土流失問題，為了進行更高精度的水土保持監測工作，采用三維激光技術獲得更精確的水土流失量數據，設計集成式傳感器可以同時測量多種環境因子，最后搭配在線監測軟件和移動端app實現遠程監測、數據下載以及智能預警等功能。通過陜北-湖北±800 kV特高壓直流工程進行驗證。從某站點1月份的各類數據可以看出，本文所研究的系統可以很好地完成水土保持的監測工作，為特高壓輸變電工程的水土保持工作提供幫助。