無人機及地理信盧平臺在分布式光伏項目中的研究與應用

張學儀

（四川中水成勘院測繪工程有限責任公司，成都 610072）

隨著我國宣布“碳達峰”“和碳中”和目標，分布式光伏作為助力建筑節能的重要方式，可持續提供可再生能源和經濟效益，與“碳達峰”“碳中和”目標高度契合。分布式光伏仍處在起步階段，但其在提升完善建筑功能，在綠色環保、可持續和可循環建設方式上展現出的巨大優勢和潛力，對實現國家“碳達峰”與“碳中和”戰略目標具有重要意義。

分布式光伏發電特指采用光伏組件，將太陽能直接轉換為電能的分布式發電系統。其發電和能源綜合利用方式采用“自發自用、余電上網”模式，倡導就近發電，就近并網，就近轉換，就近使用的原則，同時還有效解決了電力在升壓及長途運輸中的損耗問題。利用光伏組件的光電轉換效應，把太陽光轉換成直流電，通過光伏逆變器把直流電轉換成普遍使用的交流電，通過控制設備供給就近的設備或電器使用，或者直接上傳國家電網。

目前，分布式光伏應用于部分有代表性的公共建筑、民用建筑、工商業建筑及未來社區等，開展光伏建筑一體化應用試點或建筑外立面光伏發電工程改造試點。在分布式光伏現場踏勘和測繪收集情況，選擇屋面條件比較好，項目廠址附近無高聳建筑物，同時未來3～5 年內無高聳建筑物規劃，不會對光伏機組產生陰影遮擋，周邊交通便利。

屋頂分布式光伏發電項目（簡稱“分布式光伏項目”）在場址選擇后，可研階段需要屋頂的平面圖、女兒墻等立面信盧和屋頂障礙物情況，本文主要以測繪地理信盧專業技術與分布式光伏項目結合，通過無人機傾斜攝影獲取原始數據，產生設計依據的建筑屋頂平面圖、正射影像和三維模型等基礎數據，解決基礎測繪數據獲取難的問題，杜絕了人工獲取屋頂信盧的安全隱患。以地理信盧平臺對分布式光伏進行運維管理，并利用無人機進行光伏巡檢和維護，研究了測繪地理信盧專業技術在分布式光伏項目中的應用。

1 無人機測繪

近年來迅速發展的無人機航測技術，具有機動靈活、作業高效迅速、可高頻監測關鍵區域及成本低廉等特點，在小區域地形圖測繪領域具有明顯的優勢。在分布式光伏項目人工無法安全測量的區域，無人機航測可對絕大多數不利環境進行測繪作業，全方位獲取測量區域地理信盧數據。目前的無人機航測設備均配備精度極高的高清影像設備，在測繪作業中能快速清晰地獲取測量區域的地理信盧數據，獲得的數字影像分辨率高，并且影像中包含了坐標信盧即地形測繪所需的重要信盧，為地形成圖提供高精度的原始資料。同時無人機航測具備高協調性，可同時結合衛星遙感、航空測繪數據，及時與地面控制系統形成互動，及時修正有誤差的影像及數據，極大地保證地形測繪數據的精度和質量[1]。

分布式光伏項目采用無人機低空航飛采集模式，其飛行的POS 數據直接通過網絡RTK 來獲取，內業定向成圖等均能得到CGCS2000（2000 國家大地坐標系）坐標。飛行方案規劃包括飛行系統的選擇和航線規劃方案設計，飛行方案的設計直接影響外業飛行效率和影像的質量，因此合理設計外業飛行方案至關重要。本次航飛采用大疆精靈Phantom 4，采用傾斜攝影的方式獲取高重疊度影像數據，飛行模式采用環繞飛行，利用自動實景三維建模和三維模型立體量測技術，實現免外業調繪的高精度大比例尺地形圖測繪。

1.1 飛行系統的選擇

飛行系統的選擇是根據航飛區域的范圍和特點來選擇，屋頂分布式光伏開發是將公共建筑物以棟為單位，測量面積較小，位置分布散亂且范圍較廣，因此輕小型旋翼無人機的飛行系統更有優勢。

此系統具有以下特點：①環繞飛行具有免像控優勢，省去刺點作業流程。②飛行系統硬件設備重量較小，便于攜帶；不受起降場地限制，靈活性高，模塊化結構設計，飛機組裝無需專門工具，可單人作業，攜帶方便。③飛行安全系數較高，更加適合屋頂分布式光伏攝影測量作業。④具有傾斜攝影模塊，傾斜航空攝影測量可全方位獲取建筑物紋理信盧，通過三維重建技術可精確還原建筑物現狀。傾斜攝影的高冗余度的影像重疊，可極大提高影像匹配精度，不同于傳統立體測圖的傾斜三維測圖，其所見即所得的采集方式可精確獲取建筑物角點信盧，不受房檐遮擋影響，非常適用于房屋屋頂信盧獲取。

1.2 航線設計

航線規劃主要飛行模式采用環繞飛行，50 m 相對航高，50 m 半徑環繞懸停拍攝，本項目飛行主要考慮飛行過程中的安全，保證與周圍高層建筑的安全距離，考慮平臺續航能力，合理布設飛行航線。

1.3 外業飛行

根據設計好的環繞飛行航線，進行無人機外業數據采集，因本次數據需要進行實景三維建模，需要保證屋頂和側面紋理的完整性，在環繞飛行時需要注意航線圈之間的重疊度，對于部分場址，如工廠，面積較大的區域，可以采用平行航線進行數據采集，確保數據沒有空洞和漏飛。

2 數據處理

2.1 實景三維

對采集的環繞數據進行預處理，利用專業傾斜影像處理軟件，經過空三加密、三維建模等處理，得到項目范圍內的實景三維模型[2]，其制作流程如圖1 所示。

圖1 實景三維模型數據制作技術路線

2.2 正射影像生產

在利用實景三維空三加密結果制作DOM（文檔對象模型），經過影像鑲嵌與勻色處理，再引入DEM（數字高程模型）來對影像數據進行數字微分糾正，因本項目都在城區，需要對房區DEM 進行編輯，盡量消除因地形地面構筑物產生的投影誤差，最終生成分幅的DOM 成果。

2.3 數字線劃圖

模型數據采集，作者利用專業三維測圖軟件，在測量模塊里加載本地傾斜模型，進行建筑物數據采集，在進行裸眼立體采集房子時，軟件會自動生成輔助面，可以幫助作圖人員選取更加貼合墻面的位置，使精度更高。待所有需要采集的數據都采集完以后，可以將數據輸出相應的CAD 成果格式。外業應對屋頂邊長及其他物體的長度進行測量，與內業所測平面圖數據進行校核。

3 光伏設計

3.1 GIS 陰影分析

在分布式光伏項目設計之前，首先了解場址區域太陽能資源情況，并根據無人機測繪的實景三維模型，在GIS 專業軟件中分析和模擬不同太陽高度角場址的陰影情況。分析場址周邊的高層建筑，并根據高大植被對屋頂產生陰影的分析，排除場址區域中經過GIS 陰影分析后效果不佳的建筑。

3.2 光照分析

在經過大范圍的GIS 光照陰影分析后，需要對場址建筑具體屋面進行光照分析，本項目屋面主要的障礙物類型有女兒墻、樓梯間及通風設備等。

光伏陣列必須考慮周圍障礙物陰影遮擋問題，并通過計算確定陣列間的距離或光伏陣列與建筑物的距離，如圖2 所示。根據GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》要求的“光伏方陣各排、列的布置間距，無論是跟蹤式還是固定式均應保證全年9：00～15：00（當地真太陽時）時段內四周均無陰影遮擋”，可由以下公式計算

圖2 光照分析程序模型

式中：L為陣列斜面長度；D1為正南方向兩排陣列之間距離；β 為陣列傾角；φ 為當地緯度。

本工程地處北半球太陽回歸線外，太陽總是位于天頂南部，太陽光線照射到地面障礙物上后，將在障礙物北側地面上形成陰影。

3.3 組件排布設計

分布式光伏發電項目，場址位于低緯度地區，太陽能資源較好，固定傾角支架安裝方式可以降低建設成本與運維成本，提高屋頂利用率。通過GIS 光照分析的結果可知，本項目年水平面太陽總輻照量為資源豐富地區，全天陰影遮擋段比較少，而且遮擋范圍小。

本項目光伏組件安裝于學校屋面，除部分屋面為彩鋼瓦外，其他屋面類型均為混凝土屋面，光伏陣列主要采用5°傾角順屋面豎向2 排布置的方案，經計算，屋面前后陣列間距為5.3 m，光伏陣列東西向間距考慮人行通道按1 m 進行設計，部分組件排布設計示意圖如圖3 所示。

圖3 組件排布設計示意圖

4 光伏信息平臺建設

4.1 建設思路

本項目以分布式光伏與地理信盧平臺相結合，以三維地理信盧平臺為承載，針對分布式光伏的特性建設光伏信盧化智慧管理平臺。系統由三維可視化圖、智慧化設計、光伏運營管理系統、智慧巡檢系統組成和后臺管理系統組成。

系統以無人機采集處理后的實景三維模型為數據底座，對應試點和模范工程場址進行精細化建模，并對光伏組件進行BIM 化建模，以新型地理實體為載體，融合了光伏行業信盧、互聯網和物聯網等先進技術，為分布式光伏系統打造保障業務流程可控、運營管理全方位的智慧三維可視化地理信盧平臺。

4.2 平臺架構

平臺架構包括5 個層級，分別為支持層、傳輸層、數據層、應用層和表現層。為保證平臺正常運行，還需要從管理、實施和技術等層面建立組織實施措施和保障。

1）支持層。支持層為整個系統平臺提供基礎支撐，保障平臺上功能正常運行。本項目支持層主要包含硬件環境、存儲資源、平臺安全資源、3D 可視化引擎、GIS 系統、分布式存儲、大數據、物聯網和云計算等。

2）傳輸層。傳輸層主要是為整個平臺提供網絡資源，保障平臺信盧正常傳輸通信。傳輸層主要包括運營商3G/4G/5G 通信網絡、光纖網絡和工程專網等。

3）數據層。數據層為整個系統平臺提供數據支撐，按照項目成果數據庫統一標準，規范格式，主要包含測繪成果數據庫、光伏材料數據庫、光伏設計庫和發電信盧庫等。

4）應用層。應用層是具體業務應用系統，主要包括數據可視化系統平臺、智能光伏信盧平臺和網格化聯動指揮中心。

5）表現層。表現層主要是為整個系統提供的應用產品，主要有中心大屏可視化系統、APP 和微信小程序，方便用戶使用和交互。

4.3 關鍵技術

4.3.1 時空數據庫技術

時空數據庫技術可以對分布式光伏項目全項目階段的地理信盧數據與光伏設計施工等數據進行立體化統一管理，統籌開展分布式光伏數據庫設計，統一數據庫內容、模型和接口等標準規范，形成一體化存儲管理。

本項目主要匯集分布式場址實景三維、遙感影像、地形數據、屋頂平面和正射影像等基礎地理信盧數據庫；分布式光伏項目設計數據、工程施工數據、光伏三維BIM 模型數據和光伏發電業務信盧等專題數據。具有大數據量、數據類型復雜和結構復雜等特點，對空間數據庫處理分析能力、3D 可視化引擎渲染及海量數據庫存儲能力都要求高。對于大比例尺實景三維數據，平臺采用文件數據庫加密管理模式，預防數據泄密等風險。對于其他公開的遙感影像、地形數據等地理信盧采用分布式空間大數據存儲，基于并行計算處理模型，實現對數據的有效管理。

4.3.2 多源數據融合

平臺數據主要涉及分布式光伏項目從設計、施工到運營各個階段的測繪地理信盧數據和光伏發電等業務專題數據，包括正射影像、地形圖、屋頂平面圖、遙感影像、實景三維數據和專題數據信盧，本項目主要使用地理信盧平臺作為多源數據融合解決方案。

GIS 數據來源眾多，采集方式各異，所采用的坐標系也存在一定差異，借助地理信盧平臺強大的空間數據處理和轉換能力，集成項目多源數據，通過GIS 集成轉換為不同數據格式，通過“四參數”“七參數”使數據基礎統一。本項目設計所用的CAD 圖紙和CAD 光伏設計圖紙均為二維平面圖，而無人機實景三維模型屬于三維立體空間數據，通過多源數據融合技術，可以將CAD 與三維模型精確匹配，可以在系統中瀏覽二、三維數據一體化，方便對比，判斷周邊環境，便于光伏設計方案的討論和修改。

4.3.3 GIS+BIM 相關技術

BIM 已經成為各種行業解決實際問題的重要工具，其用于提供建筑物精細化模型。本項目融合BIM 和GIS技術，以三維地理新信盧系統作為基礎平臺，結合高分辨率影像地形、無人機實景三維模型及光伏板BIM 模型，可以綜合反映光伏項目的完整信盧，將微觀設計數據與宏觀地理環境聯系起來，為光伏信盧化提供支持。

本項目基于Cesium 搭建地理信盧平臺，通過Cesium通過光伏場景管理、三維展示、空間分析和日照陰影分析等，實現GIS 與BIM 數據的融合，從而進一步促進分布式光伏項目的信盧化、數字化和可視化，助力光伏項目全生命周期管理。

4.3.4 無人機巡檢

分布式光伏項目在進入運營階段后，熱斑是影響光伏板均衡輸出電量的主要成因，進而降低光伏發電效率，導致輸出減少。另外，各類物體、雜質和灰塵等會對少數發電組件產生遮擋，也會造成發電機組承受強度不同的陽光照射，會縮短光伏組件壽命，導致光伏發電成本增加。若未能對這類故障進行及時檢查和排除，甚至會有局部高溫、燒毀和炸裂的風險。如何篩選故障的點位和具體故障光伏板是運營階段的難點，因分布式光伏的特性，人工巡檢難度大，效率低。借助無人機巡檢，搭載紅外相機，規劃飛行作業航線，設定巡檢任務，能夠提升巡檢頻率，快速識別熱斑，精準定位光伏故障位置，能夠便于維修和檢查。

5 結束語

分布式光伏項目數字化管理系統利用無人機技術、互聯網技術、時空大數據技術和GIS+BIM 等信盧化技術，將分布式光伏項目建設各個環節的成果資料進行統一的管理，實現三維GIS 平臺可視化，并匯集各類成果和信盧進行綜合分析，輔助光伏項目業務。本項目從光伏基礎場址信盧采集、數據成果管理、光伏設計和運營維護的全局各個角度研究了測繪地理信盧相關專業技術的應用，為無人機及地理信盧平臺服務于分布式光伏項目建設提供了實踐參考意義。