国家电网公司科学技术项目

湖南省电力公司科学技术项目可行性研究报告项目负责人：王澎通信地址：长沙市劳动西路226号邮政编码：410007联系电话：[phone]传真：[phone]申请日期：2010年9月26日项目名称：动力伞电力线路运维中激光雷达三维测距应用技术研究申请单位：湖南省送变电建设公司起止时间：2010年10月至2012年10月1一、目的和意义1、与项目研究内容相关的公司实际生产力水平和今后的发展方向利用动力伞对输电线路进行巡检研究已取得丰硕成果，并进入实用化阶段。如果能继续研究，在动力伞上搭载能测定导线及周边树竹、各种架空线路、其它建筑物间的净空距离的专门仪器，具有很大的实际意义。1）、作为监测手段，及时了解和掌握线路运行环境是否有危及线路安全运行的隐患，为有效决策提供依据。在输电线路的实际运行环境中，有可能对线路安全运行造成威胁的主要有树竹、各种架空管线、超高机械违章施工、违章建房及其它违章建筑物。目前常用的方法是巡视人员在地面利用经纬仪、测高仪，甚至是目测的方法，测量导线对这些障碍物进行净空距离测量。由于受地形条件限制及测量人员经验及技能影响，有可能发生漏测或测量误差超标的现象，导致测量数据与实际情况相差较大，造成误判，不能及时消除隐患而发生事故。特别是在树竹生长旺季等特殊时段，哪些线段的哪些部位存在危及线路安全运行的隐患，利用动力伞航巡和测定，即可快速确定隐患所在，为有针对性地快速采取措施、消除隐患提供依据，避免发生如2009年五民线“6.19”及2010年“5.11”这样的事件。在动力伞上搭载一种仪器，可以自动测量并记录输电线路导线、树竹、各种架空管线、违章施工的超高机械、违章建房及其它违章建筑物与测量仪器间的空间距离（包括水平距离、垂直距离及视距），编制软件，根据实际需要，计算输电线路任意处导线与周边物体的各种距离，进而判定是否满足线路安全运行的需要。2）、提高工作效率。利用传统的经纬仪测量方法，一个熟练工人加上一个辅助人员到达一处视场开阔、地形条件较好的工作地点后，测量导线对周边物体的净空距离，用时不少于10分钟。如果遇上障碍物较多，比如河流、树竹、建筑物等影响视场及行走时，测量一处净空距离，可能会花上1小时。有些地形地貌，当工作人员深入现场后，很容易被现场各种障碍物所影响，找不到真正需要测定的部位，造成无效劳动，误导决策。如果需要测量多处，则需要花费更多的时间，投入更多的人力和物力，而利用动力伞，则可大大提高工作效率。3）、电力网络和容量的增大以及电压等级的提高，使电力故障所影响的地域范围和用户数量越来越大，而适应性强、检测速度快、控制效率高、可靠性好的2巡检系统是保证电网提高安全输电能力、避免大面积停电事故发生的关键。湖南省送变电建设公司重视并尽早地开展了动力伞电力线路系统的应用研究工作，并在电力线路施工和检测中成功加以应用推广，不仅积累了丰富的实践经验，充实和提高了科技创新和项目研发能力，而且日臻完善了应用及拓展所需具备的条件和要求。动力伞电力线路运维中激光雷达三维测距应用技术研究是动力伞电力线路巡检系统的进一步完善，它不仅强化了输电线路的例行监测、检测和预警能力，对降低电网故障，减少故障损失，全面消除电力系统安全隐患起到显著效果，而且更深层的意义在于电网的安全稳定运行很大程度上保证了国家和社会的稳定。2、项目成果对该现状和技术发展的作用在电力线路运行中，受自然气候或灾害影响以及线路区域植被、建筑自然或人为的原因给电力线路带来损害所占比重极大，需要通过巡检手段的不断完善和预警能力的不断提高来达到有效的减少或杜绝。因此，动力伞电力线路运维中激光雷达三维测距应用技术研究对保障电网安全稳定运行无疑将起到重要的推动作用。而且，由于动力伞应用在运营效率、安全性、作业范围等方面已显现出极大地的优越性，所以，项目更易于在电力行业乃至其它行业领域应用与推广。电力线路下的植被因生长变化是否会有安全隐患，以往的工作模式是通过人工到线路底下判断。采用手持测距仪进行测量，很多情况受到制约，难以准确测量，不能给出定量的植被和线路的距离信息。同时人工巡查，在地形复杂地区开展较为复杂，效率较低。而借助动力伞、GPS、惯导、激光扫描仪和高分辨率相机，在动力伞飞过线路走廊的同时利用高分辨率激光雷达测量线路和线路下植被的空间立体距离，并通过解算GPS信息、惯导信息和高分辨率相机获取的融合数据，判读、定位危险地段和危险等级，并由此采取后续人工处理，达到准确判定树竹与导线的距离。动力伞在空中进行植被和线路之间距离的测量工作，可采用的技术有激光雷达、微波、声波测距等，但目前较为现实的是激光雷达技术。动力伞不受地面地形遮挡，通过GPS信息可以获取飞行器绝对位置信息，同时在地面距离解算中获取飞行姿态信息（特别是颠簸过程中），准确计算出地面被扫描点的精确位置，由此绘制地形三维图，实现精确测距，及时发现电网运行隐患并采取措施给予消除，确保电网稳定安全可靠运行。同时，使得线路巡检效率大大提高，动力伞电力线路运维中激光雷达三维测距应用技术研究可实现每小时20公3里以上线路巡查，植被分辨率小于0.25平方米分辨率，测距精度误差在10cm以内，同时融合数据可对接到电力系统GIS信息库中，实现三维线路走廊的绘制和测量。项目进一步完善了动力伞电力线路巡检系统，推动了机载激光雷达技术的拓新发展。3、成果应用和推广的途径借助动力伞、GPS、惯导、激光扫描仪和高分辨率相机。在动力伞飞过线路走廊的同时，利用高分辨率激光雷达测量线路和线路下植被的空间立体距离，并通过解算GPS信息、惯导信息和高分辨率相机获取的融合数据，判读、定位危险地段和危险等级，并由此采取后续人工处理。达到安全巡线的目的。此方法可使得线路植被安全巡线效率大大提高，而且可深入到人工或车辆巡线较为困难的地区。动力伞激光雷达测距技术除可以应用于电力线路安全巡检外，还可以广泛应用于林业、城市监管、水利、近海岸地形测绘、地质灾害调查、国家安全等遥感遥测领域。(1)、数字城市应用。此系统可用于城市规划中的大比例尺地形数据获取，特别是三维电子地图建立的高程信息。(2)、灾害调查与环境监测。主要应用于自然灾害(如飓风、地震、洪水、滑坡等)的灾后评估和响应。(3)、通过更换不同波段激光雷达组件，例如利用可差分吸收激光雷达，可应用于天然气、石油探测以及输油管道的监视等方面。利用激光雷达和动力伞遥感遥感技术可以建立早期预警安全系统。由于某些波段激光雷达可探测水下70米，可用于水资源的三维测量和动态监测。可以预测动力伞遥感会成为一个新兴的行业，在国民经济发展中发挥越来越大的作用。4、成果推广后的直接和间接效益1）、可以实现树竹与导线距离的精确测量，减少电网事故的发生，降低电网跳闸率，大大提高电网的可靠运行，解决了我国电网在运行维护方面的技术难题，其经济效益及社会效益巨大。推广使用，年经济效益在1亿元以上。2）、机载雷达技术地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有作业4成本低及后处理成本的优点。符合并满足用户低成本、高密集、快速度、高精度的需求，因而成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。德国国家测绘局通过成本效益分析计算表明，对于同一项任务，用机载激光雷达测量技术实现的成本仅为用航空摄影测量技术实现成本的25～33%。3）、人工巡检受地理环境、人体本能等因素的影响较大，难以对输电线路进行详细和快捷的检测，巡检作业效率相对较低。而动力伞空中立体巡查，不受地面物体的遮拦和地理位置的影响，巡检效率和故障处置反应速度较人工巡检有数十倍的提高，不仅能及早发出线路缺陷和隐患预警，减轻或避免线路灾害损失，同时也大大降低了人工巡检的劳动强度和安全风险。二、国内外研究水平综述1、与项目研究内容紧密相关的技术发展历史简述自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。利用激光作为遥感设备可追溯到30多年以前，从20世纪60年代到70年代，发达国家对利用激光进行遥感作了大量的研究和试验，激光测月和卫星激光测距更是显示了激光遥测的巨大潜力。激光雷达测量技术作为一门新兴技术，已在地球科学和行星科学领域广泛应用。美国早在20世纪70年代阿波罗登月计划中就应用了激光雷达测高技术。20世界80年代期间，激光雷达测量技术得到了迅速发展，美国NASA研制出大气海洋雷达系统以及机载地形测量设备等机载系统，近十几年又研制出精确可靠的雷达测量传感器。德国、荷兰、加拿大、日本也在近二十年间进行了机载激光扫描地形断面测量系统、利用激光雷达测量技术提取地形信息、机载激光雷达系统的集成等多项研究和实验，并取得理想结果。近年来，随着相关技术的不断成熟，机载激光雷达技术得到了蓬勃的发展，欧美等发达国家先后研制出多种激光雷达测量系统和机载激光雷达测量设备，全球约有75个商用组织使用60多种类似的系统，从1998年起以每年25%的速度递增。52、国内外研究、应用情况及发展趋势随着机载激光雷达系统的不断成熟，其应用范围不断扩大。美、加、澳、瑞典等国家为浅海地形测量发展的低空机载激光雷达测量系统使用了机载激光测距设备、全球定位系统、陀螺稳定平台等设备，飞行高度为500-600M，直接测距与定位，最终得到浅海地形（或DEM）。美国HARC的激光雷达地形测量系统能实现准实时遥感信息的定位并生成DEM，效率要比现有的信息获取技术提高约几十倍。德国利用激光雷达扫描技术获取数字地形模型，获取地面真实正射影像，通过对数据进行滤波和分类，将地面点和建筑物或植被点分开，结果十分理想。荷兰已在全国范围内利用机载激光雷达测高技术建立数字高程模型（DEM），采集数据的空间分辨率已达到每16平方米有一个激光脚点。德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的探测激光雷达更高一筹，装载在直升机上使用，能探测300～500米距离内直径1厘米粗的电缆；法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达适用于飞机和直升机，具有多种功能，不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能。美国NASA于2003年初发射了星载激光测高卫星，标志着激光雷达技术达到了一个崭新的发展阶段。相比国外，机载激光雷达测量技术研究在国内的起步较晚。中科院遥感所于1996年完成了机载激光扫描测距-成像系统的样机研制。近年来，我国十分重视激光雷达测量系统的研制，科技部、信息产业部、中科院等单位加快了机载或星载激光雷达系统的研制。武汉大学、中国测绘科学院以及广西桂能信息工程有限公司等也在引进国外高性能机载小光斑激光雷达系统的基础上，先后开展了试验和工程飞行。激光雷达技术是获取三维地理信息的主要途径，其成果已被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、环境监测、防震减灾及国家重点建设项目等多个方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。因此，开展机载激光雷达测距的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。随着机载激光雷达测量技术的不断发展，硬件技术及系统集成的问题已得到解决，成熟的、自动化程度高的、可靠稳健的机载激光雷达测量必将成为测量技术的重要发展方向。6三、项目的理论和实践依据1、项目技术原理简述动力伞结合GPS、惯导、激光雷达和高分辨率相机；在动力伞飞过线路走廊的同时，利用高分辨率激光雷达测量线路和线路下植被的空间立体距离，并通过解算GPS信息、惯导信息和高分辨率相机获取的融合数据，判读、定位危险地段和危险等级，达到安全巡线的目的。●激光雷达组成和原理：激光雷达的基本组成主要由激光发射系统、激光接收系统、信息处理系统等组成。雷达工作时，激光发射器发射激光，通过光学系统射向大气，当激光射到目标时，反射回来的激光一部分