三維地理信息系統(tǒng)在輸電線路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

梁經(jīng)勇

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司湖南長(zhǎng)沙410007）

三維地理信息系統(tǒng)在輸電線路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

梁經(jīng)勇

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司湖南長(zhǎng)沙410007）

首先介紹了電力工程三維地理信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，主要包括軟件的總體設(shè)計(jì)、構(gòu)成系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)的組織與管理。緊接著闡述了電力工程三維地理信息系統(tǒng)的主要功能，最后介紹了系統(tǒng)在輸電線路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，實(shí)踐表明，三維地理信息系統(tǒng)對(duì)輸電線路設(shè)計(jì)有著重要作用。

三維地理信息系統(tǒng)；輸電線路；勘測(cè)設(shè)計(jì)

1 引言

基于當(dāng)前高壓輸電線路設(shè)計(jì)中遇到的傳統(tǒng)地形圖陳舊而商業(yè)遙感數(shù)據(jù)又價(jià)格昂貴等實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)隨著攝影測(cè)量及遙感技術(shù)的蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)外能夠向公眾免費(fèi)開(kāi)放的DEM及影像數(shù)據(jù)精度的不斷提高，在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出自己的三維輸電線路設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在實(shí)際工程中進(jìn)行高壓輸電線路工程項(xiàng)目的前期可研、初步設(shè)計(jì)階段規(guī)劃、施工圖設(shè)計(jì)階段的定線中有著重要意義，能夠以更小的成本，更加優(yōu)化的方案完成輸電線路工程的勘測(cè)設(shè)計(jì)。

2 三維地理信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計(jì)

三維地理信息系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其中包括的數(shù)據(jù)較多，主要有數(shù)字高程模型、衛(wèi)星及航空攝影影像、三維構(gòu)筑物以及相關(guān)的地圖數(shù)據(jù)等等。三維地形的生成是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它的生成主要基于DEM及影像數(shù)據(jù)，通過(guò)特定的算法將DEM及紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行分層分塊切割，得到DEM及紋理的格網(wǎng)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)疊加后即可生成三維地形，為了使系統(tǒng)更加逼真，我們可以加入三維構(gòu)筑物，主要為房子、樹(shù)、電力桿塔…，同時(shí)為了使三維地形數(shù)據(jù)能顯示地理地名等常規(guī)地圖信息，也可加入地圖（.shp）文件，總體設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖1。

三維地形生成后，其功能是強(qiáng)大的，我們可以在上面進(jìn)行一些常規(guī)測(cè)量，也可以生成輸電線路路徑平斷面圖，更為重要的是能夠進(jìn)行三維場(chǎng)景科學(xué)仿真漫游，達(dá)到輔助設(shè)計(jì)的目的。

圖1 三維GIS總體設(shè)計(jì)

2.2 三維地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)源

2.2.1 數(shù)字高程模型（DEM）

DEM即數(shù)字高程模型，是一種通用的空間型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它是按照一定的格網(wǎng)間隔采集地面高程而建立的規(guī)則格網(wǎng)高程數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)可以利用已采集的矢量地貌要素（等高線、高程點(diǎn)）和部分水系要素作為原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)學(xué)內(nèi)插獲得。

DEM數(shù)據(jù)包括平面位置和高程數(shù)據(jù)兩種信息，可以直接在野外通過(guò)全站儀或者GPS、激光測(cè)距儀等進(jìn)行測(cè)量，也可以間接地從航空影像或者遙感圖像以及既有地形圖上得到。DEM數(shù)據(jù)一般以文件的形式保存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。

傳統(tǒng)輸電線路設(shè)計(jì)方法不僅需要大量費(fèi)時(shí)費(fèi)力的野外勘測(cè)工作，而且所設(shè)計(jì)出的線路還不可避免地具有以下幾個(gè)方面的缺陷：

（1）所形成的方案不一定是經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上的最優(yōu)方案；（2）方案受人的主觀影響大；（3）工作強(qiáng)度大，設(shè)計(jì)工作繁瑣。

線路設(shè)計(jì)主要涉及平面、縱橫斷面、土方量、透視圖等幾個(gè)方面。在平面路徑大體位置已定的情況下，DEM用于線路設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)在不必進(jìn)行進(jìn)一步的野外測(cè)量，而由所建立的帶狀DEM內(nèi)插出現(xiàn)狀縱橫斷面。為線路工程而建立的DEM可以求得線路縱橫斷面上的地形信息，自動(dòng)或半自動(dòng)地求得最佳線路的設(shè)計(jì)。

數(shù)字高程模型是三維數(shù)字分析與表示的基礎(chǔ)，基于DEM的三維可視化有助于用戶(hù)對(duì)空間數(shù)據(jù)相互關(guān)系的直觀理解，因此，DEM是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

2.2.2 衛(wèi)星及航空攝影影像

如果說(shuō)DEM是整個(gè)系統(tǒng)的骨架，那么衛(wèi)星及航空攝影影像便是整個(gè)系統(tǒng)的衣服。影像數(shù)據(jù)是柵格數(shù)據(jù)的一種，如衛(wèi)星影像或航拍影像，它在每一個(gè)網(wǎng)格單元保存一個(gè)顏色值，顏色的位數(shù)越多，網(wǎng)格的間隙越小，則圖像越清晰，自然所占用的存儲(chǔ)空間也就越大。衛(wèi)星或航拍圖形可以作為地圖的背景與地圖疊加起來(lái)進(jìn)行顯示，以增強(qiáng)地圖的美觀程度。

三維輸電線路GIS需要構(gòu)建大規(guī)模三維場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)輸電線路及其所在地形環(huán)境的三維真實(shí)表達(dá)，因此在系統(tǒng)中必須包括衛(wèi)星或航拍的柵格影像數(shù)據(jù)。這類(lèi)柵格數(shù)據(jù)通過(guò)三維可視化技術(shù)以紋理的形式貼在數(shù)字高程模型（DEM）表面，以達(dá)到真實(shí)的效果。

2.2.3 三維構(gòu)筑物

三維構(gòu)筑物主要為三維鐵塔及輸電線、變電站、樓房等。在三維系統(tǒng)中的尺寸均為實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸，以達(dá)到三維輸電線路科學(xué)仿真的目的。

2.3 數(shù)據(jù)組織與管理

由于原始的DEM和影像數(shù)據(jù)量大，不同的影像數(shù)據(jù)分辨率不同。針對(duì)該特點(diǎn)，分別對(duì)DEM和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分層次、分塊管理。首先對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，切割成網(wǎng)格數(shù)據(jù)塊。對(duì)于DEM數(shù)據(jù)，根據(jù)原始DEM的密度來(lái)進(jìn)行抽稀分層，底層數(shù)據(jù)的DEM密度跟原始數(shù)據(jù)基本吻合，而上層數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)差抽稀，同區(qū)域塊處理得到對(duì)應(yīng)各不同層次的網(wǎng)格高程數(shù)據(jù)。對(duì)于影像數(shù)據(jù)而言，紋理格網(wǎng)底層數(shù)據(jù)基于原基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分辨率，其他各層提取各層次不同分辨率的圖片。每個(gè)區(qū)域擁有若干層該區(qū)域的高程和紋理數(shù)據(jù)。文件分割分層后存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制文件中，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)視點(diǎn)所在的位置來(lái)計(jì)算所需的區(qū)域和層次，調(diào)用該區(qū)域和層次的紋理來(lái)進(jìn)行渲染。對(duì)于常見(jiàn)的3D構(gòu)筑物，基于OSG讀取其數(shù)據(jù)，根據(jù)添加處位置求得分塊的節(jié)點(diǎn)，加入到對(duì)應(yīng)的分塊節(jié)點(diǎn)中，以高程數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)同樣的處理方式實(shí)現(xiàn)分塊加載和管理。

3 三維地理信息系統(tǒng)（GIS）的主要功能

在三維地形的創(chuàng)建中，DEM數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)。由于目前國(guó)內(nèi)高精度的商業(yè)DEM和影像數(shù)據(jù)價(jià)格昂貴，我們采用的DEM為中科院遙感所提供免費(fèi)下載的30m精度的DEM數(shù)據(jù)，而影像數(shù)據(jù)則為Google Earth影像，較之年代久遠(yuǎn)的1：1萬(wàn)地形圖，這些數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性好，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)為2010年后的數(shù)據(jù)，其中大部分為近幾年最新的數(shù)據(jù)。基于所創(chuàng)建的三維地形的主要功能如下：

（1）輸電線路路徑選線；

（2）路徑平斷面圖生成；

（3）桿塔坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能；

（4）與輸電線路設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)交互；

（5）常規(guī)測(cè)量功能；

（6）基于三維地形的輸電線路模型構(gòu)建；

（7）輸電線路路徑三維實(shí)景漫游功能，如圖2。

4 三維地理信息系統(tǒng)（GIS）在輸電線路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

三維GIS在輸電線路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在可研和初步設(shè)計(jì)階段，同時(shí)有助于施工圖階段的項(xiàng)目進(jìn)度規(guī)劃與管理。

應(yīng)用流程如圖3所示，設(shè)計(jì)人員在附有坐標(biāo)信息的衛(wèi)星影像圖上進(jìn)行路徑方案的選取，在坐標(biāo)系統(tǒng)一致的前提下提取線路路徑的轉(zhuǎn)角坐標(biāo)，然后將轉(zhuǎn)角坐標(biāo)導(dǎo)入到三維GIS中進(jìn)行線路路徑沿線的平斷面圖提取，獲取平斷面圖后即可在此基礎(chǔ)上做輸電線路設(shè)計(jì)排桿，同時(shí)參照三維地形進(jìn)行路徑或是桿塔位置優(yōu)化。如路徑不符合設(shè)計(jì)要求，則可重新選取路徑方案，若符合設(shè)計(jì)要求，則可依據(jù)排桿的檔距推算桿塔坐標(biāo)。最后將相應(yīng)的桿塔三維模型放置到設(shè)計(jì)位置，同時(shí)加入電力線，構(gòu)建輸電線路三維仿真場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)輸電線路的三維實(shí)景漫游。

圖2 輸電線路三維實(shí)景漫游

圖3 三維GIS在輸電線路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用流程圖

三維地理信息系統(tǒng)已在多個(gè)工程中得到應(yīng)用，以上渡-苗田灣220kV線路為例，該線路初設(shè)長(zhǎng)度為50km，終勘長(zhǎng)度45km，優(yōu)化長(zhǎng)度5km，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。三維地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用能夠使輸電線路的路徑走向更合理、桿塔布置更經(jīng)濟(jì)，能夠很好地起到輔助輸電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，三維GIS對(duì)輸電線路的勘測(cè)設(shè)計(jì)有很強(qiáng)的輔助功能，它不僅能提取線路路徑平斷面圖，而且能將設(shè)計(jì)后的輸電線路通過(guò)三維仿真場(chǎng)景直觀地展示在大家的面前。隨著國(guó)家立體測(cè)圖衛(wèi)星的不斷發(fā)展，能夠提供的DEM及影像精度會(huì)越來(lái)越高，三維GIS在輸電線路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景將更加廣闊。

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P208

A

1004-7344（2016）28-0058-02

2016-9-21

梁經(jīng)勇（1982-），男，工程師，碩士，主要從事電力勘測(cè)設(shè)計(jì)工作。