張梁 張兆虎 章永志

不同于傳統(tǒng)輸電線路設(shè)計(jì)手段的降維簡化的設(shè)計(jì)方法，利用傾斜攝影生成的實(shí)景模型在輸電線路三維設(shè)計(jì)中可以更加直觀地構(gòu)建三維場景，利用三維設(shè)計(jì)軟件的功能進(jìn)行距離校驗(yàn)等設(shè)計(jì)校核工作。本文簡述了采用Bently系列軟件進(jìn)行從無人機(jī)航飛影像處理到桿塔絕緣子串基礎(chǔ)建模及組裝等一系列應(yīng)用方法。采用此方法生成的模型較為方便編輯，節(jié)約設(shè)計(jì)、校核時(shí)間，降低了勞動強(qiáng)度，可以為輸電線路工程提供應(yīng)用參考。

利用小型四旋翼無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測量三維實(shí)景建模技術(shù)，因?yàn)槠涑杀据^低，方便操作，能夠較為真實(shí)的反映地物實(shí)際情況等特點(diǎn)，極大地?cái)U(kuò)展了地形描述的手段，從而催生了許多利用實(shí)景模型進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法。目前實(shí)景模型在風(fēng)電場選址、變電站發(fā)電廠設(shè)計(jì)等方面已經(jīng)得到了一些應(yīng)用，但是在輸電線路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用較少。

三維場景構(gòu)建

實(shí)景建模技術(shù)處理流程豐富，實(shí)景模型的生成一般為軟件全自動化方式生成。獲得航拍影像后，經(jīng)過勻光勻色等步驟，然后通過專業(yè)的自動建模軟件生產(chǎn)三維模型。一般建模過程需要經(jīng)過多視角影像的幾何校正、聯(lián)合平差等處理流程。通過Bentley軟件ContextCapture Center進(jìn)行空三運(yùn)算后可生成基于影像的超高密度點(diǎn)云，并以此生成基于影像紋理的高分辨率實(shí)景模型。

軟件建模過程主要分為空三計(jì)算和模型構(gòu)建兩個(gè)過程。在空三計(jì)算過程中，軟件對影像進(jìn)行大量特征點(diǎn)的計(jì)算提取，對獲取的特征點(diǎn)再采用多視角匹配同名點(diǎn)，然后反向計(jì)算出每張圖片的空間位置和拍攝的姿態(tài)角度，從而確定圖片間的關(guān)系。在空三計(jì)算完成后，可以在軟件中查看到整個(gè)航帶的飛行情況、解算出空三點(diǎn)的位置密度、每張圖片的相對位置還有圖片所覆蓋的范圍方位角等信息。

在模型構(gòu)建過程中軟件通過空三計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行三維場景的重建。在這個(gè)過程中軟件計(jì)算得到模型的稠密點(diǎn)云，通過簡化構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，且其不同的簡化比例可以使模型自帶多級LOD，以滿足海量數(shù)據(jù)模型的高調(diào)度能力和渲染性能。然后，根據(jù)TIN生成白模的三維模型，再通過三維模型形狀位置從航片里面選取最合適的進(jìn)行紋理的貼合，最后輸出紋理逼真的實(shí)景模型。

輸電線路模型構(gòu)建

三維模型數(shù)據(jù)量大小直接影響系統(tǒng)運(yùn)行效率，過多的面、材質(zhì)數(shù)據(jù)將嚴(yán)重影響模型加載的速度。建?！氨ＷC主體特征，不拘細(xì)節(jié)”。建立桿塔主材、輔材和補(bǔ)助材的桿件模型，連接板和螺栓等不建立模型，掛點(diǎn)開孔需要建立相應(yīng)的模型?；A(chǔ)模型只需要建立外輪轂?zāi)Ｐ图纯?。?nèi)部配筋模型可以不進(jìn)行建模。絕緣子串建模過程需要描述金具的尺寸，但是需要簡化絕緣子片的模型和螺栓等細(xì)部的模型。輸電線路中，電線是以桿塔為支持物而懸掛起來的，對于懸掛在兩固定點(diǎn)A、B 的一根柔軟的且荷載沿線長均勻繩索，其所形成的形狀為“懸鏈線”，當(dāng)所使用的檔距足夠大時(shí)，電線材料的剛性影響可以忽略，同時(shí)電線的荷載系沿線長均勻分布，則電線懸掛形狀也可認(rèn)為是“懸鏈線”;如果近似地認(rèn)為電線荷載沿懸掛點(diǎn)連線上均勻分布，則可把“懸鏈線”公式簡化為所謂斜拋物線公式;如果近似認(rèn)為電線荷載沿懸掛點(diǎn)間的水平線上均勻分布，則可簡化為所謂平拋物線公式。

輸電線路的電線，由于兩懸掛點(diǎn)間的距離很大，電線材料的剛性對電線懸掛于空中的幾何形狀影響很小，所以可將電線假定為一跟處處鉸接的柔軟鏈條。根據(jù)這一假定得出的結(jié)論是：電線僅能承受軸向張力而不能承受彎曲力矩。其次是假定電線上作用的荷載（包括本身質(zhì)量）均指向同一方向且沿電線長度均勻分布。上述幾點(diǎn)為電線架空懸掛后呈“懸鏈線”狀的最基本的假定，由此導(dǎo)出的所有計(jì)算式均稱為“懸鏈線公式”。

架空電線的荷載沿電線長度均勻分布是比較真實(shí)的，特別對自身質(zhì)量來說就是這樣，但工程上由于電線弧垂較小，弧垂與檔距之比一般僅在百分之幾以內(nèi)，因此檔內(nèi)電線長度僅比懸掛點(diǎn)間的距離增長約千分之幾，對于計(jì)算檔內(nèi)的荷載來說，近似假定電線的比載沿懸掛點(diǎn)的連線均勻分布自然不會產(chǎn)生太大誤差，取坐標(biāo)X-Y 位于電線平面內(nèi)，且原點(diǎn)位于左側(cè)A 掛點(diǎn)，其Y 軸與比載γ作用方向平行，X 軸與比載作用方向垂直。當(dāng)懸掛點(diǎn)間的高差角較小時(shí)，工程上常將沿電線長度均勻分布的比載γ，更粗略地認(rèn)為沿檔距l(xiāng) 方向上均勻分布，由此而得到電線弧垂的所謂“平拋物線”方程。從電線的懸鏈線、斜拋物線和平拋物線方程可以看出，懸鏈線公式足夠精確，但方程中包含有雙曲函數(shù)，計(jì)算及其繁雜，本軟件若選用此算法，則會大大影響系統(tǒng)效率;斜拋物線和平拋物線算法是從懸鏈線公式的級數(shù)展開式中取其主要項(xiàng)近似而得到，這些近似式在工程應(yīng)用中具有足夠的精度且計(jì)算簡便，工程應(yīng)用中當(dāng)高差系數(shù)較大時(shí)，一般使用斜拋物線算法計(jì)算和架設(shè)弧垂，斜拋物線公式是比較精確的，且隨著高差系數(shù)的增大反而誤差更小，高差系數(shù)較小時(shí)采用平拋物線公式。經(jīng)過計(jì)算，在非大跨越段，使用斜拋物線算法是可以滿足工程精度的要求的。

應(yīng)用案例分析

工程位于湖北境內(nèi)，線路路徑長度約為30km，電壓等級為220kV沿線地形為平地、河網(wǎng)泥沼和少量丘陵，線路沿線有大量房屋零星分布，此外還需要跨越工業(yè)區(qū)和。

通過傾斜攝影建立的實(shí)景模型，可以直觀、方便地對跨高速區(qū)域的地物地貌進(jìn)行辨識，從而實(shí)現(xiàn)跨越位置的精確定位。同時(shí)可以通過限定條件對跨越位置進(jìn)行呼高和檔距的核算。

由于此工程有5公里線路從市區(qū)內(nèi)穿越，通道狹窄，需要對原有的單回塔改造為雙回塔來滿足設(shè)計(jì)要求。通過建立三維實(shí)景模型，對路徑區(qū)域的線路長度、地形地貌、交通、障礙設(shè)施、檔距、施工、運(yùn)行等因素進(jìn)行了綜合評估，在充分考慮經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益的前提下，進(jìn)行多方案比較，使路徑走向安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理。

利用傾斜攝影模型，可以在規(guī)劃路徑區(qū)域進(jìn)行精確量測，極大地方便了市區(qū)內(nèi)線路走廊的路徑優(yōu)化工作。由于可以精確定位區(qū)域內(nèi)每個(gè)桿塔的位置，在線路走廊狹窄的地段使用這種方法進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，最大限度減小了工程對城市規(guī)劃區(qū)域的影響范圍。在選定的塔位可以通過系統(tǒng)自動放置帶電間隙球?qū)λ贿M(jìn)行直觀地可行性判斷，避開不良地質(zhì)地段、林木密集區(qū)，并通過系統(tǒng)對間隙球和地物地貌的距離計(jì)算對危險(xiǎn)地物地貌進(jìn)行辨識。

此工程涉及到2個(gè)變電站的出線塔設(shè)計(jì)。在我們對變電站的出線進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過載入站址附近的實(shí)景模型作為設(shè)計(jì)參照，以便于因地制宜的考量各種設(shè)計(jì)因素。

在選定的出線位置可以通過模擬放塔放線的功能對預(yù)估的塔位進(jìn)行直觀地可行性判斷，避開不良地質(zhì)地段、林木密集區(qū)，減少與已有線路的交叉跨越，并通過系統(tǒng)的計(jì)算對危險(xiǎn)地物地貌進(jìn)行辨識。在地物地貌的辨識過程中，可以動態(tài)計(jì)算線路對環(huán)境的距離，對不滿足安全距離的地物高亮顯示。

在此工程的機(jī)械化施工方案的制定過程中，通過建立三維實(shí)景模型，對施工區(qū)域的路線長度、地形地貌、交通、障礙設(shè)施、沿線施工條件和經(jīng)濟(jì)性等因素進(jìn)行了綜合評估，在此基礎(chǔ)上制定適合本工程機(jī)械化施工專項(xiàng)設(shè)計(jì)方案，在充分考慮經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益的前提下，滿足了施工方案安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理的需求。

本文采用無人機(jī)傾斜攝影構(gòu)建實(shí)景三維，通過建模工具建立輸電線路桿塔、金具絕緣子串、基礎(chǔ)等元素，依據(jù)懸鏈線算法構(gòu)建架空線路導(dǎo)地線三維模型，實(shí)現(xiàn)三維模型與實(shí)景三維模型無縫融合。本文使用的技術(shù)流程可真實(shí)體現(xiàn)空間關(guān)系，并具備一定的空間分析能力，能夠滿足輸電線路規(guī)劃、選線、設(shè)計(jì)、施工輔助的要求。