基于衛(wèi)星遙感的電力線路設(shè)計(jì)流程研究

摘 要：本文基于筆者從事電力線路勘查設(shè)計(jì)的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以衛(wèi)星遙感技術(shù)在電力線路設(shè)計(jì)的中應(yīng)用為研究對象，論文首先分析了電力線路設(shè)計(jì)的原則和方法，進(jìn)而探討了電力線路設(shè)計(jì)的方法和流程，最后，筆者結(jié)合500kV某線路設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐進(jìn)行了分析，全文是筆者長期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星遙感 電力線路設(shè)計(jì)

中圖分類號：TB21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（b）-0099-02

現(xiàn)代遙感技術(shù)的發(fā)展和快捷、多樣的商業(yè)遙感圖像數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，使我們能夠很方便地獲取所需要的數(shù)據(jù)，國民經(jīng)濟(jì)對遙感技術(shù)的需求也正隨著遙感數(shù)據(jù)的普及日益增強(qiáng)。高分辨率商業(yè)衛(wèi)星影像IKONOS，QuickBird和印度衛(wèi)星IRS數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，大大拓寬了遙感應(yīng)用范圍。現(xiàn)在遙感技術(shù)不但用于宏觀上的定性分析，而且也可以對局部地物進(jìn)行定量分析和規(guī)劃。

高壓電力線路設(shè)計(jì)就是按照一定的原則規(guī)劃一條從電廠到變壓站之間最優(yōu)的輸電線路。按照電力線路設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)一條優(yōu)化的線路要求對線路跨區(qū)內(nèi)的地貌、地物和地質(zhì)情況非常了解，傳統(tǒng)的方法要實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)是非常困難的。遙感圖像是地表的真實(shí)拷貝，具有覆蓋面大、數(shù)據(jù)現(xiàn)勢和信息直觀等特點(diǎn)，其光譜信息可以反映地質(zhì)特征，在電力線路的規(guī)劃中可以起到很好的輔助作用。利用高分辨率遙感影像進(jìn)行線路設(shè)計(jì)能夠大大地提高線路設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。在高壓輸電線路設(shè)計(jì)工程中，地形變化相對緩慢，利用已有的DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)建立3維模型，進(jìn)行通視性分析、弧垂分析以及受力分析，則可以大大減少成本。

1 傳統(tǒng)電力線路設(shè)計(jì)方法

高壓電力線路的設(shè)計(jì)是由專業(yè)的設(shè)計(jì)人員根據(jù)一定原則選擇一條最佳路徑，其主要原則如下。

（1）要求線路盡可能地短、直，降低工程成本；（2）線路走向一定范圍內(nèi)不能有村莊和建筑物，盡量避開建筑物，減少拆遷成本；（3）線路與其他地物進(jìn)行交叉跨越時(shí)需要考慮走向和跨度，減少架設(shè)成本和施工難度；（4）塔桿架設(shè)要避開一些重要的地物，如輸油管道等；（5）塔桿架設(shè)處的地質(zhì)條件要符合要求等。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如下。

（1）設(shè)計(jì)人員在1∶5萬的舊地形圖上粗選。（2）根據(jù)粗選的路徑到實(shí)地踏勘，如不符合要求，修改設(shè)計(jì)；（3）沿粗選的路徑進(jìn)行航空攝影。（4）進(jìn)行航測外控測量、內(nèi)業(yè)加密、選線、測量平斷面、對房屋和交叉跨越進(jìn)行統(tǒng)計(jì)等大量工作。（5）設(shè)計(jì)排定桿位。（6）現(xiàn)場定位、復(fù)核，然后轉(zhuǎn)入設(shè)計(jì)提供施工圖的內(nèi)業(yè)階段。

從上面的流程可以看出，線路設(shè)計(jì)是以空間地理信息為基礎(chǔ)的，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中是以中、小比例尺地形圖為基礎(chǔ)進(jìn)行粗選，在粗選的基礎(chǔ)上利用現(xiàn)勢的航空像片進(jìn)行攝影測量處理來達(dá)到細(xì)化、優(yōu)化方案的目的。但成圖時(shí)間較早的地形圖缺乏現(xiàn)勢性，不能反映設(shè)計(jì)時(shí)的地面現(xiàn)狀，而且不直觀，幅圖的大小有限，使得設(shè)計(jì)人員只能在沿線路約30 km寬的范圍內(nèi)尋找最優(yōu)線路。如果先對影像進(jìn)行處理，用遙感影像代替地形圖則可以克服地形圖的不足。遙感影像比地形圖更現(xiàn)勢、直觀，同時(shí)具備地形的量測能力；遙感影像幅面寬，如一景SPOT圖像能夠覆蓋60×60 km2的范圍，而一景TM圖像能覆蓋185×185 km2的范圍，這樣設(shè)計(jì)人員的視野更開闊，設(shè)計(jì)更合理；采用融合等特殊技術(shù)對現(xiàn)代高分辨率遙感影像進(jìn)行處理，在地物判斷能力上比航空影像更強(qiáng)。因此，采用遙感影像進(jìn)行電力線路粗選可以達(dá)到粗選和細(xì)化相結(jié)合的目的，如果確實(shí)需要，再采用其他方式對某些專題進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，這樣可以減少設(shè)計(jì)工作量和成本。

2 應(yīng)用遙感影像設(shè)計(jì)電力線路的方法和流程

應(yīng)用遙感影像設(shè)計(jì)電力線路的流程見圖1。

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括遙感影像、DEM和控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理。在利用遙感影像之前需要對影像進(jìn)行檢查，確認(rèn)影像的整體質(zhì)量，即影像是否存在現(xiàn)有技術(shù)不能修正的輻射缺陷，如果是光學(xué)影像還要考慮圖像上云的覆蓋面積是否太大等。另外，還要根據(jù)所采用的軟件的幾何精糾正模型，選用適當(dāng)級別的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品。根據(jù)應(yīng)用的需要對影像進(jìn)行輻射增強(qiáng)等方面處理，突出感興趣的地物特征。

2.2 遙感影像精糾正

遙感影像在獲取時(shí)由于搭載平臺(tái)、傳感器、地球曲率和地形起伏等影響往往會(huì)造成影像幾何畸變，為了改正這些畸變，同時(shí)把影像納入到特定的制圖坐標(biāo)系統(tǒng)中，就需要進(jìn)行影像幾何糾正。遙感影像幾何糾正包括兩個(gè)步驟：（1）計(jì)算新圖像上相應(yīng)像素的位置，一般采用已知糾正后圖像的位置反算該像素在待糾正圖像上的位置。（2）計(jì)算糾正后圖像上像素的灰度值，如果反算到待糾正圖像上的像素位置正好落在像素上，就取該像素的灰度值為糾正后圖像的灰度值，否則要根據(jù)待糾正圖像上的相鄰像素來內(nèi)插。不同類型的遙感影像采用不同的幾何糾正模型，糾正模型參數(shù)需要通過控制點(diǎn)來精確解算，如果地形起伏比較大，同時(shí)幾何精度要求又比較高，還需要通過DEM來改正地形起伏引起的投影差，以達(dá)到對遙感圖像進(jìn)行精糾正的目的。

2.3 圖像接邊和鑲嵌

電力線路的一個(gè)明顯特點(diǎn)就是跨越區(qū)域成狹長條帶狀，常常超出一景影像覆蓋的范圍，這就需要對多景影像進(jìn)行鑲嵌處理，形成能夠覆蓋整個(gè)線路的大影像。在進(jìn)行圖像鑲嵌前，為了保證不同影像之間幾何位置的一致性，需要對影像進(jìn)行接邊處理；同時(shí)為了使得鑲嵌后的影像在色調(diào)上協(xié)調(diào)一致，還要進(jìn)行色調(diào)匹配處理。

2.4 圖像融合

不同的傳感器獲取的影像具有不同的特點(diǎn)，例如有的獲取的數(shù)據(jù)的幾何分辨率高，有的獲取的遙感圖像光譜分辨率高，光譜信息豐富等。在電力線路設(shè)計(jì)中幾何分辨率和光譜信息對地物判讀和地質(zhì)條件解譯有著重要的意義。為了綜合不同影像的幾何和光譜優(yōu)勢信息，采用圖像融合技術(shù)進(jìn)行處理。

圖像融合就是對幾何配準(zhǔn)好的同源或非同源圖像，應(yīng)用一定的數(shù)學(xué)模型對相應(yīng)的像素進(jìn)行處理，形成一幅能夠反映融合前不同圖像優(yōu)勢信息的圖像，目前常用的方法有：加權(quán)、小波變換、彩色變換，主分量變換和邊緣增強(qiáng)等融合方法，融合方法的選用要根據(jù)應(yīng)用目的和圖像的具體情況來決定。

2.5 線路設(shè)計(jì)

經(jīng)過幾何糾正和融合處理后的遙感圖像，不僅提供了精確的幾何位置信息，同時(shí)還提供了現(xiàn)勢、豐富的地物信息，以此為地理基礎(chǔ)結(jié)合其他輔助信息、規(guī)范和設(shè)計(jì)人員的專業(yè)知識(shí)就可以進(jìn)行線路設(shè)計(jì)。通過地物判讀和地質(zhì)條件分析可以確定線路的轉(zhuǎn)角位置，并以矢量形式標(biāo)注在遙感影像上。根據(jù)圖像幾何分辨率對房屋和交叉跨越進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，從多個(gè)設(shè)計(jì)方案中優(yōu)化篩選。對室內(nèi)判斷有疑問的地物，進(jìn)行野外實(shí)地重點(diǎn)踏勘，然后修改、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。為了從整體的角度來優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，將遙感影像和線路設(shè)計(jì)方案疊加在DEM上進(jìn)行3維仿真模擬，沿著設(shè)計(jì)線路飛行，直觀表現(xiàn)線路的整體情況。

3 500 kV某變線路設(shè)計(jì)實(shí)踐

3.1 工程概況

500 kV某變線路東西跨越約100 km，該地區(qū)地形圖成圖時(shí)間較早，地物更新較多，而且湖泊眾多，給選線帶來很大的困難。根據(jù)設(shè)計(jì)需要本項(xiàng)目采用2011年4月份30 m和5 m地面分辨率的TM多光譜影像和IRS全色影像，影像數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性很強(qiáng)，能夠很好地反映地面的實(shí)際情況。收集線路區(qū)域1∶1萬地形圖和1∶5萬DEM作為影像處理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本次工程設(shè)計(jì)的電力線路分為東西走向的兩個(gè)路徑方案比選，線路東西跨越98.85 km，南北跨越34.62 km。使用TM影像與IRS影像進(jìn)行融合獲取的，幾何分辨率為5 m的成果影像能夠進(jìn)行選線。

為了與傳統(tǒng)的選線方法進(jìn)行對比，先在地形圖上進(jìn)行線路初選，并將其放樣到遙感影像上，再根據(jù)影像上的地物狀況，修改電力線路上不合理的線路轉(zhuǎn)角，最終選擇出一條最佳的電力輸電線路。

3.2 影像幾何糾正

本項(xiàng)目中地形圖是紙質(zhì)的，為了方便計(jì)算機(jī)處理和提供工作效率，先把地形圖進(jìn)行掃描，然后對掃描后的地形圖進(jìn)行分塊精糾正，改正地形圖的幾何畸變，生成數(shù)字柵格地圖（DRG），從DRG上選取控制點(diǎn)對影像進(jìn)行幾何糾正?？紤]到沿線山區(qū)比較多，地形起伏比較大，為了改正影像上由于地形起伏引起的投影差，在影像幾何糾正中需要采用DEM，在使用DEM數(shù)據(jù)前要對原始DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、拼接等處理。為了改正遙感影像的幾何畸變，并將其納入到指定的制圖坐標(biāo)系統(tǒng)中，需要對遙感影像進(jìn)行幾何糾正處理。為了顧及地形起伏的影響，對TM數(shù)據(jù)采用結(jié)合DEM信息的多項(xiàng)式糾正方案；IRS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，結(jié)合其成像特點(diǎn)，采用項(xiàng)目組研制的特殊方法進(jìn)行處理。

3.3 接邊

因?yàn)镮RS影像部分區(qū)域影像質(zhì)量較差。根據(jù)影像的實(shí)際質(zhì)量，在IRS影像接邊時(shí)作了接邊區(qū)的取舍，盡量選擇影像質(zhì)量較好的部分。

3.4 融合

為了綜合IRS衛(wèi)星影像高分辨率信息和TM影像豐富的光譜信息，我們采用影像融合技術(shù)進(jìn)行處理，獲取融合二者優(yōu)勢信息的高分辨率遙感圖像。

根據(jù)IRS衛(wèi)星圖像和TM圖像的特點(diǎn)，分別采用加權(quán)、彩色變換、主分量變換和邊緣增強(qiáng)等融合方法。比較4種融合結(jié)果，發(fā)現(xiàn)邊緣增強(qiáng)融合方法效果最佳，融合后的圖像目視效果最好，顏色保持得很好。

3.5 選線

經(jīng)過上述處理后的遙感影像不僅具有精確的幾何位置信息，而且還有豐富的地物表現(xiàn)信息，在此基礎(chǔ)上結(jié)合線路設(shè)計(jì)規(guī)范和要求，進(jìn)行線路設(shè)計(jì)。對線路經(jīng)過區(qū)域附近的地質(zhì)條件、地物和交叉跨越等進(jìn)行判斷、統(tǒng)計(jì)和分析，確定優(yōu)化的轉(zhuǎn)角點(diǎn)位置。本項(xiàng)目中為了充分利用遙感影像覆蓋面寬的特點(diǎn)，本著優(yōu)中選優(yōu)的思想，線路分為南北兩個(gè)方案，最終南方案18個(gè)轉(zhuǎn)角點(diǎn)，北方案20個(gè)轉(zhuǎn)角點(diǎn)。根據(jù)其他資料和初步野外踏勘結(jié)果，整個(gè)選線過程中先后進(jìn)行了3次大范圍的線路路徑優(yōu)化。圖2中黑線為第3次線路設(shè)計(jì)的南北兩個(gè)線路路徑方案圖，兩線路起點(diǎn)和終點(diǎn)重合。經(jīng)過實(shí)地勘測最終采用了北線路方案。（如圖2）

3.6 三維飛行模擬

把經(jīng)過處理的遙感影像和設(shè)計(jì)的線路圖疊加在相應(yīng)的DEM上，用3維的方式對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行模擬。沿著線路飛行，可以直觀、整體地感受到線路完成后的效果，對于線路的整體優(yōu)化有著重要的參考作用。通過沿線的3維飛行，設(shè)計(jì)者能夠形象具體地判斷路線設(shè)計(jì)合理性。電力線路3維飛行效果如圖3所示。

4 結(jié)論

現(xiàn)代遙感技術(shù)和影像處理技術(shù)的發(fā)展，大大拓寬了遙感技術(shù)應(yīng)用的范圍。本文提出的應(yīng)用高分辨率遙感影像進(jìn)行電力線路設(shè)計(jì)方案，在500 kV該變線路設(shè)計(jì)實(shí)踐中取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。同傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比大幅度節(jié)省了工程成本，效率也比傳統(tǒng)方式高得多，設(shè)計(jì)的線路也更為合理，優(yōu)化效果更好。

經(jīng)過處理的遙感影像光譜信息豐富，分辨率高，可以分辨出房屋、道路、河流、溝渠、池塘等大量信息，這樣進(jìn)行方案選擇就有了科學(xué)的依據(jù)。本工程根據(jù)影像優(yōu)化路徑，將原來在1∶50000地形圖中預(yù)先選擇的路徑作了較大改動(dòng)，避開新增房屋多處，預(yù)計(jì)比原方案減少拆遷30%。

信息現(xiàn)勢性是遙感影像重要的優(yōu)勢之一，符合地面實(shí)際情況的地理信息是我們作出正確、合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在線路設(shè)計(jì)時(shí)通過對線路經(jīng)過區(qū)域?qū)嶋H情況的正確掌握，可以對交叉跨越地物進(jìn)行合理的避讓，減少成本和不必要的損失。在本工程中利用衛(wèi)星影像判讀出路徑走向附近有一條長達(dá)幾十公里的白色、灰色條帶，根據(jù)搜集到的資料分析不是道路，可能是國家西氣東輸工程的管道，因此在選線時(shí)注意調(diào)整避讓，在初步設(shè)計(jì)踏勘時(shí)，現(xiàn)場利用手持式GPS測量檢查確認(rèn)是天然氣管道，經(jīng)過調(diào)整路徑成功避開。

上述分析和工程實(shí)踐表明，通過正確的方法和技術(shù)可以把遙感影像應(yīng)用于電力線路設(shè)計(jì)中，而且效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。隨著遙感技術(shù)和影像處理技術(shù)的發(fā)展，其優(yōu)勢會(huì)更加突出、明顯。

參考文獻(xiàn)

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