基于航測(cè)技術(shù)的線路三維實(shí)景設(shè)計(jì)平臺(tái)研究

余婧峰 尹磊

摘 要：本文闡述了三維實(shí)景架空輸電線路設(shè)計(jì)平臺(tái)在優(yōu)化輸電線路設(shè)計(jì)中的具體技術(shù)流程。通過(guò)空三加密技術(shù)恢復(fù)三維實(shí)景立體模型，在實(shí)景模式下開(kāi)展線路的初期大方案比選、后期優(yōu)化排塔，對(duì)整體線路設(shè)計(jì)起到的優(yōu)化作用。此實(shí)景線路設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了塔桿平斷面與線路路徑圖地聯(lián)動(dòng)修改，達(dá)到工期縮短、人工成本降低，最終提升設(shè)計(jì)的整體質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：三維實(shí)景 攝影測(cè)量技術(shù) 路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：P231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）02（a）-0077-03

隨著全數(shù)字航測(cè)技術(shù)在電力行業(yè)應(yīng)用中的不斷深入，基于航測(cè)技術(shù)展開(kāi)的各項(xiàng)電力設(shè)計(jì)優(yōu)化方案正在逐步被普及，架空輸電線路優(yōu)化選線設(shè)計(jì)便是其一。以航空、航天攝影測(cè)量技術(shù)為支撐，在實(shí)景三維模式下比選出輸電線路的優(yōu)化路徑方案，準(zhǔn)確反映出線路設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的房屋、公路、水系等地表信息，最終實(shí)現(xiàn)精確架空輸電線路平斷面地形的獲取及電力塔桿的合理排位。此項(xiàng)研究的開(kāi)展能極大地削減了傳統(tǒng)線路外業(yè)勘測(cè)作業(yè)的工作量，并將以往難以實(shí)現(xiàn)的線路多方案比選在真實(shí)的三維環(huán)境下變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)?？傮w而言，此研究能提升線路勘測(cè)設(shè)計(jì)的總體質(zhì)量，縮短勘測(cè)設(shè)計(jì)的周期，減輕外業(yè)工作的工作強(qiáng)度，從而降低工程的整體造價(jià)。

1 全數(shù)字航測(cè)三維實(shí)景優(yōu)化選線技術(shù)簡(jiǎn)介

全數(shù)字化航空攝影測(cè)量系統(tǒng)是借助衛(wèi)星、飛機(jī)、GPS（全球定位系統(tǒng)）等高新測(cè)繪手段，通過(guò)專業(yè)的航測(cè)數(shù)據(jù)處理工作站系統(tǒng)，將多源影像資料（如航片、衛(wèi)片、遙感片等）生產(chǎn)為二維平面數(shù)字化產(chǎn)品或三維數(shù)字化立體模型等多種衍生數(shù)字化產(chǎn)品。

三維實(shí)景優(yōu)化選線技術(shù)最早來(lái)源于美國(guó)軍方海拉瓦（HALAVA）系統(tǒng)[1]。此優(yōu)化選線設(shè)計(jì)方式能輔助線路工程的勘測(cè)設(shè)計(jì)，不僅能做到線（路徑）位（塔位）結(jié)合，使路徑方案得到優(yōu)化，達(dá)到塔桿的優(yōu)化排位和方案的比選，進(jìn)而形成有足夠深度的施工圖資料及概算資料，為提高工程質(zhì)量，降低工程投資、縮短工程建設(shè)周期提供了技術(shù)支持。該技術(shù)的應(yīng)用，可全面實(shí)現(xiàn)勘測(cè)設(shè)計(jì)一體化，達(dá)到輸電線路設(shè)計(jì)的安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、資源節(jié)約、環(huán)境友好。

2 三維實(shí)景輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

三維實(shí)景架空線路優(yōu)化設(shè)計(jì)研究是在數(shù)字航測(cè)技術(shù)構(gòu)建的三維立體地表模型基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。參與設(shè)計(jì)的各專業(yè)人員在真實(shí)三維環(huán)境下開(kāi)展線路設(shè)計(jì)，能夠直觀、準(zhǔn)確地觀看到當(dāng)前地表的真實(shí)信息，使路徑方案建立在“全局化、立體三維化、數(shù)字化”的決策基礎(chǔ)上，得到設(shè)計(jì)優(yōu)化、路徑合理的架空線路設(shè)計(jì)方案。具體而言，整個(gè)實(shí)景線路設(shè)計(jì)平臺(tái)分為三維立體模型構(gòu)建-線路方案優(yōu)化設(shè)計(jì)-成果校驗(yàn)提交三個(gè)大板塊（見(jiàn)圖1）。

2.1 三維立體模型構(gòu)建

（1）收集航飛數(shù)據(jù)。

按照線路設(shè)計(jì)可研及初步設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)依據(jù)，在1∶50000地形圖上布設(shè)出線路的航飛航帶，依據(jù)地形圖中標(biāo)注出航帶中心線起止經(jīng)緯度。依照1∶10000比例尺沿線路路徑走向進(jìn)行帶狀航空攝影，航片帶寬在2～3 km范圍間。

（2）像控點(diǎn)布設(shè)及外業(yè)調(diào)繪。

一般情況下，像控點(diǎn)的布設(shè)原則為每景影像4～9個(gè)點(diǎn)。當(dāng)采用沿路徑兩側(cè)方法時(shí)，每景影像不少于6個(gè)點(diǎn)。像控點(diǎn)布設(shè)需均勻，相鄰的點(diǎn)間距以1.5 km為宜，并且相鄰航帶間不得少于兩個(gè)公共像控點(diǎn)。

（3）空三加密及三維立體模型構(gòu)建。

結(jié)合航拍公司提供的航空相機(jī)信息，專業(yè)技術(shù)人員采用裸眼3D的觀測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)外業(yè)像控點(diǎn)坐標(biāo)信息向航空影像上的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)點(diǎn)，從而得到構(gòu)建三維立體實(shí)景模型所須的內(nèi)方位三參數(shù)、外方位七參數(shù)。隨后，在全數(shù)字航測(cè)工作站系統(tǒng)上構(gòu)建航帶測(cè)區(qū)、添加航帶間的連接點(diǎn)，引入空三加密內(nèi)外方位信息，將所有航空影像恢復(fù)到在地球地理空間中的真實(shí)坐標(biāo)方位[2]。最終，進(jìn)行影像間的相對(duì)定向與絕對(duì)定向，創(chuàng)建出地理坐標(biāo)真實(shí)的三維實(shí)景立體模型?？杖用苁疽鈭D見(jiàn)圖2。

2.2 架空線路方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）初期路徑方案三維實(shí)景比選。

在科研及設(shè)計(jì)的初期階段，線路、電氣、地質(zhì)專業(yè)三方人員與航測(cè)專業(yè)人員相配合下，在全數(shù)字航測(cè)工作站上進(jìn)行路徑大方案的三維實(shí)景比選。選線時(shí)，勘測(cè)設(shè)計(jì)人員戴上專業(yè)的三維立體眼鏡，可以在全數(shù)字航測(cè)工作站屏幕上看到真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)立體模型，視野范圍廣闊。實(shí)景立體模型不僅可以顯示出地面上任意點(diǎn)的真實(shí)地理坐標(biāo)、高程值，還能獲取點(diǎn)與點(diǎn)之間的真實(shí)距離、坎與坎之間的相對(duì)高差等實(shí)地信息。選線過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員通過(guò)觀察線路沿線的實(shí)地狀況，按照路徑長(zhǎng)短、地質(zhì)情況穩(wěn)定、跨越點(diǎn)最佳、交通方便四大因素，結(jié)合收資和協(xié)議情況，合理地避讓線路設(shè)計(jì)沿線的城鄉(xiāng)開(kāi)發(fā)區(qū)、自然風(fēng)景保護(hù)區(qū)，采礦場(chǎng)以及軍事和民用重要設(shè)施（如飛機(jī)場(chǎng)、導(dǎo)航臺(tái)、無(wú)線電發(fā)射臺(tái)[3]。最終，各專業(yè)人員結(jié)合多方面綜合因素，在三維實(shí)景環(huán)境下比選出最為優(yōu)化的初期輸電線路路徑大方案。初期路徑大方案比選示意圖詳見(jiàn)圖3。

此外，專業(yè)人員還可以通過(guò)全數(shù)字航測(cè)工作站對(duì)立體模型進(jìn)行高程值內(nèi)插運(yùn)算處理，從而快速地得到一個(gè)航帶范圍內(nèi)的大場(chǎng)景數(shù)字地表概略模型。導(dǎo)入路徑大方案所確定的轉(zhuǎn)角塔坐標(biāo)信息，全數(shù)字航測(cè)工作站能夠自動(dòng)從大場(chǎng)景地表模型中提取出線路沿線的概略地形斷面圖。此概略斷面圖能夠大致地顯示出設(shè)計(jì)線路沿線地形地貌的整體走向，為送電線路的電線選擇、桿塔規(guī)劃和工程概算提供基礎(chǔ)資料。電氣專業(yè)人員在此概略斷面圖上進(jìn)行預(yù)排塔，可以提供出符合實(shí)際情況的材料量和工程量，為工程決策和招投標(biāo)服務(wù)創(chuàng)造有利的技術(shù)條件。

（2）全數(shù)字航測(cè)系統(tǒng)精化平斷面測(cè)繪。

此項(xiàng)工作由航測(cè)專業(yè)人員佩戴專業(yè)立體觀測(cè)眼鏡在全數(shù)字航測(cè)工作站上完成。通過(guò)中期的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，線路人員將精確的轉(zhuǎn)角塔坐標(biāo)信息反饋給航測(cè)內(nèi)業(yè)作業(yè)員。航測(cè)人員利用手輪、腳盤(pán)等外部測(cè)圖設(shè)備，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)勘獲取的轉(zhuǎn)角塔坐標(biāo)信息，在三維實(shí)景立體模型上精確地提取出線路中線、左右邊線、風(fēng)偏線所在位置的精確地形信息及高程數(shù)據(jù)。線路平斷面立體測(cè)量實(shí)景圖見(jiàn)圖4。

平斷面地形圖的測(cè)繪，大大減少了人工的野外勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也盡可能地降低了線路行進(jìn)方向上植被的砍伐[4]。此地形剖面數(shù)據(jù)交接于電氣專業(yè)人員后，可用于線路定線時(shí)的準(zhǔn)確塔桿排位。在提取斷面信息的同時(shí)，航測(cè)人員會(huì)相應(yīng)地勾畫(huà)出線路范圍內(nèi)所涉及的河流水系、房屋城鎮(zhèn)、農(nóng)田林場(chǎng)等地物要素，便于進(jìn)行進(jìn)一步更為合理的局部改線調(diào)整，使得線路的走向盡可能地回避村莊、規(guī)劃區(qū)、采石場(chǎng)、自然保護(hù)區(qū)等重點(diǎn)地物類型，減少線路沿線房屋拆遷轉(zhuǎn)移的工作量，有效地保護(hù)線路沿線的生態(tài)環(huán)境。

（3）基于精化平斷面地形數(shù)據(jù)的塔桿排位。

在完成了線路精化平斷面地形數(shù)據(jù)的量測(cè)后，航測(cè)人員會(huì)將成果數(shù)據(jù)與電氣、線路專業(yè)人員進(jìn)行交接。電氣、線路專業(yè)人員獲取此精化路徑平斷面數(shù)據(jù)后，可以在其上進(jìn)行電力桿塔的優(yōu)化排位，使桿塔的布設(shè)位置更加經(jīng)濟(jì)、更加合理。依據(jù)此精化平斷面地形數(shù)據(jù)，線路設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行塔桿排位時(shí)就更為準(zhǔn)確直觀、有理可循。結(jié)合前一步獲取的線路沿線地物要素信息（房屋、公路、自然保護(hù)區(qū)等），線路設(shè)計(jì)人員能夠?qū)ρ鼐€的微地形、微氣候、相對(duì)高差進(jìn)行判斷，準(zhǔn)確獲取線路至沿線房屋的距離、交叉跨越角度等信息，合理劃分冰區(qū)，最終在較大范圍內(nèi)達(dá)到電力塔桿布設(shè)方案的優(yōu)選，做到“瞻前顧后、左顧右盼”，從而達(dá)到“線（路徑）中有位（塔位）、以位正線”的線路設(shè)計(jì)原則[5]。塔桿優(yōu)化排位示意圖詳見(jiàn)圖5。

（4）線路全線三維實(shí)景漫游。

通過(guò)全數(shù)字航測(cè)工作站對(duì)三維實(shí)景立體模型進(jìn)一步編輯，能夠得到每一景立體模型的衍生數(shù)字化成果產(chǎn)品：數(shù)字高程地表模型（DEM）、數(shù)字正攝影像（DOM）。航測(cè)人員將每一景立體模型的數(shù)字高程地表模型、數(shù)字正攝影像進(jìn)行分幅拼接，獲得架空輸電線路全線的大場(chǎng)景數(shù)字高程地表模型、數(shù)字正攝影像圖數(shù)據(jù)。將二者配準(zhǔn)、疊加，最終創(chuàng)建線路全線大場(chǎng)景立體實(shí)景模型。三維漫游模型實(shí)景圖詳見(jiàn)圖6。

基于全數(shù)字航測(cè)工作站的三維線路實(shí)景漫游平臺(tái)，將大場(chǎng)景立體模型于線路全線坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊合，產(chǎn)生三維實(shí)景架空線路漫游模型。在三維實(shí)景架空線路漫游模型中，線路上的各個(gè)鐵塔被建模，以實(shí)物的形象架設(shè)在大場(chǎng)景地理模型上。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)調(diào)整視線角度、視角高度等參數(shù)，360°地觀看每個(gè)鐵搭在三維實(shí)景環(huán)境中的真實(shí)架設(shè)情況。此外，三維線路實(shí)景漫游平臺(tái)提供線路實(shí)景漫游功能。通過(guò)設(shè)置漫游的飛行高度和相機(jī)視線角度，漫游平臺(tái)會(huì)自動(dòng)按線路路徑逐塔位的漫游飛行，使線路設(shè)計(jì)人員對(duì)全線路的塔桿整體排位、架設(shè)情況進(jìn)行一次可視化、近距離的實(shí)景觀看。三維實(shí)景漫游功能將線路設(shè)計(jì)成果由二維的平面圖紙變?yōu)榱巳S的實(shí)景觀看，使得設(shè)計(jì)成果更為直觀具體。設(shè)計(jì)人員結(jié)合三維漫游中的實(shí)景觀看情況，可以對(duì)線路的最終設(shè)計(jì)成果進(jìn)行整體的感知。如遇到與設(shè)計(jì)初衷不一致的塔桿塔位，可以進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)部改線微調(diào)。

3 成果校驗(yàn)及產(chǎn)品提交

通過(guò)采用三維實(shí)景架空線路優(yōu)化選線平臺(tái)，全階段能夠獲得的數(shù)字化成果產(chǎn)品如下：

（1）三維實(shí)景立體模型及數(shù)字化地表模型；（2）航空影像路徑方案圖；（3）1∶5000、1∶10000正攝影像線路路徑圖；（4）優(yōu)化路徑平面圖及轉(zhuǎn)角塔基三維坐標(biāo)；（5）線路精化平斷面圖；（6）房屋分布圖、跨越房屋統(tǒng)計(jì)表及房屋航空影像截圖；（7）線路沿線大場(chǎng)景立體實(shí)景模型；（8）三維實(shí)景架空線路漫游模型。

4 結(jié)論

應(yīng)用三維實(shí)景架空線路設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行線路的全周期設(shè)計(jì)，能輔助架空輸電線路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究的具體效益如下：

（1）合理縮短路徑全線長(zhǎng)度，配合優(yōu)化排位，可減少桿塔的使用數(shù)量，進(jìn)而減少鋼材量，降低工程的整體投資。

（2）線路勘測(cè)設(shè)計(jì)模式由室內(nèi)全數(shù)字航測(cè)工作站替代了傳統(tǒng)的室外實(shí)地選線，降低了勘測(cè)設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。通過(guò)路徑的三維實(shí)景比選，路徑方案切實(shí)可行，達(dá)到縮短工期、提高工效的目的。

（3）選擇路徑時(shí)能夠直接觀察到線路沿線的真實(shí)地形及森林覆蓋情況，采取必要的跨域、避讓方案，減少了林木的砍伐，有效地保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。有效地避讓房屋，減少了房屋的拆遷量。

（4）成果資料可為數(shù)字化線路提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也可為線路后續(xù)的施工改造及運(yùn)行維護(hù)（如，冰區(qū)改造、故障搶修等提供快捷的服務(wù)）。

綜上所述，全數(shù)字化航空攝影測(cè)量系統(tǒng)是對(duì)航天攝影、GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等多種現(xiàn)代化新興測(cè)繪手段的高度集成，形成了一套適用于輸電線路設(shè)計(jì)的完整生產(chǎn)作業(yè)流程，在線路設(shè)計(jì)路徑優(yōu)化、精化平斷面測(cè)繪等方面較之傳統(tǒng)的勘測(cè)手段有顯著提高。這一技術(shù)在電力設(shè)計(jì)行業(yè)內(nèi)的逐漸普及，將徹底解決傳統(tǒng)線路勘測(cè)中常見(jiàn)的資料時(shí)效性過(guò)差、測(cè)量作業(yè)工期漫長(zhǎng)、大跨越高海拔地區(qū)數(shù)據(jù)采集困難、線路沿線環(huán)境保護(hù)不力等問(wèn)題，對(duì)提高勘測(cè)設(shè)計(jì)質(zhì)量，最終達(dá)到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、資源節(jié)約型、環(huán)境友好型電力工程，具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

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