三維GIS輔助山區(qū)輸電線路貨運索道選線系統設計

李攀 李志斌 謝芳毅 尉濤 司海青

摘要：針對山區(qū)輸電線路工程建設中貨運索道規(guī)劃選線的需求，研究基于三維GIS軟件平臺設計組件式的索道選線系統，以高分辨率的遙感影像和高程數據為支撐，借助于計算機模擬的三維空間信息進行索道路徑選線，實現在三維場景下對輸電線路的信息查詢、索道規(guī)劃選線和管理以及索道專題圖制作。經過施工單位的應用后表明，系統具有良好的穩(wěn)定性、伸縮性和重用性，降低了索道選線的工作量和成本，能夠為山區(qū)輸電線路索道的規(guī)劃選線提供有力的幫助。

關鍵詞：三維GIS 山區(qū) 輸電線路 索道選線

中圖分類號：TM723 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

近年來，隨著我國電網建設工程的快速發(fā)展，輸電線路工程路徑走廊逐步向邊遠地區(qū)和山區(qū)覆蓋，山區(qū)輸電線路建設工程需要面臨高海拔、地勢險要、交通困難的問題，尤其是在西部地區(qū)還要經過無人山區(qū)，交通運輸及其不便，而輸電線路工程建設過程中的鐵塔、導線、基礎設施等物資重量很大，輸電線路材料運輸面臨困難，復雜的地形地決定了采用常規(guī)的人力運輸和汽車運輸難以達到目的。索道架設靈活方便，可以運送大量的物料，在地形地勢復雜的山區(qū)和人力畜力難以到達的地區(qū)，越來越多的采用索道運輸技術[1]，因此可以在道路與電網線路施工點之間搭建貨運索道以運輸物資。由于索道建設的規(guī)模要受到電網線路工程總體成本的控制，而且隨著環(huán)保意識的加強，索道建設要盡量減少對環(huán)境的破壞程度，需要綜合考慮索道建設成本和生態(tài)環(huán)境代價，以盡量低的成本實現貨運索道建設，而科學、合理的進行貨運索道規(guī)劃選線，對降低索道建設成本有很大的幫助。因此，研究如何準確、快速實現山區(qū)輸電線路貨運索道的規(guī)劃選線，具有重要的工程意義和社會價值。

目前，專門針對輸電線路建設工程中貨運索道規(guī)劃選線的研究并不多。建設單位要根據施工現場具體情況，依據索道設計原則選擇索道路徑和標準化的索道運輸方案[2]，可以進行現場勘測以了解局地的地形地貌，通過圖紙繪制實現索道路徑規(guī)劃，但實地勘測會受到現場環(huán)境條件的限制，成本高風險大，而且不便于進行索道數據統計管理。地理信息系統（Geographic Information System ，GIS）技術已經廣泛應用于輸電線路工程建設過程中[3-7]，而且在電網的運行管理[8]、電網安全巡檢[9]、數據管理[10]等方面都得到了應用，利用GIS技術可以為索道選線的實際操作提供輔助性決策[11]。三維GIS對客觀世界的表達更加真實，具有地理信息全面、可視化效果好等特點，為山區(qū)輸電線路工程的貨運索道規(guī)劃選線提供了理想的方式。

三維GIS是在計算機硬、軟件系統支持下，利用圖形圖像技術將遙感影像、高程等空間信息結合文字注記，為地理空間信息展示提供更加豐富、逼真的平臺，使人們將抽象難懂的空間信息可視化和直觀化，從而做出準確而快速的判斷。本文研究利用三維GIS技術，結合山區(qū)輸電線路工程貨運索道規(guī)劃選線的具體需求，建設一個可以準確、快速進行索道規(guī)劃選線的軟件系統，為輸電線路工程建設提供輔助服務。

1 業(yè)務需求分析

1.1 貨運索道規(guī)劃選線要求

在進行輸電線路的貨運索道規(guī)劃選線時，要充分考慮經濟、生態(tài)環(huán)境方面的成本，設計出的貨運索道既要滿足施工建設過程中物料運輸的需求，還要對周邊的生態(tài)環(huán)境破壞程度達到最低，同時經濟成本要控制在一定范圍內。因此，通過對各施工標段輸電線路附近的地形、地貌特征分析，根據所要運送物資的重量，選擇相應的索道類型和支架類型，進行索道路徑選線，并依據索道類型的單位造價，計算出各施工標段的貨運索道參考建設成本，為工程施工提供參考。

1.2功能需求分析

系統的基礎功能應包括：基礎地圖數據的三維可視化展示、三維飛行漫游瀏覽、三維空間測量、線路和桿塔信息的查詢和定位；系統的專業(yè)功能包括：索道選線繪制、索道數據統計管理、數據導入導出、索道專題圖繪制。由于索道的繪制是針對輸電線路的桿塔局部區(qū)域進行的，對基礎地理數據的精度和過程參數的計算準確度要求較高，因此需要有高效、完善的數據管理和統計分析體系。

2 軟件設計

2.1總體設計

由于本系統主要是面向輸電線路工程的各施工標段，為了保障系統具備良好的可移植性，能夠快速向各施工單位分發(fā)，系統總體構架采用客戶端+Access數據庫的單機結構模式。工程基本信息、索道參數數據存儲在本地數據庫中，工程影像、DEM數據、線路交叉跨越矢量數據采用瓦片金字塔的形式存放在軟件緩存目錄下，實現快速、靈活的單機運行。整個系統采用組件模式開發(fā)，每個功能模塊是一個獨立插件。系統總體框架圖如圖1所示。

2.2功能設計

系統針對輸電線路工程的三維可視化查詢與測量、線路桿塔信息的查詢統計、索道規(guī)劃設計、索道信息管理統計、專題圖制作等業(yè)務，建立一個便捷、穩(wěn)定的信息管理與專題業(yè)務規(guī)劃系統，為輸電線路工程施工單位提供專業(yè)化的貨運索道規(guī)劃選線業(yè)務運行系統。根據系統的功能結構可將索道規(guī)劃選線的專業(yè)功能分為以下3個模塊：

（1）工程信息管理。將線路桿塔按照從大到小的層級關系組成工程管控列表樹，用戶通過對列表樹的點擊操作，可以查看該施工標段的基礎信息和目標桿塔的設計參數，并通過雙擊節(jié)點實現標段和目標桿塔在三維場景中的快速定位。

（2）索道規(guī)劃選線。針對當前的施工標段，在三維環(huán)境下繪制出服務于線路桿塔施工的索道線路，索道需要有類型、服務桿塔號等參數信息，并通過三維計算獲取該條索道的所有拐點處的坐標和高程信息、索道沿線的海拔最值和沿線的坡度情況、索道總體水平距離等相關信息，并且可以對現有索道進行編輯操作。

（3）索道信息管理。對當前施工段所屬的索道信息按照列表樹的形式展示，通過對列表樹的操作進行索道刪除和參數信息查詢，能夠對索道進行分類統計，計算每種類型的條數和總長度，支持系統內外部索道數據的導入和導出，可以制作索道的專題圖。

3軟件實現及應用

3.1基礎地理數據準備

根據各個施工標段的線路覆蓋范圍，按照20公里的線路走廊寬度選擇分辨率為5米的衛(wèi)星影像和30米的DEM數據并處理成瓦片金字塔，然后將0.43米的航片和10米的DEM分別處理成瓦片金字塔，系統采用四叉樹索引讀取瓦片并在三維場景中疊加顯示。線路的交叉跨越矢量數據在ArcGIS中切割成瓦片，疊加在三維平臺的影像之上顯示。

3.2系統開發(fā)應用環(huán)境

系統采用微軟VS 2010開發(fā)平臺和C#語言進行組件式開發(fā)，工程信息用access數據庫存儲，利用三維Globe平臺進行數據加載展示和功能開發(fā)。工程信息數據庫、索道數據庫、基礎地理空間數據和三維模型存放在系統指定目錄下，系統直接訪問本地目錄讀取并加載數據。

3.3系統主要功能實現

3.3.1工程信息查詢

系統從工程信息數據庫中讀取線路標段及桿塔信息，按照線路-標段-桿塔的層級所屬關系形成列表樹，標段和桿塔級別的節(jié)點中隱含了該節(jié)點對應的坐標信息，桿塔節(jié)點具有右鍵菜單事件。用戶右鍵桿塔可以查看目標桿塔的設計參數，通過雙擊節(jié)點實現標段和桿塔在三維場景中的快速定位。

3.3.2索道選線

用戶可以在三維場景中對桿塔周邊的地形地貌進行識別分析，根據具體需求繪制不同類型的索道，繪制過程中可以通過暫停/繼續(xù)菜單控制繪制進程。繪制索道時首先在三維場景中生成臨時的索道線幾何圖形，并在后臺以坐標集合的形式臨時存儲索道的拐點坐標，在繪制完成并確認保存之后將索道拐點坐標存入Access數據庫中，系統再從數據庫中獲取索道拐點坐標，依次生成索道拐點序列。根據索道所屬類型設置線路顏色，根據索道支架類型選擇對應的拐點圖標，在三維場景中繪制出索道幾何圖形。

系統提供對區(qū)域內多條備選索道方案進行比對，選擇既能夠滿足物料運輸需求并且建設成本又相對較低的索道路徑作為最優(yōu)索道路徑。系統可以對現有索道數據進行刪除和編輯操作，通過鼠標在三維場景下選中索道進行拐點的增加、刪除、移動操作，實現索道的幾何特征編輯，并能夠實現索道上料點和下料點的調整。在索道的屬性界面中實現對該索道類型、服務桿塔等屬性信息的編輯，完成索道路徑的優(yōu)化，如圖3。

3.3.3索道信息管理

用戶可以將數據庫中以拐點坐標形式存在的索道數據與Excel文件和矢量shapefile文件進行互轉換，實現系統內外部數據的導入導出。索道數據按照列表樹形式展示，用戶可以在列表樹進行刪除、信息查詢和定位。系統對索道按照類型進行分類統計，分析每種索道類型的條數、總長度以及修筑成本。在索道參數界面可以查看索道的剖面圖、基本信息、索道沿線的坡度最值和海拔最值、索道長度等信息，并能夠查看和導出索道的分段信息。通過對已繪制索道的參數分析，審核該條索道的選線是否能夠滿足索道建設標準和物料運輸需求。針對某一區(qū)域的索道信息，以三維場景為底圖，索道數據為專題，制作索道專題圖。

4 結語

本系統基于單機模式的三維地理信息系統架構，建立輸電線路貨運索道規(guī)劃選線的三維設計系統，實現對索道的選線繪制、存儲和三維可視化管理、統計分析、專題圖制作。系統具備較高的可移植性，便于施工單位實地勘測與計算機輔助設計的同步進行，采用組件式開發(fā)，業(yè)務模塊可以與其他系統整合，系統功能具有良好的伸縮性和重用性，提高了系統的開放性。同時，充分利用三維數據的空間特性，提高了選線結果的準確性。

該系統下索道選線的準確度受制于所采用的DEM和影像分辨率，分辨率越高，索道選線的結果就越準確。同時，系統下一步需要結合輸電線路索道選線和施工應用的更深層次需求，針對輸電線路施工過程中的運輸需求，建立整條輸電線路工程的運輸管理查詢功能，為工程建設的運輸保障提供更豐富的工具。

參考文獻

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