電網(wǎng)工程三維數(shù)字化移交數(shù)據(jù)生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)流程研究

董躍周 王秀芳 彭玉培 甘運(yùn)良 易 路

（1、中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司，廣東 廣州510700 2、北京洛斯達(dá)數(shù)字遙感技術(shù)有限公司，北京100011）

隨著堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃的推進(jìn)，對(duì)電網(wǎng)工程信息化水平提出了更高的要求。電網(wǎng)工程建設(shè)是一個(gè)多階段、多專業(yè)、多參與方的過程，而三維數(shù)字化移交就是從全局進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，以數(shù)字化的方式貫穿電網(wǎng)工程建設(shè)的全過程，采集、處理在此過程中形成的各種工程信息、地理信息、數(shù)字化模型、文檔資料等數(shù)據(jù)成果，給業(yè)主移交一個(gè)圖屬一體且智能相關(guān)的全息電網(wǎng)工程信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)工程三維場(chǎng)景、三維模型的直觀展示和工程資料的綜合管理[1]。因此，數(shù)據(jù)是電網(wǎng)工程三維數(shù)字化移交工作的核心，對(duì)電網(wǎng)工程數(shù)字化移交工作中數(shù)據(jù)生產(chǎn)的主要內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)流程研究及梳理，構(gòu)建電網(wǎng)工程全生命周期數(shù)字化管理體系，可以提高工程數(shù)據(jù)利用率，節(jié)省海量數(shù)據(jù)建設(shè)投資成本，提高電網(wǎng)信息化及精益化管理水平，對(duì)建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)具有重要意義[2]。

1 數(shù)字化移交的基本流程

數(shù)字化移交工作以數(shù)據(jù)流和信息流為主線，以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范為保障，為電網(wǎng)工程建設(shè)和管理的全過程提供權(quán)威的數(shù)據(jù)源，貫穿于電網(wǎng)工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行等各個(gè)階段。電網(wǎng)工程三維數(shù)字化數(shù)據(jù)生產(chǎn)的實(shí)施過程主要分為三個(gè)，即數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)移交[2]。每個(gè)過程既相對(duì)獨(dú)立，又相互聯(lián)系，保持上下游的緊密關(guān)系。

為確保數(shù)據(jù)的完備性、一致性、唯一性和現(xiàn)勢(shì)性，在數(shù)據(jù)規(guī)整的過程中需要參照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后基于規(guī)范化的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化成果制作，形成最后的數(shù)字化移交成果。

2 三維數(shù)字化移交內(nèi)容

三維數(shù)字化的內(nèi)容包括工程信息、地理信息、數(shù)字化模型、空間位置和文檔資料。

工程信息主要包含工程在初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、竣工圖三個(gè)階段的概述信息和主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

地理信息包括數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型、基礎(chǔ)地理矢量數(shù)據(jù)、電網(wǎng)專題數(shù)據(jù)。其中基礎(chǔ)地理矢量數(shù)據(jù)按地理信息要素分類包括行政區(qū)劃、交通、居民地、河流、植被等；電網(wǎng)專題數(shù)據(jù)包括污穢區(qū)、氣象區(qū)、覆冰區(qū)、震區(qū)、舞動(dòng)區(qū)、雷害區(qū)、鳥害區(qū)、規(guī)劃區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景區(qū)、采動(dòng)影響區(qū)、林區(qū)、礦區(qū)、文物保護(hù)區(qū)、軍事禁區(qū)、電力線、通信線、管線等。

數(shù)字化模型包括電網(wǎng)設(shè)備設(shè)施模型及屬性和交叉跨越地物模型及屬性。設(shè)備設(shè)施屬性是設(shè)計(jì)階段形成的用于描述設(shè)備的基本信息和技術(shù)參數(shù)等。

空間位置指架空線路/變電工程的地理空間位置及相對(duì)空間關(guān)系信息。其中，架空線路設(shè)備設(shè)施空間位置信息包含線路桿塔坐標(biāo)、設(shè)備設(shè)施的相對(duì)坐標(biāo)及組合關(guān)系；組合關(guān)系描述桿塔、基礎(chǔ)、絕緣子串、導(dǎo)地線的空間連接關(guān)系；變電工程空間位置包含整站模型原點(diǎn)地理坐標(biāo)、模型相對(duì)正北方向的旋轉(zhuǎn)角度、進(jìn)出線掛點(diǎn)的相對(duì)位置及與線路各相位的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

文檔資料包括電網(wǎng)工程在初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、竣工圖階段產(chǎn)生的設(shè)計(jì)資料。

3 地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)流程

3.1 數(shù)據(jù)采集

表1 數(shù)據(jù)采集方式

數(shù)據(jù)采集是根據(jù)工程進(jìn)度，對(duì)初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、竣工圖各個(gè)階段的工程信息、地理信息、數(shù)字化模型、空間位置、文檔資料等主要信息依據(jù)數(shù)字化內(nèi)容進(jìn)行采集與收集，具體包括采集方式及要求，采集過程需遵循易提供、易入庫的原則。

數(shù)據(jù)采集在電網(wǎng)工程建設(shè)的過程中同步進(jìn)行，實(shí)時(shí)形成階段性數(shù)字化成果，數(shù)據(jù)采集方式如下表1 所示。

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是對(duì)不同來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，納入到統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無縫拼接與疊加，配置后切片緩存，提高加載效率。

3.2.1 數(shù)字正射影像

根據(jù)電網(wǎng)工程的特點(diǎn)和技術(shù)要求，結(jié)合1:2000 地形圖航空攝影測(cè)量技術(shù)方案生產(chǎn)測(cè)區(qū)所需的數(shù)字正射影像，最終提供全線地面分辨率優(yōu)于1m 的成果數(shù)據(jù)。

為保證移交數(shù)據(jù)成果在三維數(shù)字化移交平臺(tái)中的應(yīng)用，需對(duì)數(shù)字正射影像做預(yù)處理，包括七參數(shù)糾正、去邊、切片。

（1）七參數(shù)糾正

因工程勘測(cè)常采用工程投影坐標(biāo)系，而移交成果平臺(tái)多為三維GIS 平臺(tái)，采用WGS 84 地理坐標(biāo)系，為保證移交成果的后續(xù)應(yīng)用，需進(jìn)行七參數(shù)糾正，其主要步驟為：首先由控制點(diǎn)計(jì)算七參數(shù)，用ArcGIS 創(chuàng)建自定義地理坐標(biāo)變換，然后執(zhí)行“投影柵格”即可。

若采集的數(shù)據(jù)為WGS84 地理坐標(biāo)系，則無需進(jìn)行該步驟。

（2）去邊

影像去邊的目的是將邊緣無效數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理成Nodata，保證航帶正確無縫拼接。

邊緣無效數(shù)據(jù)的情況包括：邊緣有雜色、白色、黑色，處理的原理是通過影像重分類，形成二值化的柵格數(shù)據(jù)，快速提取包含有效數(shù)據(jù)的面狀要素，對(duì)七參數(shù)糾正后的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪。具體流程如圖1 所示。

圖1 影像去邊處理流程

（3）切片

切片目的是使用緩存機(jī)制以提高地圖訪問速度。原理是將地圖設(shè)定為多個(gè)比例尺，對(duì)于每個(gè)比例尺提前將地圖分成若干小圖片，存儲(chǔ)在服務(wù)器上，訪問時(shí)直接獲取需要的小圖片拼接成地圖，而不是由服務(wù)器動(dòng)態(tài)創(chuàng)建出一幅圖片來送到客戶端，極大程度的提高了訪問速度。

切片軟件可采用ArcGIS Server，為保證同一坐標(biāo)系下的切片地圖完全疊加，需確定切圖的起點(diǎn)、圖片寬度、高度，根據(jù)影像分辨率設(shè)置統(tǒng)一的切圖比例尺級(jí)別或像素級(jí)別；為提高處理效率及成功率，影像較多時(shí)需采用鑲嵌數(shù)據(jù)集，實(shí)例數(shù)按照計(jì)算機(jī)性能進(jìn)行設(shè)置，切片前分析的錯(cuò)誤及高級(jí)警告必須處理。

3.2.2 數(shù)字高程模型

數(shù)字高程模型同樣按照電網(wǎng)工程的技術(shù)要求，結(jié)合1:2000地形圖航空攝影測(cè)量技術(shù)方案進(jìn)行生產(chǎn)，最終提供相應(yīng)精度的成果數(shù)據(jù)。三維數(shù)字化移交平臺(tái)中的高程數(shù)據(jù)一般為處理后的切片格式。為保證在三維數(shù)字化移交平臺(tái)中DEM邊緣的展示效果，避免出現(xiàn)高程突變，需去除邊緣無效數(shù)據(jù)后，進(jìn)行七參數(shù)糾正、切片。去邊的方式采用Global Mapper 或ArcMap 均可，繪制一個(gè)只包含有效數(shù)據(jù)的范圍后，按照范圍進(jìn)行提?。ㄈ鐖D2 所示）。七參數(shù)糾正操作方式與數(shù)字正射影像相同。切片工具根據(jù)采用的三維數(shù)字化移交平臺(tái)所使用的數(shù)據(jù)格式選擇，根據(jù)影像分辨率，確定切片層數(shù)、0 層瓦片大小。

圖2 DEM 有效數(shù)據(jù)范圍

3.2.3 重要交叉跨越

重要交叉跨越是電網(wǎng)工程在設(shè)計(jì)、施工各個(gè)階段關(guān)注的重點(diǎn)，數(shù)據(jù)來源于平斷面圖中各要素信息的提取，主要包括道路、水系、電力線、通訊線、房屋、重要獨(dú)立地物等。

全線平斷面圖信息量較大，尤其是高電壓等級(jí)線路較長(zhǎng)的工程，如何從大數(shù)據(jù)量的平斷面圖中快速提取重要交叉跨越地物，成為提高數(shù)據(jù)處理效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

線路平斷面圖由線路沿線（線路中心線向兩側(cè)擴(kuò)展一定距離）的平面圖和縱斷面圖組合成，是線路測(cè)量人員的測(cè)量結(jié)果，按照一定比例，將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的有關(guān)數(shù)據(jù)描繪出來。其主要內(nèi)容包括：線路里程、桿塔呼稱高、桿塔所處位置的高程、桿塔檔距、線路耐張段長(zhǎng)度、檔距弛度模板曲線、被跨物的高度、形狀及距離某桿塔的距離、線路轉(zhuǎn)角方向和轉(zhuǎn)角度數(shù)等。其特點(diǎn)是以里程數(shù)表示各要素在線路中的位置，需快速還原為以經(jīng)緯度或橫縱坐標(biāo)表示的實(shí)際的地理位置，即拉直后的線路還原成有拐角的實(shí)際走向的線路。

目前大多數(shù)平斷面圖為道亨SLCAD 軟件ORG 數(shù)據(jù)格式或北京洛斯達(dá)公司基于JX4 下開發(fā)的TL 系統(tǒng)的MAP 格式，提取要素還原為真實(shí)地理坐標(biāo)的原理均為根據(jù)桿塔轉(zhuǎn)角坐標(biāo)、七參數(shù)進(jìn)行位置反算，根據(jù)編碼進(jìn)行要素分類。

解析后的數(shù)據(jù)為CAD 格式，可在ArcMap 中直接加載，或轉(zhuǎn)換為ArcGIS 的GDB 或SHP 格式后，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行適當(dāng)編輯，符號(hào)化，切片，將交叉跨越要素疊加在影像上形象展示，如下圖3 所示。

圖3 重要交叉跨越數(shù)字化

3.2.4 電網(wǎng)專題數(shù)據(jù)

電網(wǎng)專題數(shù)據(jù)多為復(fù)雜的點(diǎn)、線、面矢量數(shù)據(jù)集格式，為提高在三維數(shù)字化移交平臺(tái)中加載效率，增加美觀度，可在ArcMap 中配圖后切片；若專題數(shù)據(jù)為柵格圖片，則需在ArcMap中參照航片、衛(wèi)片或道路水系等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，選取同名點(diǎn)對(duì)進(jìn)行配準(zhǔn)，將圖片數(shù)據(jù)糾正到正確的空間位置后進(jìn)行數(shù)字化、符號(hào)化、切片，完成整個(gè)流程。

圖4 電網(wǎng)專題數(shù)據(jù)數(shù)字化

3.3 數(shù)據(jù)移交

將采集和整理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行移交，移交的對(duì)象為使用單位或管理單位，移交載體通常為三維數(shù)字化移交平臺(tái)。

使用單位是數(shù)字化移交成果的直接使用者，在不同階段有不同的使用者。如在施工階段，數(shù)字化移交成果為設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的成果，使用者為工程建設(shè)單位，因此需將數(shù)字化成果移交給建設(shè)單位; 而在運(yùn)行階段，數(shù)字化移交成果為施工階段產(chǎn)生的成果，包括施工過程中的數(shù)字化施工過程信息和三維建模成果等，使用者為工程運(yùn)維單位，因此需將之前的數(shù)字化成果移交給運(yùn)維單位；管理單位是數(shù)字化移交成果的管理者，它不針對(duì)某一具體階段，而是一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)管理組織，對(duì)數(shù)字化成果進(jìn)行整體管理和維護(hù)[2]。從數(shù)字化移交的過程可以看出，數(shù)字化移交工作的內(nèi)容除了進(jìn)行具體的數(shù)據(jù)采集、整理和移交以外，還應(yīng)做到規(guī)范先行，即制定規(guī)范化的移交流程、標(biāo)準(zhǔn)化的移交內(nèi)容和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)約，確保移交過程有標(biāo)準(zhǔn)可依[5-6]。

移交過程中提供操作手冊(cè)、對(duì)其進(jìn)行操作培訓(xùn)并提供技術(shù)咨詢，直至客戶完全掌握數(shù)據(jù)及平臺(tái)的維護(hù)和操作，整個(gè)移交過程才算真正完成。

4 總結(jié)與展望

三維數(shù)字化移交工作收集了大量項(xiàng)目基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與資料，并且整理整合了這些數(shù)據(jù)，同步制訂了相關(guān)的流程、規(guī)范，有利于將各類數(shù)據(jù)有效的關(guān)聯(lián)起來，進(jìn)行高效率的統(tǒng)一管理和利用，大大減少了數(shù)據(jù)重復(fù)建設(shè)的成本。

三維數(shù)字化平臺(tái)具有直觀、智能、便捷等特點(diǎn)，在電網(wǎng)工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維的整個(gè)生命周期中，可提供全方位的服務(wù)和管理工作，具有較強(qiáng)的可追溯性和可拓展性，作為后期運(yùn)維的重要數(shù)據(jù)資本必將發(fā)揮重要的管理效益。

相對(duì)于傳統(tǒng)紙質(zhì)檔案的移交模式，三維數(shù)字化移交模式是管理手段和設(shè)計(jì)手段的革新，將更廣泛的為廣大業(yè)主單位和設(shè)計(jì)單位接受，電力行業(yè)各單位在生產(chǎn)實(shí)踐中采用越來越多的數(shù)字化手段來輔助生產(chǎn)，但是隨著信息化的深入，信息孤島效應(yīng)和數(shù)據(jù)重復(fù)建設(shè)的情況也越來越明顯。數(shù)字化移交工作創(chuàng)新了移交工作模式，以標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范為保障，促進(jìn)信息資源的高效流通和共享，能夠在一定程度上解決上述問題。推廣三維數(shù)字化移交技術(shù)是未來的趨勢(shì)，而配套的高效數(shù)據(jù)處理技術(shù)手段、三維數(shù)字化移交標(biāo)準(zhǔn)及流程規(guī)范，則是整個(gè)移交工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是后續(xù)數(shù)字化移交推廣中亟待解決的問題。