無人機航測數(shù)據(jù)在架空輸電線路三維設(shè)計中的應用

呂嚴兵，方毛林

( 國網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，安徽 合肥 230022)

0 引言

近年來，國家電網(wǎng)有限公司(以下簡稱“國網(wǎng)公司”)高度重視三維設(shè)計和應用，大力推行輸變電工程三維設(shè)計，開展了很多相關(guān)研究和試點工作。為落實“數(shù)字國網(wǎng)”的建設(shè)總體要求，構(gòu)建全業(yè)務數(shù)據(jù)鏈，提升輸變電工程整體設(shè)計質(zhì)量，國網(wǎng)公司相繼印發(fā)了多項關(guān)于三維設(shè)計指導文件，以及多項企業(yè)三維設(shè)計系列標準。2018 年國網(wǎng)公司基建部下發(fā)的《輸變電工程三維設(shè)計初設(shè)評審大綱》文件中，明確提出新建35 kV 及以上輸變電工程需要全面應用三維設(shè)計。

三維設(shè)計需要以高精度數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)、數(shù)字正射影像圖(digital orthophoto map，DOM)等航測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。目前無人機航測技術(shù)在電力勘測方面應用比較廣泛，技術(shù)相對成熟，可以獲取較高精度的DEM、DOM 等航測數(shù)據(jù)[2]，從而提高工程設(shè)計質(zhì)量，滿足三維設(shè)計需求。

1 架空輸電線路三維設(shè)計概述

三維設(shè)計技術(shù)以大型數(shù)據(jù)庫為核心，以高精度影像數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、電網(wǎng)專題數(shù)據(jù)、工程勘測數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ)[4]，以三維精細化模型為依托，利用航測技術(shù)、三維可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和信息集成技術(shù)，結(jié)合地理信息和工程信息，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，以三維數(shù)字化的形式，整合輸電線路走廊的地形地貌信息和建設(shè)過程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)輸電線路設(shè)計的數(shù)字化、三維可視化以及設(shè)計成品的數(shù)字化管理，同時支持與各專業(yè)設(shè)計間的無縫銜接[5]。

2 無人機航測數(shù)據(jù)精度分析

影響無人機航測數(shù)據(jù)精度的誤差可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差，系統(tǒng)誤差來源主要包括無人機平臺本身及飛行控制技術(shù)[6]、數(shù)碼相機分辨率、大氣因素等，偶然誤差主要因素包括相片重疊率、像控點的數(shù)量及測量精度、后處理軟件成圖精度等[7]。本文通過使用高分辨率數(shù)碼相機、提高相機畸變參數(shù)的精度、按照一定比例尺設(shè)計相片重疊率與航高、布設(shè)數(shù)量足夠且分布均勻的像控點等方法進行質(zhì)量控制， 分別選取山區(qū)和平原地區(qū)作為實驗區(qū)，利用無人機航測數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果如表1 所示。

表1 航測數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比

從表1 數(shù)據(jù)對比中可以看出：①對于山區(qū)，無人機航測數(shù)據(jù)平面坐標誤差較小，但高程誤差較大，因此DEM 數(shù)據(jù)不宜直接用于三維設(shè)計，但可以利用DOM 數(shù)據(jù)在三維設(shè)計軟件中進行選線、路徑優(yōu)化等操作；②對于平原地區(qū)，無人機航測數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)平面坐標校差在10 cm以內(nèi)，高程校差在15 cm 以內(nèi)，可以滿足前期輸電線路工程三維設(shè)計要求。

3 航測數(shù)據(jù)在三維設(shè)計中的應用

利用無人機航測數(shù)據(jù)在架空輸電線路三維設(shè)計中的應用，主要表現(xiàn)在以下幾點。

3.1 選線及路徑優(yōu)化

依據(jù)高分辨率DOM 數(shù)據(jù)和DEM 數(shù)據(jù)，可以直接在三維設(shè)計軟件中利用新建路徑工具進行路徑方案設(shè)計，也可以利用導入路徑kml 工具，對事先生成的路徑進行方案優(yōu)化調(diào)整。通過二、三維視圖同步顯示，可以查看路徑方案斷面走勢，有效避開線路敏感點，達到路徑優(yōu)化效果。

3.2 繪制初步平斷面圖

利用三維設(shè)計軟件中的添加地物工具，結(jié)合無人機航測數(shù)據(jù)，進行繪制初步平斷面圖，主要繪制以下幾種地物。

1)道路及水系

從高分辨率DOM 數(shù)據(jù)中可以清晰判斷各種類型的道路及水系，其中能識別出的道路主要有鐵路、高速公路、水泥路、土路等，能識別的水系主要有河流、溝渠、湖泊、水塘等。在三維設(shè)計軟件中使用添加地物工具，對道路及水系邊界進行數(shù)字化，并賦予相應等級、名稱等屬性。

第一件事是嚴濟慈每年都給熊家送來一袋小蘋果，據(jù)說是1960年那次送蘋果受到師母表揚以后養(yǎng)成的習慣。然而師母表揚是在三年困難時期的大背景下，并非師母嗜好小蘋果。一番心意熊老夫人不好拒絕，而這樣的蘋果又實在不好吃，于是就把它們曬干。她喜歡做干花，將曬干的蘋果和干花放在一起，用來做裝飾，倒顯得別有情調(diào)。

2)房屋及林木范圍

結(jié)合無人機航測數(shù)據(jù)成果，不僅可以準確繪制房屋的平面位置，還能夠通過房屋周邊DEM 高程差值，獲取房屋的高度，從而判斷出房屋的層數(shù)。結(jié)合DOM 數(shù)據(jù)還可以準確繪制林木邊界范圍，外業(yè)通過調(diào)繪核實樹種類型與生長密度，在平斷面圖中注記自然生長高度。

3)交叉跨越

對于110 kV 及以上的架空輸電線路可以從高分辨率正射影像中清晰判斷，通過連接塔基中心點繪制線路平面走向，外業(yè)使用全站儀進行線高測量，內(nèi)業(yè)從三維設(shè)計軟件中使用極坐標法注記交叉跨越處線高數(shù)據(jù)。對于110 kV及以下的架空線路、通訊線、地下光纜等不易從正射影像中判別的，需要導入工程勘測數(shù)據(jù)，注記跨越處高度，在三維設(shè)計軟件中數(shù)字化建模。

4)風偏斷面

利用高精度DEM 數(shù)據(jù)對路徑優(yōu)化后的線路方案進行提取中心斷面點、風偏點等高程數(shù)據(jù)，生成風偏斷面圖。三維設(shè)計軟件中利用風偏校核工具，對全線風偏斷面進行自動搜索、校核，外業(yè)只需要核實對地距離或風偏距離較近的區(qū)域，可大大提高外業(yè)勘測效率及設(shè)計質(zhì)量。

3.3 前期工程量估算

利用前期繪制的初步平斷面圖，結(jié)合外業(yè)調(diào)繪及實測數(shù)據(jù)，在三維設(shè)計軟件中通過設(shè)置房屋拆遷距離，可自動統(tǒng)計房屋拆遷量，結(jié)合外業(yè)調(diào)繪的林木生長密度，在三維設(shè)計軟件中通過設(shè)置砍伐范圍，可自動統(tǒng)計林木砍伐量。通過統(tǒng)計的房屋拆遷量及林木砍伐量，方便設(shè)計人員對前期拆遷費用和砍伐費用作出更準確的估算，避免后期費用超支。

4 工程實例應用

本文依托安徽阜南—董莊220 kV 輸電線路工程，可研路徑總長約15 km，全線位于阜南縣，屬于平原地區(qū)，利用架空輸電線路協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)進行三維設(shè)計。外業(yè)通過使用固定翼無人機進行低空攝影測量，內(nèi)業(yè)經(jīng)過空三軟件進行數(shù)據(jù)處理，獲取沿線路中心兩側(cè)各1 km 的DOM、DEM 數(shù)據(jù)，如圖1、圖2 所示。

圖1 DOM數(shù)據(jù)

圖2 DEM數(shù)據(jù)

依據(jù)規(guī)范要求，本次航測的DOM、DEM數(shù)據(jù)地理坐標系統(tǒng)均采用2000 國家大地坐標系(CGCS 2000)，高程系統(tǒng)采用1985 國家高程基準。

利用三維設(shè)計軟件中的Creator 工具，對生成的DOM、DEM 數(shù)據(jù)進行切片緩存處理，得到DOM、DEM 的緩存數(shù)據(jù)，將緩存數(shù)據(jù)導入到三維設(shè)計軟件服務器中并發(fā)布，提高用戶端軟件加載影像和高程模型的流暢度。通過導入可研路徑kml，進行路徑方案優(yōu)化。

利用三維設(shè)計軟件中的工具，結(jié)合正射影像數(shù)據(jù)，進行繪制初步平斷面圖，主要對線路中心線兩側(cè)各50 m 范圍內(nèi)有影響的建(構(gòu))筑物、道路、河流、植被、110 kV 及以上架空線路等進行繪制，如圖3 所示。

圖3 部分三維成果

通過導入工程勘測數(shù)據(jù)，對低壓配電線路、通訊線、地下光纜等進行三維數(shù)字化，導出二維平斷面圖，如圖4 所示。

圖4 測量平斷面圖

結(jié)合繪制的平斷面圖，使用房屋拆遷工具，通過設(shè)置走廊寬度、拆遷范圍以及統(tǒng)計類型等參數(shù)，對沿線拆遷房屋面積進行自動統(tǒng)計。結(jié)合外業(yè)調(diào)繪的林木生長密度與自然生長高度，通過設(shè)置對導線距離以及對塔基基礎(chǔ)距離，對線下樹木砍伐量進行自動統(tǒng)計。如圖5、圖6 所示，本工程在可研階段統(tǒng)計的房屋拆遷面積為1 140.7 m2，樹木砍伐數(shù)量為3 817 棵，設(shè)計人員可根據(jù)此數(shù)據(jù)提供更準確的房屋拆遷費用和樹木砍伐費用。

圖5 房屋拆遷統(tǒng)計

圖6 樹木砍伐量統(tǒng)計

5 結(jié)語

本文首先通過分析無人機航測數(shù)據(jù)誤差來源，選取山區(qū)和平原地區(qū)的航測數(shù)據(jù)與實測進行對比分析，結(jié)果表明在平原地區(qū)獲取的航測數(shù)據(jù)精度較高，能夠滿足架空輸電線路三維設(shè)計要求；其次，本文從選線及路徑優(yōu)化、繪制初步平斷面圖以及前期工程量估算三個方面，具體闡述了無人機航測數(shù)據(jù)在架空輸電線路三維設(shè)計中的應用；最后結(jié)合安徽阜南—董莊220 kV 輸電線路工程，使用中國電科院開發(fā)的架空輸電線路協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)，以高精度DOM、DEM 等航測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行三維設(shè)計，繪制出初步平斷面圖，并準確統(tǒng)計出可研階段房屋拆遷量和樹木砍伐量。