航測(cè)成果輔助電力線路勘測(cè)設(shè)計(jì)的研究

朱明接，林國(guó)輝，寧國(guó)標(biāo)，宋來聰，屈振華

(清遠(yuǎn)電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511500)

0 引言

近年來，隨著無人機(jī)、航測(cè)遙感、計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)的發(fā)展，以無人機(jī)為遙感平臺(tái)的低空攝影測(cè)量技術(shù)已經(jīng)可以滿足大比例尺地形圖測(cè)繪精度要求[1]。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量作業(yè)周期長(zhǎng)、天氣影響大、空域管制、費(fèi)用成本高等因素的限制，已經(jīng)在電力勘測(cè)、電力巡線、風(fēng)電場(chǎng)選址等多種電力工程中得到廣泛應(yīng)用。在影像獲取方面，消費(fèi)級(jí)多旋翼無人機(jī)的出現(xiàn)，使得無人機(jī)影像數(shù)據(jù)獲取變得更加便利。在影像數(shù)據(jù)處理方面，隨著航測(cè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，特別是空中三角測(cè)量技術(shù)，利用 航 測(cè) 軟 件 (Inpho、ContextCapture、Pix4D、DPGird等)可以輕松地制作數(shù)字正射影像圖(digital orthophoto map，DOM)、數(shù)字表面模型(digital surface model，DSM)、三維模型等豐富的航測(cè)成果[2]，讓航測(cè)真正邁入大眾化、平民化時(shí)代。

平斷面圖是輸電線路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也是航測(cè)應(yīng)用在線路工程中的一種成果具體形式[3]。利用航測(cè)方法快速測(cè)制平斷面圖，傳統(tǒng)作業(yè)方式是通過借助航測(cè)地面站來完成，整個(gè)過程比較繁瑣，智能化程度不夠。雖然無人機(jī)獲取數(shù)據(jù)方式越來越便利，航測(cè)數(shù)據(jù)成果越來越豐富，但是如何對(duì)航測(cè)數(shù)據(jù)成果進(jìn)行深入信息提取、挖掘，快速地提取所需要的信息，并智能化成圖，充分發(fā)揮航測(cè)成果的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)于電力勘測(cè)設(shè)計(jì)人員而言仍是一個(gè)難題。

本文考慮電力線路勘測(cè)設(shè)計(jì)全過程，以AutoCAD為基礎(chǔ)平臺(tái)，采用VB.net和ObjectARX為二次開發(fā)語言，研究航測(cè)數(shù)據(jù)快速提取方法，實(shí)現(xiàn)利用已有的航測(cè)數(shù)據(jù)成果提取平面地物和高程信息，生成線路設(shè)計(jì)所需的平斷面圖、塔基地形圖等，從而減少工作量，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提升電力勘測(cè)設(shè)計(jì)效率。

1 技術(shù)路線

電力線路勘測(cè)設(shè)計(jì)涉及到的航測(cè)數(shù)據(jù)成果主要包括DOM、DSM、數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)和數(shù)字線劃圖(digital line graphic，DLG)[4]。DEM 和 DLG 需要花費(fèi)大量人工進(jìn)行加工得到。在電力線路勘測(cè)設(shè)計(jì)中，通常需要測(cè)量地物、中線、邊線、風(fēng)偏高程以及重要交叉跨越物。其中，重要交叉跨越一般需要采用全站儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪。本文研究利用DOM、DSM等航測(cè)成果，在AutoCAD平臺(tái)智能化提取平面地物、中線、邊線的高程信息等，并輸出電力線路勘測(cè)設(shè)計(jì)所需要的電子成果圖。

利用航測(cè)數(shù)據(jù)成果輔助電力線路勘測(cè)設(shè)計(jì)，以DOM、DSM、DEM等為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于AutoCAD和ObjectARX[5]等進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)AutoCAD中快速插入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地物平面圖采集、高程點(diǎn)采集、路徑斷面、邊線、風(fēng)偏等提取以及批量提取高程點(diǎn)等功能，繼而生成線路平斷面圖，供設(shè)計(jì)人員進(jìn)行排桿及路徑優(yōu)化，最終生成平斷面圖、平面圖及塔基地形圖等，具體的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

2 輔助電力線路勘測(cè)設(shè)計(jì)

2.1 CAD插入影像和高程

航測(cè)成果中最常用的就是DOM和DSM。由于影像空間分辨率高，數(shù)據(jù)量大，直接插入到CAD中，會(huì)出現(xiàn)卡頓、內(nèi)存占用大的問題。針對(duì)這些問題，先對(duì)影像進(jìn)行自動(dòng)分幅，并生成分幅的圖框，設(shè)計(jì)人員按需框選加載影像數(shù)據(jù)，也支持指定路徑加載多個(gè)文件影像數(shù)據(jù)。CAD插入影像時(shí)，需要讀影像的定位文件(.tfw)，該文件包含橫縱方向的分辨率，左下角的X、Y坐標(biāo)。對(duì)于DSM，通過定位文件可以進(jìn)行2種數(shù)據(jù)之間的定位坐標(biāo)索引，直接讀取該點(diǎn)位在DSM中的高程值。影像和高程數(shù)據(jù)加載如圖2所示。

圖2 影像和高程數(shù)據(jù)加載

2.2 平面圖繪制

目前市場(chǎng)上地形圖繪制軟件以CASS軟件為主，它是基于AutoCAD平臺(tái)二次開發(fā)的地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)前端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，按國(guó)家地形圖成圖規(guī)范設(shè)計(jì)，繪制成果圖形美觀，同時(shí)具備字典屬性和土石方計(jì)算、圖形坐標(biāo)變換等各項(xiàng)地形圖應(yīng)用功能，在地形圖繪制方面有著廣泛的應(yīng)用。本文開發(fā)的插件可以在CASS軟件中加載和使用，輔助采集房屋、道路、河流、池塘、植被等地物平面圖，與CASS相關(guān)軟件全面兼容，有利于平面圖進(jìn)一步加工和深入應(yīng)用，滿足國(guó)家地形圖規(guī)范要求。

2.3 高程點(diǎn)、斷面、邊線采集

在電力勘測(cè)設(shè)計(jì)過程中，需要采集大量高程點(diǎn)，包括關(guān)鍵地物高程點(diǎn)、關(guān)鍵地形高程點(diǎn)、斷面點(diǎn)及邊線點(diǎn)。關(guān)鍵地物高程，如建筑物頂部的高程，通常地面測(cè)量人員通過測(cè)量地面點(diǎn)加樓層數(shù)進(jìn)行估計(jì)，或者全站儀不測(cè)量，而在本軟件中可以直接單點(diǎn)采集建筑物頂部高程[6]。關(guān)鍵地形點(diǎn)，如山脊、山頂?shù)汝P(guān)鍵地物的高程點(diǎn)，直接單點(diǎn)、線或者面的方式快速提取。在采集高程之前，軟件提供影像數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)加載功能，如圖3所示。加載影像和高程數(shù)據(jù)后，可以進(jìn)行高程點(diǎn)采集，包括單點(diǎn)采集高程點(diǎn)、批量展繪高程點(diǎn)、讀取文件提取高程(外業(yè)測(cè)繪)、提取路徑坐標(biāo)及提取斷面邊線高程點(diǎn)等功能。

圖3 高程點(diǎn)采集功能

提取高程過程中，考慮到DSM中有植被覆蓋的情況，DSM的高程值并非地面高程值，需要減去植被高度，軟件提供減去植被高的快捷命令，提示輸出減高值，在提取高程時(shí)，從DSM獲取高程時(shí)自動(dòng)減去植被高，再將高程點(diǎn)加入CAD軟件中。如果不需要減高，直接輸入“0”即可。

斷面高程提取，直接按線路路徑設(shè)置采集間隔，批量采集高程點(diǎn)，完成中線高程提取[7]。對(duì)于邊線、風(fēng)偏，按特定的線段采集高程點(diǎn)，或者直接按線路路徑在兩邊一定的距離采集高程點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 自動(dòng)提取斷面高程數(shù)據(jù)

2.4 自動(dòng)生成平斷面圖

根據(jù)提取的中線、邊線、風(fēng)偏等高程數(shù)據(jù)，輸出到文本，并結(jié)合提供的電力桿塔(轉(zhuǎn)角)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，軟件自動(dòng)整理平斷面數(shù)據(jù)。如提供的線路桿塔轉(zhuǎn)角點(diǎn)號(hào)及坐標(biāo)為GJ1、GJ2……GJ11，軟件程序計(jì)算以GJ1～GJ2為中線，兩側(cè)各一定寬度范圍構(gòu)建矩形區(qū)域，將該區(qū)域的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)歸納到GJ1～GJ2，依此，整理逐個(gè)線路耐張段之間的斷面數(shù)據(jù)，并將整理好的數(shù)據(jù)輸出到一個(gè)文本(.txt)，如圖5所示。

圖5 平斷面數(shù)據(jù)格式

將數(shù)據(jù)整理成文檔格式，并不能滿足設(shè)計(jì)排桿的要求。通過對(duì)道亨平斷面格式的解譯，軟件自動(dòng)轉(zhuǎn)換道亨平斷面圖格式以及自動(dòng)繪制成CAD格式，結(jié)合平面地物的數(shù)據(jù)，軟件直接完成平斷面的自動(dòng)生成，如圖6所示，即為軟件自動(dòng)生成的平斷面圖。

圖6 平斷面圖(CAD格式)

2.5 自動(dòng)生成塔基地形圖

繪制塔基斷面圖一般過程是讀入塔位測(cè)量文本數(shù)據(jù)、計(jì)算塔位轉(zhuǎn)角度、將測(cè)量地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為塔位局部坐標(biāo)、構(gòu)建三角網(wǎng)、內(nèi)插計(jì)算相應(yīng)斷面高程點(diǎn)坐標(biāo)、繪制塔基斷面線、插入標(biāo)準(zhǔn)圖框、賦予CASS屬性等，此過程人工工作量大，步驟繁瑣。本文研究自成批量生成塔基地形圖的方法，具體思路如下。

1)將桿塔位坐標(biāo)按塔位順序形成塔位坐標(biāo)文本文件，轉(zhuǎn)角塔采用“J”等自定義特殊字符編號(hào)。

2)讀入塔位坐標(biāo)文件，根據(jù)用戶輸入的轉(zhuǎn)角編號(hào)字母判斷轉(zhuǎn)角塔與直線塔。

3)根據(jù)讀入的塔位坐標(biāo)，自動(dòng)計(jì)算轉(zhuǎn)角坐標(biāo)。

4)根據(jù)塔位編號(hào)與坐標(biāo)，自動(dòng)讀入測(cè)量或DEM提取的塔位數(shù)據(jù)，依據(jù)轉(zhuǎn)角度和塔位中心坐標(biāo)，計(jì)算測(cè)量坐標(biāo)與塔基局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換四參數(shù)，并根據(jù)四參數(shù)將測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為塔位局部坐標(biāo)系。

5)利用ObjectARX構(gòu)建高程點(diǎn)塊，將塔位局部坐標(biāo)系下的高程展繪。

6)根據(jù)局部坐標(biāo)系點(diǎn)構(gòu)建三角網(wǎng)，將三角網(wǎng)各邊根據(jù)1∶200地形圖等高距分割，并連接繪制等高線。

7)根據(jù)地物編號(hào)，繪制常見地物。繪制過程中，將高程點(diǎn)、等高線、地物等賦予相應(yīng)的CASS屬性。

8)根據(jù)用戶所選圖框類型，插入相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)圖框塊，繪制相應(yīng)的文本信息。

經(jīng)過以上步驟，一幅塔基地形圖繪制基本完成。為了實(shí)現(xiàn)批量生成塔基地形圖，還需要輸入轉(zhuǎn)角ID編號(hào)，填寫CASS制圖人員和相應(yīng)的日期，選擇輸電線路塔位坐標(biāo)文件和塔基測(cè)量數(shù)據(jù)所在路徑，選擇修改塔基成果輸出路徑等。完畢后，點(diǎn)擊批量生成，實(shí)現(xiàn)塔基地形圖的快速批量繪制，自動(dòng)生成的塔基地形圖如圖7所示。

圖7 程序自動(dòng)繪制的單個(gè)塔基地形圖成果

3 結(jié)語

本文針對(duì)傳統(tǒng)電力勘測(cè)設(shè)計(jì)方法存在效率低、設(shè)備專業(yè)化和人員經(jīng)驗(yàn)要求高等問題，提出了航測(cè)成果(DOM、DSM、DEM等)輔助電力線路勘測(cè)設(shè)計(jì)的方法，闡述了航測(cè)成果輔助電力勘測(cè)設(shè)計(jì)的全過程，讓不具備航測(cè)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員、測(cè)量人員均可以方便地利用AutoCAD軟件完成地物平面信息、高程信息的快速提取，勘測(cè)階段快速完成塔基地形圖和平斷面圖的測(cè)繪。同時(shí)，本文方法顛覆了傳統(tǒng)先測(cè)繪再排桿的作業(yè)模式，設(shè)計(jì)人員可在完成勘測(cè)前的平斷面信息提取、排桿選線，待線路走向確定后，再讓勘測(cè)人員去現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)核實(shí)，大大減少改線的概率，提升勘測(cè)設(shè)計(jì)的工作效率；對(duì)已有的航測(cè)成果進(jìn)行加工應(yīng)用，可為線路設(shè)計(jì)單位節(jié)省大筆航測(cè)工作站軟硬件設(shè)備的費(fèi)用，提高線路設(shè)計(jì)單位的效益；對(duì)于線路可研、初設(shè)、終勘等階段所使用無人機(jī)航測(cè)成果數(shù)據(jù)，本文方法節(jié)省外業(yè)費(fèi)用，提高工作效率，提升電力線路設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益。