輸電線路工程三維地理信息平臺(tái)的研究及應(yīng)用

張 瑞，陳曉龍

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

0 引言

我國(guó)電力行業(yè)自2010年開始積極推進(jìn)三維數(shù)字化技術(shù)，寧東—山東±660 kV直流輸電工程建設(shè)中首次提出了“三維數(shù)字化移交”的新思路[1]，電網(wǎng)設(shè)計(jì)逐步從二維向三維數(shù)字化過(guò)渡。2018年7月發(fā)布的《國(guó)家電網(wǎng)有限公司關(guān)于全面應(yīng)用輸變電工程三維設(shè)計(jì)及建設(shè)工程數(shù)據(jù)中心的意見》中，要求35 kV及以上變電站及輸電線路工程要全部采用數(shù)字化設(shè)計(jì)，并于2020年底具備數(shù)字化移交條件[2-3]。自此之后，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)開始全面推廣。

現(xiàn)階段，傳統(tǒng)三維地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)手段繁雜、格式迥異，數(shù)據(jù)成果形式與要素屬性結(jié)構(gòu)亦不能滿足電網(wǎng)地理信息數(shù)據(jù)移交的要求。于是迫切需要建立三維地理信息數(shù)據(jù)交互體系，利用數(shù)據(jù)交互體系處理平臺(tái)整合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)可視化效果好、圖屬一體化強(qiáng)、分析功能完善的三維地理信息平臺(tái)[4-6]。

本文搭建輸電線路三維地理信息一體化平臺(tái)，其基于輸電線路工程地理信息數(shù)據(jù)和屬性信息，通過(guò)多源數(shù)據(jù)融合、多級(jí)分層瓦片金字塔、三維可視化技術(shù)、視圖操作一體化技術(shù)、數(shù)字化交互設(shè)計(jì)技術(shù)，清晰表達(dá)三維地理信息的復(fù)雜空間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)三維立體場(chǎng)景搭建，輸出電網(wǎng)工程地理信息數(shù)據(jù)數(shù)字化移交的經(jīng)典數(shù)據(jù)格式，并具備多種數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的功能，支撐三維數(shù)字地理信息數(shù)據(jù)在輸電線路工程全流程、全產(chǎn)業(yè)鏈中的應(yīng)用。

1 平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)和功能設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)總體架構(gòu)

平臺(tái)采用完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心3D引擎，同時(shí)提供軟件開發(fā)工具包用于二次開發(fā)，其基于海量地理信息數(shù)據(jù)和高效的分布式數(shù)據(jù)管理，建立一個(gè)三維交互式現(xiàn)實(shí)環(huán)境，是一種自下而上的層次型軟件體系結(jié)構(gòu)，其總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺(tái)總體架構(gòu)圖

平臺(tái)的四層體系結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了平臺(tái)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性，其在滿足安全性的前提下，保證良好的可拓展性。

1.2 平臺(tái)功能架構(gòu)

輸電線路三維地理信息一體化平臺(tái)的功能架構(gòu)如圖2所示，其主要功能包括以下8個(gè)模塊：多源數(shù)據(jù)融合、三維選線、桿塔排位、通道清理分析、數(shù)據(jù)組織管理、三維界面編輯功能、空間量測(cè)及分析、成果移交，籍此優(yōu)化勘測(cè)專業(yè)技術(shù)手段，方便輸電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)的交互與協(xié)調(diào)作業(yè)。

圖2 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

2 平臺(tái)功能特點(diǎn)

2.1 平臺(tái)數(shù)據(jù)集成度高

本平臺(tái)以數(shù)據(jù)管理為基礎(chǔ)，以工程項(xiàng)目為基本單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，采用四叉樹和動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)，為輸電線路工程多專業(yè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)、重復(fù)利用和數(shù)字化移交提供完備的平臺(tái)支撐，達(dá)到各專業(yè)數(shù)據(jù)之間的高度集成和高效利用。

測(cè)量專業(yè)集成數(shù)據(jù)包括海量DEM、DOM、激光點(diǎn)云、傾斜三維模型、矢量數(shù)據(jù)以及基礎(chǔ)地理信息單體模型等；巖土專業(yè)集成數(shù)據(jù)包括不良地質(zhì)帶數(shù)據(jù)、地震帶區(qū)域數(shù)據(jù)、礦產(chǎn)廠區(qū)數(shù)據(jù)等；水文氣象專業(yè)集成數(shù)據(jù)包括重點(diǎn)水文數(shù)據(jù)和氣象專題圖數(shù)據(jù)等；對(duì)于電氣和結(jié)構(gòu)專業(yè)，集成數(shù)據(jù)包括電網(wǎng)專題數(shù)據(jù)、輸電線路通道專題數(shù)據(jù)以及電網(wǎng)信息模型(grid information model，GIM)模型等。

各專業(yè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化管理也為實(shí)現(xiàn)成果自動(dòng)化、集約化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，尤其是面對(duì)多次路徑方案修改時(shí)，利用平臺(tái)的自動(dòng)化處理功能，可快速完成各專業(yè)數(shù)據(jù)的重新整理和數(shù)據(jù)成果的快速生產(chǎn)。

2.2 三維可視化的快速表達(dá)

針對(duì)數(shù)據(jù)量龐大的高分辨率DOM和DEM，平臺(tái)利用金字塔瓦片結(jié)構(gòu)和多細(xì)節(jié)層次(levels of detail，LOD)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速訪問(wèn)和顯示。

金字塔瓦片結(jié)構(gòu)是根據(jù)區(qū)域的形狀和范圍將DOM和DEM按照一定的規(guī)則進(jìn)行多級(jí)網(wǎng)格劃分，形成數(shù)字金字塔，實(shí)現(xiàn)顯示結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，從而達(dá)到太字節(jié)(terabyte，TB)級(jí)別的影像存儲(chǔ)和快速瀏覽，加載三維設(shè)備和地理信息模型，在保障顯示精度的同時(shí)，又可顯著提升顯示速度[7]。

LOD技術(shù)采用的是視點(diǎn)相關(guān)技術(shù)，對(duì)應(yīng)于不同的范圍采用差異化分辨率的地理數(shù)據(jù)[8]。這一手段可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模場(chǎng)景的實(shí)時(shí)渲染，可簡(jiǎn)化場(chǎng)景的復(fù)雜度，進(jìn)而減少圖形實(shí)時(shí)顯示的失真率。

2.3 二、三維窗口聯(lián)動(dòng)

平臺(tái)三維視窗為用戶提供了靈活的二維模式和三維模式的切換和雙屏顯示的二、三維模式聯(lián)動(dòng)控制。

基于要素矢量化數(shù)據(jù)和外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)，平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)房屋、林區(qū)以及低等級(jí)線路交叉跨越的電桿及點(diǎn)線的簡(jiǎn)單幾何體自動(dòng)建模，進(jìn)一步打通二、三維一體通道。

二、三維選線和桿塔排位后，一體化平臺(tái)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)塔位，基于選線和排塔結(jié)果可聯(lián)動(dòng)顯示斷面線、塔基斷面和桿塔成果表，同時(shí)自動(dòng)生成房屋分布圖、林木調(diào)查表和交叉跨越統(tǒng)計(jì)表，便于塔位調(diào)整。

2.4 成果輸出

基于外業(yè)調(diào)繪對(duì)航測(cè)內(nèi)業(yè)成果進(jìn)行修正后，自動(dòng)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)格式的通道路徑地形圖、平斷面圖、桿塔成果表、塔位地形圖、塔基斷面圖、房屋分布圖、林木調(diào)查表等成果。如遇路徑方案的修改，也只需將改線部分的矢量信息錄入，即可同步生產(chǎn)各項(xiàng)測(cè)量成果。不僅省去了傳統(tǒng)模式下定線定位初期反復(fù)提資的過(guò)程，還提高了測(cè)量終勘及改線中成果生產(chǎn)的效率。

2.5 三維成果展示

平臺(tái)基于三維地理信息場(chǎng)景、線路通道模型場(chǎng)景、線路本體三維模型及相對(duì)空間位置關(guān)系，通過(guò)“搭積木”的方式進(jìn)行整合并實(shí)現(xiàn)三維成果的展示[9]。

1)三維地理信息場(chǎng)景

基于統(tǒng)一的平面坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)，將三維地理信息數(shù)據(jù)在平臺(tái)上進(jìn)行展示，提供各成果的查詢、檢索和統(tǒng)計(jì)功能。

2)線路通道模型場(chǎng)景

基于傾斜攝影三維模型和路通道房屋、林區(qū)及低等級(jí)線路簡(jiǎn)單幾何體模型，同時(shí)提供外部精細(xì)化模型接口。

3)設(shè)計(jì)桿塔組模型搭建

桿塔排位確定后，基于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和桿塔組模型庫(kù)(通用模型庫(kù)、金具絕緣子串組件庫(kù)、桿塔庫(kù)、基礎(chǔ)庫(kù)等)，對(duì)每一基桿塔組模型以桿塔為基準(zhǔn)進(jìn)行組裝，根據(jù)桿塔模型原點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程信息，結(jié)合設(shè)計(jì)的桿塔空間變換矩陣位置和姿態(tài)，將桿塔組模型進(jìn)行轉(zhuǎn)向調(diào)整并放置于三維地理信息場(chǎng)景中。

4)導(dǎo)地線模型搭建。

基于導(dǎo)地線型號(hào)參數(shù)庫(kù)，根據(jù)導(dǎo)地線的外徑尺寸和導(dǎo)線地線兩端的掛點(diǎn)信息，形成導(dǎo)地線的三維模型搭建，同時(shí)根據(jù)變換矩陣信息放置間隔棒等三維模型。

平臺(tái)根據(jù)用戶指定路徑進(jìn)行三維漫游和視頻錄制，瀏覽線路沿線情況，也可根據(jù)分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，輔助對(duì)線路路徑方案的經(jīng)濟(jì)性、合理進(jìn)行評(píng)審。

2.6 三維地理信息數(shù)據(jù)數(shù)字化移交

平臺(tái)可自動(dòng)生成常規(guī)應(yīng)用的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)格式的圖件和通道信息統(tǒng)計(jì)表，同時(shí)提供數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和擴(kuò)展數(shù)據(jù)接口，保證移交數(shù)據(jù)的可移植性。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

以上海市某220 kV線路工程為例介紹輸電線路工程三維地理信息平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用。該工程示例段長(zhǎng)度為4.8 km，線路沿線地勢(shì)平坦，河網(wǎng)密布，道路縱橫交錯(cuò)，村落較多，建筑較為密集。外業(yè)基于無(wú)人機(jī)低空傾斜攝影測(cè)量和無(wú)人機(jī)激光掃描，獲取了空間分辨率為3.0 cm的傾斜模型、影像分辨率5 cm的DOM數(shù)據(jù)、格網(wǎng)間距1 m的DEM數(shù)據(jù)和點(diǎn)云密度124點(diǎn)/ m2的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)外業(yè)進(jìn)行了調(diào)繪和終勘定位測(cè)量。

3.2 路徑優(yōu)化

在平臺(tái)上基于DEM和DOM創(chuàng)建三維立體場(chǎng)景，通過(guò)二、三維視圖協(xié)同，借助三維測(cè)量、緩沖分析、房屋拆遷統(tǒng)計(jì)及林木砍伐統(tǒng)計(jì)等輔助功能，分析建筑區(qū)和林區(qū)對(duì)輸電線路的影響，同時(shí)捕捉影響路徑走向的不良地質(zhì)區(qū)、保護(hù)區(qū)、規(guī)劃區(qū)等避讓點(diǎn)。通過(guò)平臺(tái)的聯(lián)動(dòng)窗口，同步顯示三維立體場(chǎng)景及選線后的平斷面圖，達(dá)到選線方案和方案斷面的交互，從而實(shí)現(xiàn)路徑方案的優(yōu)化。圖3為路徑優(yōu)化選線界面。

圖3 路徑優(yōu)化選線界面

本工程路徑優(yōu)化選線后與初選路徑相比減少了2基塔位，路徑長(zhǎng)度縮短了520 m，房屋拆遷面積減少1 240 m2，林木砍伐面積減少1 600 m2，避讓高頻全向信標(biāo)導(dǎo)航臺(tái)1處。路徑優(yōu)化后線路走向更加合理，不但降低了工程成本，還減少了房屋拆遷和林木砍伐量，起到了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3.3 線路通道清理統(tǒng)計(jì)

線路通道清理統(tǒng)計(jì)主要包括房屋拆遷統(tǒng)計(jì)、林木砍伐統(tǒng)計(jì)和交叉跨越統(tǒng)計(jì)?；谑噶炕瘮?shù)據(jù)和錄入的屬性數(shù)據(jù)可自動(dòng)化生產(chǎn)房屋、林木和線路交叉跨越的簡(jiǎn)單幾何體模型。圖4為線路通道簡(jiǎn)單體幾何模型。

圖4 線路通道簡(jiǎn)單體幾何模型

線路受風(fēng)偏影響，越靠近檔距中間，導(dǎo)線擺動(dòng)幅度越大，拆遷范圍也越大。平臺(tái)考慮動(dòng)態(tài)拆遷線的影響，結(jié)合錄入的房屋用途、房屋層數(shù)、林木樹種、林木密度等屬性信息，統(tǒng)計(jì)的房屋拆遷量和林木砍伐量較傳統(tǒng)固定拆遷線的統(tǒng)計(jì)量更為準(zhǔn)確合理。基于檢索條件的通道分析統(tǒng)計(jì)如圖5所示。

圖5 基于檢索條件的通道分析統(tǒng)計(jì)

經(jīng)平臺(tái)統(tǒng)計(jì)影響路徑的房屋面積為79 115 m2，林木統(tǒng)計(jì)量為1 656棵，10 kV及以下低等級(jí)線路交叉跨越58根，10 kV以上高等級(jí)交叉跨越3根，與技經(jīng)專業(yè)最終統(tǒng)計(jì)量對(duì)比，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 三維展示

基于電氣和結(jié)構(gòu)專業(yè)的排桿信息，在三維地理信息場(chǎng)景、線路通道模型、設(shè)計(jì)桿塔組模型和導(dǎo)線地線模型的搭建下，實(shí)現(xiàn)三維成果展示、漫游，如圖6所示。

圖6 桿塔模型三維展示

3.5 擴(kuò)展數(shù)據(jù)成果輸出

平臺(tái)除按設(shè)計(jì)所需提供標(biāo)準(zhǔn)格式圖表外，應(yīng)業(yè)主要求將通道地理數(shù)據(jù)、地下管線數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至所需的SHP文件格式，滿足數(shù)據(jù)入庫(kù)管理，具體輸出樣式如圖7所示。

圖7 平臺(tái)格式轉(zhuǎn)換輸出樣式

基于平臺(tái)的自動(dòng)化專題圖輸出和專業(yè)數(shù)據(jù)管理能力，進(jìn)行地理信息數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)具有明顯優(yōu)勢(shì)，提高了輸電線路成果輸出效率。

4 結(jié)語(yǔ)

輸電線路三維地理信息一體化平臺(tái)是高精度DEM、DOM、三維實(shí)景模型、三維激光點(diǎn)云等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)專業(yè)數(shù)據(jù)的高耦合度屬性，以可視化、集成化模型手段輔助各專業(yè)交互作業(yè)的管理平臺(tái)，具有圖屬一體、統(tǒng)籌分析的特點(diǎn)，有利于路徑方案的全方位優(yōu)化、成果質(zhì)量和生產(chǎn)效率的提升。同時(shí)基于三維地理信息場(chǎng)景以及設(shè)計(jì)共享的桿塔和導(dǎo)地線數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)成果的精細(xì)化數(shù)字模型。

目前，平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)主要側(cè)重于輸電線路的勘測(cè)設(shè)計(jì)，隨著數(shù)據(jù)內(nèi)容不斷深挖、開發(fā)應(yīng)用不斷發(fā)展，三維地理信息數(shù)據(jù)在工程施工、運(yùn)維管理等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，功能越來(lái)越完善。未來(lái)三維地理信息數(shù)據(jù)的獲取、融合、處理、成果構(gòu)建等全過(guò)程中應(yīng)充分考慮到各階段的功能需求。