多源遙感影像在輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

姚 林，徐 春，白明啟

(中國能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司,云南 昆明 650051)

0 引言

輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在送電線路起止點(diǎn)之間選出一條全面符合國家政策和設(shè)計(jì)規(guī)范要求的最優(yōu)線路路徑,取得經(jīng)濟(jì)效益和社會效益最佳的設(shè)計(jì)方案[1]。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的合理性對輸電線路的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和施工運(yùn)行條件起著重要作用[2]。通過線路路徑優(yōu)化設(shè)計(jì),可以有效縮短路徑長度,降低跨房拆遷與林木砍伐工作量,合理避讓房屋、廠礦與不良地質(zhì)帶,最終達(dá)到縮短工期、節(jié)約工程投資、降低民事協(xié)調(diào)難度、提高輸電線路設(shè)計(jì)質(zhì)量的目的。

輸電線路的優(yōu)化設(shè)計(jì)依托于清晰、準(zhǔn)確和現(xiàn)勢性好的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。近年來國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,國家基礎(chǔ)建設(shè)日新月異,現(xiàn)有的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)往往不能準(zhǔn)確反映現(xiàn)實(shí)的地形、地貌信息,基礎(chǔ)資料的可靠性、時效性嚴(yán)重影響著輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的質(zhì)量和可行性。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,各種新型傳感器提供了全天候的多平臺、多傳感器、多時相、多光譜的對地觀測數(shù)據(jù),遙感影像已經(jīng)到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的階段。面對數(shù)量巨大、覆蓋范圍廣闊的遙感影像數(shù)據(jù),如何從中提取觀測數(shù)據(jù)的有效信息并在輸電線路工程各個設(shè)計(jì)階段中妥善應(yīng)用,成為遙感影像應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。

1 遙感技術(shù)的發(fā)展與特點(diǎn)

隨著航天技術(shù)的發(fā)展和遙感觀測系統(tǒng)性能的改進(jìn),遙感技術(shù)發(fā)展異常迅速,表現(xiàn)為遙感影像的分辨率不斷提高和影像價(jià)格逐漸降低[3]。近年來,美國和法國相繼發(fā)射了多顆具備優(yōu)秀機(jī)動性能和幾何定位精度的商業(yè)衛(wèi)星,其影像地面分辨率達(dá)到0.3 m～0.5 m,能夠識別細(xì)微地物,可以滿足大部分地區(qū)1∶5 000～1∶10 000地形圖測繪的要求。我國遙感衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展也極為迅速,分辨率優(yōu)于1 m的高分二號衛(wèi)星發(fā)射成功,標(biāo)志著我國遙感衛(wèi)星進(jìn)入了亞米級“高分時代”[4];高分七號衛(wèi)星除具備亞米級影像分辨率外,還具有立體成像和激光測高數(shù)據(jù)獲取能力,在高精度立體測繪等領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢[5];吉林一號商用衛(wèi)星可以提供0.72 m分辨率的同軌立體影像和1.12 m分辨率的視頻影像,采用一箭多星發(fā)射,百星飛天組網(wǎng),這些都標(biāo)志著我國航天遙感技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平[6]。

相較于傳統(tǒng)的航空攝影測量技術(shù),遙感影像覆蓋范圍廣,數(shù)據(jù)獲取速度快,內(nèi)符合精度高,內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)處理作業(yè)量少。在輸電線路工程優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用中,遙感技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性和適用范圍上有著較大優(yōu)勢,遙感技術(shù)與航空攝影測量技術(shù)對比情況如表1所示。

表1 遙感技術(shù)與航空攝影測量技術(shù)線路優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用對比

2 多源遙感技術(shù)的應(yīng)用方式

多源遙感技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用給輸電線路的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的技術(shù)手段,以遙感影像為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)人員可直觀辨別建筑物、水系、道路等地物,在輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)中合理調(diào)整線路路徑。結(jié)合專業(yè)化解譯,辨識各種地理信息,特別是地形地貌、滑坡、斷裂構(gòu)造及巖土類型等,在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行合理避讓,保證線路設(shè)計(jì)路徑優(yōu)化、合理、安全。

輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)是在三維數(shù)字?jǐn)z影測量優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺上進(jìn)行,三維實(shí)景模型一般選用數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射影像(DOM)通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄z影測量原理構(gòu)建。遙感影像制作的DOM數(shù)據(jù)覆蓋范圍大、更新速度快、時效性較好;DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式多樣,可以通過工程測量、航空攝影以及遙感影像等方法進(jìn)行制作。DEM和DOM數(shù)據(jù)獲取方式靈活多樣,不同來源、不同精度的DEM和DOM數(shù)據(jù)可以滿足線路工程不同設(shè)計(jì)階段優(yōu)化設(shè)計(jì)的需求,輸電線路可以根據(jù)工程規(guī)模、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)階段靈活選取適用的數(shù)據(jù)源。針對工程不同的設(shè)計(jì)階段,遙感影像在輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方式有:

1)在工程招投標(biāo)階段,可以利用奧維互動地圖平臺提供的遙感影像和已有的1∶50 000 DEM數(shù)據(jù)或優(yōu)于30 m 的開源DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型,用于輸電線路前期的路徑規(guī)劃和投標(biāo)報(bào)價(jià),提供直觀形象的數(shù)據(jù)資料。

2)在可行性研究和初步設(shè)計(jì)階段可以采用1 m～5 m 分辨率的遙感影像構(gòu)建三維模型,生產(chǎn)DEM和DOM數(shù)據(jù),完成線路路徑的初步優(yōu)化選線和桿塔排位,實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的路徑選擇和投資估算。

3)在施工圖設(shè)計(jì)階段,可以采用優(yōu)于1 m分辨率的遙感影像構(gòu)建三維模型,完成線路路徑高質(zhì)量的優(yōu)化設(shè)計(jì),并在三維實(shí)景模型上進(jìn)行線路平斷面圖測繪和地形圖測繪工作,提高線路勘測設(shè)計(jì)效率。

3 工程實(shí)例

文章以烏東德電站至白邑變500 kV線路工程施工圖設(shè)計(jì)為例,在Ecan PLStation架空輸電線路選線設(shè)計(jì)與平斷面成圖系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)基于遙感技術(shù)的線路路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)。Ecan PLStation系統(tǒng)是由北京正能空間信息技術(shù)有限公司結(jié)合生產(chǎn)單位的實(shí)際需求開發(fā)的架空輸電線路優(yōu)化選線設(shè)計(jì)與平斷面量測軟件,可以實(shí)現(xiàn)線路優(yōu)化設(shè)計(jì)從原始數(shù)據(jù)到成果輸出的一體化作業(yè)[7]。

輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)作業(yè)內(nèi)容主要包括:數(shù)據(jù)收集與處理、三維模型場景創(chuàng)建、優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)整、成果輸出展示等,輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的作業(yè)流程如圖1所示。

3.1 工程概況

烏東德電站至白邑變500 kV線路工程是國家西電東送重點(diǎn)工程,其建設(shè)對增強(qiáng)云南電網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全性,滿足滇中片區(qū)負(fù)荷增長對電力日益增長的需求,促進(jìn)中東部綠色發(fā)展具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益。

烏東德至白邑變線路工程起于烏東德水電站,止于500 kV白邑變,線路按照兩條單回路平行走線設(shè)計(jì),線路總長度約400 km。工程線路路徑的地形以山地和高山峻嶺為主,地形地質(zhì)條件較為復(fù)雜,海拔高、高差大,優(yōu)化設(shè)計(jì)工作難度較大。

3.2 多源地理信息數(shù)據(jù)收集

結(jié)合輸電線路的工程特點(diǎn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)要求,工程充分收集國內(nèi)外現(xiàn)有的DEM和DOM數(shù)據(jù),從精度和實(shí)效性等方面對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對比,工程選用1∶10 000比例尺的航測基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)制作優(yōu)化設(shè)計(jì)的DEM成果,選用最新存檔的高分二號衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)糾正融合制作優(yōu)化設(shè)計(jì)的DOM成果。航測DEM數(shù)據(jù)高程精度高,能準(zhǔn)確反映工程的地形地貌起伏狀態(tài);高分二號衛(wèi)星影像分辨率高、現(xiàn)勢性好,能準(zhǔn)確反映工程地表覆蓋地物情況。

在Ecan PLStation系統(tǒng)中通過數(shù)字?jǐn)z影測量原理,結(jié)合收集的DEM和DOM數(shù)據(jù)構(gòu)建輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)真實(shí)、立體渲染的三維實(shí)景模型。工程充分利用航測DEM數(shù)據(jù)精度高和高分二號衛(wèi)星影像更新快、分辨率高的優(yōu)勢,構(gòu)建的三維實(shí)景模型對地表信息表達(dá)直觀全面、內(nèi)容豐富、紋理清晰,在保證模型精度、分辨率的同時,確保地物信息的時效性,從而更好地保證線路工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

3.3 線路優(yōu)化設(shè)計(jì)

在三維實(shí)景模型地理信息數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,工程結(jié)合規(guī)劃設(shè)計(jì)、國土、礦產(chǎn)、保護(hù)區(qū)等勘測設(shè)計(jì)收集資料,利用Ecan PLStation優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺開展輸電線路路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)工作,對輸電線路路徑和桿塔位置進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化調(diào)整和多方案優(yōu)化比選,選取投資經(jīng)濟(jì)合理、運(yùn)維安全方便、環(huán)境影響效果最小的線路路徑。工程優(yōu)化設(shè)計(jì)主要開展的工作有:

1)三維模型解譯。對三維實(shí)景模型中的地形、地貌、地物情況進(jìn)行專業(yè)化解譯,充分了解線路工程區(qū)域的地形地貌特征和地物分布情況,標(biāo)注影響線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的限定因素,設(shè)置障礙物緩沖半徑。

2)調(diào)整線路路徑走向。綜合考慮線路地形、地物等制約因素的影響,盡量減小線路路徑的曲折度,縮短線路路徑長度;合理調(diào)整轉(zhuǎn)角位置,減少轉(zhuǎn)角數(shù)量;盡量采用直線桿塔,減少塔材使用,降低工程造價(jià)。

3)優(yōu)化交叉跨越方案。根據(jù)三維模型的地形數(shù)據(jù)和勘測設(shè)計(jì)踏勘測量的輸電線路交叉跨越數(shù)據(jù),計(jì)算設(shè)計(jì)線路和跨越線路的凈空距離,合理選取交叉跨越塔位和跨越點(diǎn)位置,保證交叉跨越方案合理可行。

4)優(yōu)化房屋拆遷。線路路徑盡量避開房屋密集區(qū)域,合理調(diào)整線路路徑,保持對房屋的安全距離走線;當(dāng)線路路徑無法避讓房屋時,按照“避重跨輕,避大跨小”的原則,盡量減少房屋拆遷量。

5)避讓工礦設(shè)施。根據(jù)勘測設(shè)計(jì)調(diào)繪資料和三維模型影像判讀工礦設(shè)施的范圍和數(shù)量,線路路徑保持對工礦設(shè)施的安全距離走線;避讓滑坡、沖刷等不良地質(zhì)區(qū)段,確保線路塔位的設(shè)計(jì)安全。

6)避讓林地、耕地。線路路徑盡量避開密集的林區(qū)和經(jīng)濟(jì)作物區(qū),減少林木砍伐量,實(shí)現(xiàn)綠色設(shè)計(jì);路徑盡量避開基本農(nóng)田和一般耕地,優(yōu)先考慮荒地和山地走線。

7)線路路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)時還應(yīng)避開軍事設(shè)施、城鎮(zhèn)規(guī)劃、自然保護(hù)區(qū)等限制區(qū)域,減小線路建設(shè)對當(dāng)?shù)厣鐣h(huán)境的影響,取得設(shè)計(jì)線路社會環(huán)境效益最佳。

8)線路路徑選擇宜靠近現(xiàn)有交通設(shè)施,方便線路后期的施工運(yùn)維。

烏東德至白邑變線路工程在優(yōu)化設(shè)計(jì)時進(jìn)行了多方案優(yōu)化比選和多專業(yè)綜合論證,綜合選取路徑長度短,房屋拆遷量少,植被砍伐少,地質(zhì)、地形條件好,并對周邊人文地理環(huán)境影響小的路徑,選出技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性良好的設(shè)計(jì)方案。相較于初步設(shè)計(jì)階段的線路路徑,優(yōu)化設(shè)計(jì)后的施工圖階段線路路徑走向更加經(jīng)濟(jì)、合理,路徑合理避讓各類限制因素,路徑長度縮短了5.6 km,轉(zhuǎn)角塔位數(shù)量減少了10基,房屋拆遷量減少了45%。優(yōu)化設(shè)計(jì)工作提高了線路工程的勘測設(shè)計(jì)質(zhì)量,降低了工程造價(jià),取得了良好的工程應(yīng)用效果。輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)工作界面如圖2所示。

3.4 斷面圖與桿塔排位

Ecan PLStation系統(tǒng)利用已有的三維模型,按照設(shè)置的采樣間距,自動生成線路路徑走向的斷面圖。設(shè)計(jì)人員結(jié)合桿塔使用條件,在交互窗口中進(jìn)行桿塔排位,并判斷線路路徑對風(fēng)偏、危險(xiǎn)點(diǎn)和地面的安全距離是否滿足技術(shù)要求,結(jié)果如圖3所示。當(dāng)遇到轉(zhuǎn)角位置選擇不理想或桿塔使用條件超過設(shè)計(jì)要求時,設(shè)計(jì)人員結(jié)合斷面圖和三維實(shí)景模型,交互調(diào)整線路路徑走向。完成線路優(yōu)化設(shè)計(jì)和桿塔排位后,將優(yōu)化設(shè)計(jì)和桿塔排位成果輸出至常用的輸電線路設(shè)計(jì)軟件中,指導(dǎo)外業(yè)終勘定位工作。

3.5 線路影像路徑圖

線路影像路徑圖以二維平面圖紙的形式全面展示線路路徑通道中的地理信息數(shù)據(jù)特征,是輸電線路野外終勘工作的重要依據(jù),設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)現(xiàn)場情況在線路影像路徑圖上進(jìn)行線路路徑的實(shí)時調(diào)整。在Ecan PLStation系統(tǒng)中導(dǎo)入優(yōu)化設(shè)計(jì)的線路路徑資料、野外踏勘調(diào)繪資料、等高線數(shù)據(jù)文件等,并根據(jù)需要在圖上標(biāo)注公里格網(wǎng)、高程注記和其他整飾信息后,通過糾正鑲嵌制作線路影像路徑圖,如圖4所示。

3.6 三維漫游展示

為了從宏觀上直觀了解線路路徑走向,判斷線路路徑周邊的環(huán)境影響,并方便線路路徑的審查匯報(bào)工作,需要結(jié)合三維模型對線路路徑進(jìn)行三維展示。在Ecan PLStation系統(tǒng)中通過DEM和DOM數(shù)據(jù)創(chuàng)建漫游展示三維場景的地形和紋理信息,結(jié)合線路路徑坐標(biāo)和桿塔排位文件,實(shí)現(xiàn)輸電線路路徑的漫游展示,如圖5所示。

4 結(jié)語

遙感技術(shù)給輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種新型的數(shù)據(jù)源,多源遙感影像的靈活選用解決了線路工程基礎(chǔ)資料匱乏的問題,實(shí)現(xiàn)了輸電線路在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì),取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。在烏東德至白邑變線路工程應(yīng)用中,優(yōu)化設(shè)計(jì)工作降低了工程投資造價(jià),提升了勘測設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量,減小環(huán)境、氣候、政治等因素對工程建設(shè)的影響,并豐富了設(shè)計(jì)成品的移交形式。