三維地理模型在電力設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

方 飛，黃 戰(zhàn)，胡益明，曹 霧，時(shí)偉龍，何 巖

（1.安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥 230000；2.安徽宏源電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

在輸電線路三維數(shù)字化設(shè)計(jì)中，三維地理信息數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)。只有基于精確、全面的三維地理信息數(shù)據(jù)，才能在三維環(huán)境中進(jìn)行路徑優(yōu)化、桿塔設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)配置和施工方案策劃。而構(gòu)建三維地理信息數(shù)據(jù)要素主要通過(guò)地形起伏、地物的地理采集和地質(zhì)勘察，對(duì)實(shí)現(xiàn)輸電線路三維設(shè)計(jì)起著極其重要作用。

通過(guò)構(gòu)建電力設(shè)計(jì)中三維地表模型，可實(shí)現(xiàn)：電力設(shè)計(jì)中變電站站址土方量精確計(jì)算；優(yōu)化可研及初步設(shè)計(jì)階段路徑方案；為電力設(shè)計(jì)施工圖預(yù)算提供數(shù)據(jù)支撐；立體展示區(qū)域地質(zhì)情況信息；自動(dòng)化生成相應(yīng)勘察設(shè)計(jì)圖紙，減少圖紙差錯(cuò)率[1]。

1 建模

三維地表模型的構(gòu)建時(shí)，主要分為數(shù)據(jù)采集（圍繞地形、地貌、建筑物、道路、植被等，獲取遙感影像、地形圖、地質(zhì)圖、空間位置數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)信息）、數(shù)據(jù)處理和分析（主要進(jìn)行空間、地形、地貌、空間關(guān)系等處理分析）、三維模型構(gòu)建（基于立體繪制、數(shù)字高程模型、不規(guī)則三角網(wǎng)等方法構(gòu)建模型）、模型渲染及可視化處理（提高模型的可視化程度，降低觀察分析難度）、進(jìn)行交互操作及分析（根據(jù)后續(xù)處理需要，對(duì)模型進(jìn)行多視角旋轉(zhuǎn)、縮放、平移等操作），共計(jì)5 個(gè)環(huán)節(jié)。

高程模型上，形成地表地形地貌的三維模型。建模通常需要運(yùn)用以下兩種技術(shù)。

1.1 傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是指利用無(wú)人機(jī)，斜向拍攝地表，進(jìn)而獲取三維信息，流程如下：①使用無(wú)人機(jī)、飛機(jī)或衛(wèi)星等載具，搭載高分辨率相機(jī)，斜向拍攝地表。相機(jī)的拍攝角度、拍攝間隔、飛行高度等參數(shù)需要根據(jù)地表的特性和模型的需求進(jìn)行設(shè)定。②使用Pix4D、Agisoft 等，進(jìn)行圖像配準(zhǔn)、拼接、校正等處理，生成高質(zhì)量的傾斜攝影圖像。③根據(jù)處理后的圖像，利用圖像的視差，進(jìn)行三維重建，生成地表的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以表示地表的三維形狀，包括地形、建筑物、道路、植被等。④基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建地表的三維模型。模型可以是數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字地形模型（DTM）、數(shù)字表面模型（DSM）等。模型的構(gòu)建需要使用專門(mén)的軟件，如ArcGIS、3DMax 等。⑤對(duì)模型進(jìn)行紋理映射、光照處理等渲染，使模型具有真實(shí)感；然后通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形顯示設(shè)備，實(shí)現(xiàn)模型的可視化[2]。

1.2 激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)

激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)（LIDAR）是一種利用光的傳播和反射原理，通過(guò)發(fā)送和接收激光脈沖來(lái)測(cè)量物體距離的技術(shù)，該技術(shù)在構(gòu)建三維地表模型中有著廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)的應(yīng)用流程如下：①激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射激光脈沖并接收反射回來(lái)的激光信號(hào)，通過(guò)測(cè)量激光脈沖往返的時(shí)間，可以計(jì)算出激光與物體的距離。通過(guò)這種方式，激光雷達(dá)系統(tǒng)可以采集到大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含了地表的三維信息。②由于激光雷達(dá)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量非常大，需要經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)據(jù)處理才能應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)清洗、濾波、分類、配準(zhǔn)等，期間可能需要使用到GIS 工具或者專用的點(diǎn)云處理軟件。③基于處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建地表的三維模型。在這個(gè)過(guò)程中，可能需要插值、光滑、擬合等處理，以生成連續(xù)的地表形狀。④對(duì)模型進(jìn)行紋理映射、光照處理等渲染，使模型具有真實(shí)感；然后通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形顯示設(shè)備，實(shí)現(xiàn)模型的可視化。模型的可視化可以幫助用戶更好地理解和分析地表的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和變化[3]。

2 應(yīng)用

通過(guò)應(yīng)用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)獲取高精度、高質(zhì)量地理信息數(shù)據(jù)，構(gòu)建地表三維地理模型。同時(shí)將地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)輸入已構(gòu)建的三維地理模型中，形成集成地表及地下的三維地理信息模型。

具體的優(yōu)化策略應(yīng)集中在以下3 個(gè)方面：①無(wú)人機(jī)航測(cè)的質(zhì)量直接影響到三維模型的精度。因此，需要根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的無(wú)人機(jī)型號(hào)和相機(jī)設(shè)備，同時(shí)，規(guī)劃合理的飛行路線和高度，以確保覆蓋所有需要的地區(qū)。在復(fù)雜的地形或城市環(huán)境中，可能需要進(jìn)行多次飛行以獲取全部數(shù)據(jù)。此外，無(wú)人機(jī)的飛行過(guò)程中可能會(huì)受到天氣和環(huán)境因素的影響，因此，需要在飛行前仔細(xì)檢查這些因素，并在必要時(shí)做出調(diào)整。②無(wú)人機(jī)航測(cè)得到的數(shù)據(jù)通常需要進(jìn)行一系列的預(yù)處理，包括圖像配準(zhǔn)、去噪、矯正等。在這個(gè)過(guò)程中，可以利用自動(dòng)化和人工智能技術(shù)來(lái)提高處理速度和質(zhì)量。例如，可以使用深度學(xué)習(xí)算法來(lái)自動(dòng)識(shí)別和分類地表特征，減少人工干預(yù)的需要。③在構(gòu)建三維模型時(shí)，需要根據(jù)數(shù)據(jù)的特性和應(yīng)用需求選擇合適的模型類型和參數(shù)。同時(shí)，也需要注意模型的計(jì)算效率和存儲(chǔ)效率，避免生成過(guò)于復(fù)雜或大型的模型。此外，可以利用現(xiàn)有的GIS 和三維建模軟件來(lái)簡(jiǎn)化模型構(gòu)建的過(guò)程。按照上述策略，可以得到復(fù)雜區(qū)域選線高清影像（圖1）。

圖1 復(fù)雜區(qū)域選線高清影像

2.1 優(yōu)化桿塔位置

在構(gòu)建三維地表模型的過(guò)程中，桿塔的位置優(yōu)化是非常重要的一環(huán)。首先，通過(guò)對(duì)激光點(diǎn)云的處理來(lái)獲取高精度的DEM（數(shù)字高程模型）和DSM（數(shù)字表面模型）。這兩者都是用來(lái)表征地面形狀的模型，區(qū)別在于DEM 只包含自然地貌的高程信息，而DSM 還包括了建筑物、植被等地表物體的高程信息。其次，在獲得DEM和DSM 之后，可以利用攝影測(cè)量軟件對(duì)影像進(jìn)行正射糾正，得到高精度的DOM（數(shù)字正射影像圖）。DOM 是從空中拍攝的傾斜影像經(jīng)過(guò)正射糾正后得到的，它具有很高的位置精度和幾何分辨率，可以清晰地顯示地面物體的位置和形狀。最后，在上述模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行桿塔的位置優(yōu)化。根據(jù)DEM 和DSM，可以了解地形地貌和地面物體的分布情況，從而避免在地形陡峭、植被密集或建筑物多的地方設(shè)立桿塔。另外，還可以根據(jù)DOM 來(lái)精確地確定桿塔的位置，以確保其在地面上的投影位置與實(shí)際位置一致。

2.2 估算砍伐面積

利用激光雷達(dá)點(diǎn)云完成地面濾波后，參考地面點(diǎn)按不同高度對(duì)植被進(jìn)行分類處理，得到全線范圍內(nèi)的植被分布區(qū)域。從植被分布區(qū)中可直觀地判斷需砍伐植被的位置，應(yīng)用面積查詢工具可估計(jì)需砍伐植被的面積，從而避免了不必要的植被砍伐，減少了建設(shè)輸電線路對(duì)環(huán)境的破壞。

2.3 樹(shù)高、房高測(cè)量

應(yīng)用激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以方便快捷地測(cè)量設(shè)計(jì)線路走廊內(nèi)植被的高度、房屋的高度等，避免了傳統(tǒng)航測(cè)作業(yè)中由內(nèi)業(yè)人員逐點(diǎn)進(jìn)行立體量測(cè)的煩瑣過(guò)程。圖2 為已完成分類的地面及不同高度植被測(cè)量。

圖2 房屋自動(dòng)提取統(tǒng)計(jì)

2.4 實(shí)時(shí)獲取斷面

（1）利用LIDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以快速獲取不同方向、不同深度的斷面圖，可方便地觀看設(shè)計(jì)電力線與周?chē)匚镌诳臻g上的關(guān)系，如交叉線路在高程上的差異、設(shè)計(jì)線路與走廊范圍內(nèi)植被的高差等，有利于設(shè)計(jì)線路及桿塔的高度。結(jié)合DSM 和DOM 得到的真實(shí)三維場(chǎng)景與實(shí)際的地形、地貌和地物條件相差很小，最小在厘米級(jí)。利用三維真實(shí)場(chǎng)景圖在室內(nèi)選線不受視線范圍的限制，大大減少了野外選線的工作量[4]。

（2）應(yīng)用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)大范圍基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)采集。以數(shù)字航片或衛(wèi)片的外定向參數(shù)和數(shù)字地形模型（DTM）或數(shù)字地表模型（DSM）作為源數(shù)據(jù)，生產(chǎn)高質(zhì)量的正射影像，可處理單景影像，也可同時(shí)處理測(cè)區(qū)內(nèi)的多景影像。由航片自動(dòng)提取DEM，利用基于要素及最小直角匹配技術(shù)生成高密度點(diǎn)云，從而以不同方式提取DEM[5]。

（3）通過(guò)結(jié)合傳統(tǒng)測(cè)繪加密沿線布置控制點(diǎn)，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。通過(guò)沿線布設(shè)與國(guó)家控制網(wǎng)聯(lián)測(cè)的加密的控制點(diǎn)，核對(duì)及校正航測(cè)成果的準(zhǔn)確性。

（4）將地質(zhì)勘察報(bào)告中的信息要素建庫(kù)并進(jìn)行地質(zhì)分層可視化分析。加入三維地質(zhì)直觀化要素，根據(jù)基于GIS 軟件對(duì)地質(zhì)描述附著屬性，將地質(zhì)勘察報(bào)告的技術(shù)參數(shù)信息圖示直觀化，通過(guò)點(diǎn)擊即可了解擬立塔位置的地質(zhì)信息，不用再通過(guò)原始數(shù)據(jù)來(lái)查看塔基基礎(chǔ)配置合理性，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程。

（5）在構(gòu)建的三維模型中提取屬性信息，自動(dòng)生成勘測(cè)圖紙。通過(guò)構(gòu)建的三維地理信息模型，施工圖階段勘測(cè)圖紙一體化生成?？勺詣?dòng)生成線路路徑平斷面圖、拆房分布圖以及通道清理圖等施工圖階段勘察圖紙。具備出圖速度快，準(zhǔn)確度高的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可根據(jù)路徑優(yōu)化調(diào)整，快速生產(chǎn)相應(yīng)圖紙，及以后的數(shù)字化移交[6]。

3 效果

通過(guò)構(gòu)建電力設(shè)計(jì)三維地理模型的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了6個(gè)方面顯著的效果。①減少外業(yè)勘測(cè)頻次，縮短勘測(cè)周期。②測(cè)繪數(shù)據(jù)精度高。③勘測(cè)三維數(shù)據(jù)完整性強(qiáng)。④減少其他輔助信息采集任務(wù)量，如電力廊道樹(shù)木數(shù)量、樹(shù)種以及房屋等信息。⑤提供三維實(shí)時(shí)瀏覽模式。⑥在地表三維地理模型中加入了地質(zhì)勘察要素，形成了勘察數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員不用在查閱繁雜的紙質(zhì)資料或電子版資料，所有的地理信息要素通過(guò)三維模型即可顯示屬性特征[7]。

4 與同類先進(jìn)成果主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比情況

課題成果具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“三維地表模型構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)研究”，相較于國(guó)內(nèi)外同行業(yè)技術(shù)，有以下方面顯著優(yōu)勢(shì)。

4.1 數(shù)據(jù)精度高

通過(guò)高精度DOM 和DEM 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的建立獲取高精度的三維地形模型，精度可達(dá)到±5cm 以內(nèi)，為整個(gè)設(shè)計(jì)階段提供了全面、高精度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.2 勘測(cè)三維數(shù)據(jù)完整性強(qiáng)

在專用的三維設(shè)計(jì)平臺(tái)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了各專業(yè)、各設(shè)計(jì)階段勘測(cè)資料的整合，打破了各專業(yè)資料規(guī)格、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的局面，實(shí)現(xiàn)了勘測(cè)專業(yè)提資“一張圖”統(tǒng)一管理[8]。

4.3 提供三維實(shí)時(shí)瀏覽模式

三維場(chǎng)景瀏覽是三維地理信息系統(tǒng)最基本的功能，它使用戶對(duì)虛擬三維虛擬場(chǎng)景進(jìn)行全方位、多角度的觀察瀏覽。本系統(tǒng)能對(duì)由地表及地上地下實(shí)體模型組成的三維場(chǎng)景全局或局部進(jìn)行實(shí)時(shí)漫游。

5 結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)，三維地理模型在電力設(shè)計(jì)中的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)的前景和重要的價(jià)值。傾斜攝影技術(shù)和激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，使得我們可以以前所未有的精度和效率獲取和處理地理信息，從而構(gòu)建出高質(zhì)量的三維地理模型。這些模型不僅為電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的地理數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也使得設(shè)計(jì)者可以更直觀、更全面地理解地形地貌和地面物體的分布情況，從而進(jìn)行更科學(xué)、更合理的設(shè)計(jì)。事實(shí)上，這些技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成功地解決了許多傳統(tǒng)電力設(shè)計(jì)中的困難和挑戰(zhàn)，例如桿塔位置的優(yōu)化、服務(wù)范圍的規(guī)劃等。

盡管這些技術(shù)在電力設(shè)計(jì)中的應(yīng)用取得了顯著的成果，但還需要進(jìn)一步研究和探索。對(duì)于傾斜攝影技術(shù)和激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的改進(jìn)、對(duì)于數(shù)據(jù)處理和模型構(gòu)建的優(yōu)化、對(duì)于模型應(yīng)用的延伸等方面，仍有許多工作需要我們?nèi)プ?。未?lái)，期待通過(guò)進(jìn)一步的研究和實(shí)踐，將三維地理模型在電力設(shè)計(jì)中的應(yīng)用推向新的高度，以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的更高效率、更高質(zhì)量和更低成本，為社會(huì)的持續(xù)發(fā)展和人民生活的改善做出更大的貢獻(xiàn)。