DMC數碼航測技術在變電站站址優化中的應用

孫運濤

(北京洛斯達數字遙感技術有限公司，北京 100120)

DMC數碼航測技術在變電站站址優化中的應用

孫運濤

(北京洛斯達數字遙感技術有限公司，北京 100120)

基于DMC平臺和航空攝影測量技術，本文通過工程實際應用闡述DMC航攝儀用于變電站區域網空三加密的具體方法，并結合工程試驗數據分析DMC數據的平面和高程精度，探索該技術在變電站站址優化中的應用。

DMC；航空攝影測量；站址優化；精度分析。

1 概述

傳統的變電站選址的方式是根據已有的1∶5萬和1∶1萬的地形圖進行選址，其大多為20世紀60年代、70年代的陳舊信息，實際地物發生了很大變化，特別是房屋及其它建筑物，傳統方法很難規劃出經濟的所址和出線方案。現階段大多利用衛星數據和普通航片通過航空攝影測量技術進行變電站優化，考慮到出線規劃、工程成本控制、保護農田、林木砍伐、土石量開方等破壞環境的因素，如何提高換流站站址優化數據精度、更好的輔助變電站站址優化，及出線路徑規劃等問題，值得深入研究。目前以DMC為代表的框幅式數碼航攝儀已得到廣泛應用，因其分辨率高、紋理細膩、影像清晰而提高數據質量和工作效率。本文通過向家壩－溪洛渡1000 kV特高壓工程中趕場壩測區論述了DMC航攝儀用于變電站區域網空三加密的具體方法。

2 DMC航攝儀及應用簡介

DMC(Digital Mapping Camera，簡稱DMC)航攝儀是美國Intergraph 公司于2001年開始開發的一款數字框幅式航攝相機，它含有4個7K×4K高分辨率全色鏡頭，4個多光譜3K×2K鏡頭(紅、綠、藍、近紅外)和1個備用鏡頭，DMC數字航攝儀通過鏡頭的幾何檢校、影像匹配以及相機自檢校和光束法空中三角測量技術等將4個全色鏡頭獲得的4個中心投影的影像拼合成1幅具有虛擬投影中心、固定虛擬焦距(120 mm)的虛擬中心投影“合成”影像，分辨率為7680×13824。同樣，4個多光譜鏡頭能獲得覆蓋4個全色鏡頭所獲得影像范圍的影像，通過影像匹配和融合技術可將4個多光譜鏡頭獲取的影像與全色的“合成”影像進行融合，進而得到高分辨率天然彩色影像數據或彩紅外影像數據(分辯率為7680×13824)。DMC具體參數見表1。

表1 DMC航攝儀具體參數

3 基于DMC的航空攝影和空三加密

3.1 航空攝影

DMC航空攝影除了一般送電線路的常規要求外，還要注意以下三點：

⑴方式：由于變電站優化及進出線走廊規劃是在區域網內，為保證選址規劃的宏觀性和全局性，采用區域網航飛的方式。

⑵范圍：規劃出線一般考慮以換流站為中心3 km范圍，因此航飛區域一般為變電站為中心周邊6 km×6 km范圍。

⑶比例尺選擇：在電力勘測中換流站設計一般需繪制1∶2000或1∶1000大比例尺地形圖。按照國標GB6962-86中2.3.3.3款規定選擇航攝比例尺，如表2所示。目前DMC航攝儀沒有統一規范，如果成圖1∶2000可以選擇1∶15000左右比例尺航飛，最大可以放到1:20000航攝比例尺。

表2 比例尺的選擇

3.2 像控點布設

像控點為航測內業空三加密及測圖依據，分為平面控制點、高程控制點、平高控制點三種。區域網布設外控點要滿足1∶5000正射影像成圖和1∶2000數字化測圖的精度要求。

按照國家標準GB15967-1995中3.2數字化測圖的精度。內業加密點對野外控制點的中誤差不得大于表3、表4中的規定。

表3 平面精度 單位：mm

表4 高程精度 單位：mm

對于傳統航攝數據影像來說，區域網的平高點按照周邊密集布點的方式，基線旁向控制點間的跨度，平地、丘陵地不大于3條航帶，山地、高山地不大于4條航帶；航向相鄰控制點間的跨度按下面公式估算。

式1中，ma為加密點的平面中誤差，/mm；mh為加密點的高程中誤差，/m；K為像片放在成圖倍數；H為相對航高，/m；b為像片基線長度，/mm；mq為量測的單位權的中誤差；n為相鄰控制點的像片基線數。

一般采用按航帶布點的方式，航向之間按上式計算間隔跨度，滿足單航帶布點要求，旁向之間保證相鄰航帶之間均有公共點，即控制點選在旁向重疊中線附近，離開中線不大于3 cm，當旁向重疊過大時分別布點。而在換流站周圍小范圍內采用全野外布點方式，提高測圖精度。

趕場壩測區工程計算航向間隔跨度由表5可以看出，對于DMC數碼影像來說，理論上不超過5條基線跨度可以滿足1∶5000正射影像圖和1∶2000山丘地數字化測圖高程精度要求。

表5 控制點分布跨度

3.3 航測內業

趕場壩測區完成航飛5條航帶，每航16張像片，航攝比例尺是1∶15000，整體數據量較大。采用海拉瓦全數字攝影測量系統進行空三處理過程如下：

⑴影像輸入：輸入相機參數，通過批處理的方法使原始影像(*.tif)生成放大4倍至縮小256倍的金字塔影像。批處理的同時生成影像支持文件(*.sup)、內定向文件(*.iop)等空三項目基礎文件。

⑵內定向：DMC數碼影像，影像內定向殘差均為0 (具體順序見圖2中的1、2、3、4，單位mm)。內定向相片坐標系示意見圖1。

圖1 內定向相片坐標系圖

⑶自動點測量與交互式編輯：區域網空三首先量測像片的航向和旁重疊度，提高自動空三的成功率。海拉瓦系統設置航向重疊度是用%形式表示，相鄰兩張像片均需設置，這與單航帶的設置一樣。旁向重疊只設置相鄰航帶的起始像片，用像片主點相對距離的方式表示，即上一條航帶第一張像片主點為原點，航飛方向為X，垂直方向為Y方向，量測相鄰航帶第一張像處主點相對此像片主點的位置，因此一般y值為負，x值可正可負。最后一張像片旁向重疊量測方式相同，這樣可以測得各相鄰航帶旁向重疊參數。

自動點量側按照設置好的3×3模板進行自動連接點提取，保證每個標準點位至少兩個連結點(TIE點)。自動提取完成后應盡量檢查編輯點位，對量測失敗點位進行人工量測加密，并量測相應的三度重疊和旁向重疊。連結點提取時所采用的布點模式見圖2。

圖2 連接點提取時的布點模式

⑷像片控制點量測：根據外業控制點位和描述，在立體像對上量測控制點，不能擅自改動位置或更改像控點用途。

⑸生成地面模型(DTM)：區域網一般按照單航帶生成DEM，每航約7片左右，按步距10m×10m，經過自動地形采集(ATE)建立不規則的三角網數字地面子模型，對于子模型與實際地形不相符的情形可通過人工干預編輯。將分段DTM合并成單航DTM，然后將數航合并形成區域網的規則格網模型。

常規膠片航空攝影從攝影到數字影像的過程會產生很多系統誤差，如攝影物鏡畸變差、攝影材料的幾何變形、膠片的壓平誤差、底片暗匣的改變過程等都會使加密成果受到系統誤差影響，經常要使用自檢校法補償系統誤差而提高加密精度。而DMC航空影像則避免了上述過程中的影響因素，很大程度上減少了系統誤差對空三加密成果的影響，提高了加密精度。

4 DMC數據精度檢測

4.1 平面精度檢測

本次工程換流站位于西南地區，地形條件較復雜，尋找平面檢測點難度不小，本試驗選取了換流站站址內已測特征點，與立體模型下進行計算比較，參照差值見表6。

表6 趕場壩換流站平面檢測差值表(DMC與外業檢測點)

4.2 高程精度檢測

趕場壩測區外業實測高程檢測點340個，經過在立體模型下觀測比較，算術平均值-0.11m，高程中誤差0.24m，高程差值分布為-0.61～0.42，見圖3、圖4、圖5。

由誤差統計及概率論可知，誤差出現在 [-σ, σ]， [-2σ, 2σ]， [-3 σ ,3σ]區間的概率為：P(-σ≤Δ≤σ)＝68.3%，P(-2σ≤Δ≤2σ)＝95.5%，P(-3σ≤Δ≤3σ)＝99%。而本工程檢測數據的誤差分布為：

P(-σ≤Δ≤σ)＝6 8.8%，P(-2σ≤Δ≤2σ)＝97.6%，P(-3σ≤Δ≤3σ)＝100%高程誤差分布合理，精度滿足要求。

圖3 像控點、檢查點分布圖

圖4 高程差值分布圖

圖5 高程差值分布圖

5 變電站站址優化應用

5.1 土石方計算應用

利用已有變電站站址DEM數據，在海拉瓦系統中基于MicroStation軟件開發的程序可以實時計算土石方量，或在填挖方量平衡基礎上確定變電站地平標高。可以按照站址不同位置、形狀、坡度和標高計算其開挖量。

以趕場壩換流站站址為例，計算開方最小的方案：由于地形較復雜，站址上有兩個池塘，邊坡土石方量較大，因此換流站填挖方的標高選擇相對關鍵，首先選擇與地面相近的一個標高段進行計算，比較計算結果看填挖量是否平衡，進一步優化填挖方標高、填挖方比例及采樣間隔等數據，可計算出更平衡的填挖方量，以減少環境污染、減小土石方填挖差值。如圖6、圖7。

圖6 土石方平衡計算參數設置

圖7 土石方平衡后填挖方模擬

表7 土石方平衡計算結果

通過土石方平衡計算，比較不同方案的土石方工作量，從而可以比較成本，選出較優方案。

5.2 正射影像圖及地形圖成圖

⑴正射影像圖：選定了站址影像數據和DTM快速鑲嵌，提供不同的采樣間隔值，可以在換流站范圍生成多種大比例尺正射影像。在疊加等高線、標注變電站，公里格網、地理名稱以及調繪的電力線、通訊線等信息，滿足影像地形圖要求。

⑵矢量地形圖：采用全數字攝影測量工作站JX4C進行1∶2000矢量測圖，由于DMC影像分辨率為12μm，影像數據信息豐富，清晰度高，且JX4C矢量測圖功能相對完善，立體模型影像非常清晰。為進一步提高成圖的平面和高程精度，可采用放大1.2倍或1.3倍的核線采樣倍率進行核線重采樣,使立體模型影像大而清晰，提高立體模型影像的觀測精度。但是由于DMC影像數據的攝影基線較短，會對高程精度產生一些影響。針對這一問題，根據DMC影像分辨率高的特點，進行1∶2000矢量測圖時把立體模型影像放大3至4倍，并調整影像的亮度和反差到最佳進行地物、地貌測繪，這樣可以有效提高立體模型影像的觀測精度，進一步提高平面和高程精度。

5.3 變電站出線規劃

根據加密后DMC立體模型，結合正射影像圖，精確量測變電站各個出線門架與進線門架的坐標、距離、角度等，進行區域內多條線路整體規劃。從立體模型上可以清晰觀測變電站周邊區域的環境、地形、植被、房屋、河流、電力線和通信線等信息，為變電站出線規劃建立高精度輔助設計平臺，科學合理規劃進出線路布局。

5.4 變電站三維漫游

按照變電站范圍生成地面模型和正射影像并嚴格匹配，將海拉瓦格式DTM轉成等高線，利用3DMAX從等高線生成三角網構成地形，將正射影像投影到地面上，按優化設計方案換流站放置到地面，并對變電站進行三維建模，設置相機和目標路徑，最終生成三維動畫。最后進行視頻剪輯，配合文字注解和音樂，完成后期制作。

6 總結

相對于傳統航片的站址優化，利用DMC數碼影像開展變電站站址優化設計優勢明顯。DMC數碼影像，分辨率高、紋理細膩、影像清晰，不需要彌補作業中帶來的系統誤差，提高了作業和成圖精度。利用海拉瓦全數字攝影像測量系統為變電站站址優化提供豐富的測量產品：大比例尺地形圖成圖、精確的土石方平衡計算、變電站三維漫游、變電站出線規劃等。有效提高了變電站站址優化實用性，盡可能輔助設計降低環境破壞程度、減少野外測量工作、節約資源，具有良好的社會效益、環境效益和經濟效益。

[1]殷金華，鄭小兵，鄒立．海拉瓦技術在變電所勘測設計中的應用[J]．電力勘測設計，2004，(4)．

[2]DL/T 5138-2001，架空送電線路航空攝影測量技術規程[S]．

Application of DMC Digital Photogrammetry Technology to Substation Site Optimization

SUN Yun-tao
(Beijing North-Star Digital Remote Technology Co.Ltd., Beijing 100120, China)

Based on DMC platform and photogrammetry technology, this study illustrates the speci fi c methods of DMC aerial photographic camera appling in lan aerial triangulation in substation through the practical application in projects.Moreover, the study combines the projects experimentation data to analyse the plane and elevation precision of DMC data and explore the technology in the application of optimizing substation site selection.

DMC; photogrammetry; site optimization; precision analyse.

TM75

B

1671-9913(2011)01-0064-06

2010-11-16

孫運濤(1978-)，男，山東日照人，工程師，主要從事攝影測量工作