大場景立體匹配片技術在輸電線路路徑優化中的研究

湯 堅

(廣東省電力設計研究院，廣東 廣州 510663)

目前，我國輸電線路的路徑設計工作大部分都是在“二維”地圖(地形圖或數字化的地形圖)上進行的，這種平面地圖都是通過等高線、地物邊界線或特定符號表現地形、地貌以及地物情況，其缺陷是缺乏立體感、不直觀。需要有一定地圖知識和經驗的設計人員才能準確的判斷地形和地貌的特征，使設計工作變得相當繁重冗長。傳統的輸電線路路徑選線平臺，雖然實現了在立體環境下的選線及與平斷面排位的實時交互，但選線場景的創建需要先對原始的航片進行建模，然后在單個模型下選線，選線視野的局限性及原始數據復雜的處理流程影響了選線的效果和效率。隨著近年航空航天攝影傳感器種類的增多，各種分辨率的正射影像和DEM的獲取途徑也更加豐富。如何快速創建選線的立體場景，如何創建可量測、大場景的立體環境，是提高路徑選線效率的需要，是適應現代社會電網快速發展的迫切需求。

1 大場景立體匹配片的創建原理

實現輸電線路路徑優化的技術關鍵是建立既具有量測功能，又具有三維可視化的立體模型，在立體模型中進行路徑優化設計。利用立體匹配片原理將正射影像(DOM)和數字地面模型(DEM )有機地結合，就可以建立具有量測功能的三維可視化立體模型。

立體匹配片的原理是將DEM的高程轉化為視差值，并引入正攝影像，從而產生立體效果。其最簡單的辦法是利用投射角為 A的平行光線法，如圖1所示。這時，人造左右視差值ΔX為：ΔX＝ΔZ×tanα=k×ΔZ，其中k＝tanα。

圖1 立體匹配片原理圖

該人造視差值直接反映了實地高差的變化，以地面點P為例，它相對于投影面的高差為ΔZ，該點的正射投影該點的正射投影為P0，斜平行投影為P1，正射投影得到正射影像，斜平行投影得到立體匹配片。立體觀測得到左右視差ΔP=P1P0。

由于斜平行投影方向平行于XZ面，所以正射影像和立體匹配片的同名點坐標僅有左右視差，而沒有上下視差，這就滿足了立體觀測的先決條件，從而構成了理想的三維立體設計量測環境。在這樣的影像對上進行立體量測，既可以保證點的正確平面位置，又可方便地解求出點的高程。

2 技術實現

立體匹配片可以實現地形的三維可視化與量測。其生成原理如上所述，把DEM轉為視差值引入正射影像，對正射影像進行重采樣，生成另外一張影像，即立體配對片。實現流程見圖2，實現程序省略。

圖2 立體匹配片生成流程圖

3 大場景路徑優化思路

輸電線路的路徑設計首要解決的問題是對區域的地形地貌、地面設施情況的把握，將正射影像和立體匹配片進行影像鑲嵌，建立大場景的三維立體模型，在三維可視化環境中選線。使設計人員更容易的進行地形、地物、地貌的判讀。尤其是大場景選線環境的搭建，確保設計人員對選線區域有更全局的認識。設計人員從正射影像圖上確定路徑平面方案，從數字高程模型DEM和影像上采集獲得確定路徑的平斷面，然后在平斷面上設計桿塔位。

具體路線方案優化的流程是：路徑平面設計定線→應用DEM插值得到斷面→繪制路徑兩旁規定范圍內的平面→在平斷面上排位設計→在立體模型中檢查塔位，量測塔腿坡度。當導線對地安全距離不夠，塔位高差過大造成上拔現象，或者線底跨越物過高造成路徑無法通過，當塔腿坡度過大不宜立塔等情況時，需要回到第一步重新調整路徑平面。就這樣重復循環多次，直到滿意為止。優化選線流程如圖3：

圖3 線路優化選線流程圖

圖4 大場景三維立體模型中的輸電線路路徑優化

4 實現意義

利用立體匹配片技術建立大場景三維立體模型，然后在大場景三維立體模型中進行輸電線路優化設計已經顯示出明顯的優越性：

(1)實現了輸電線路路徑優化選線環境的快速創建，縮短了線路工程工期

隨著測繪技術的快速發展，獲取數據的手段越來越先進，正射影像可以通過衛星遙感、傳統航空攝影、低空遙感等來獲取，DEM的獲取手段可以是工程測量、等高線數字化、航空攝影測量、衛星遙感像對等。豐富的數據獲取途徑，大大縮短了獲取創建選線環境所需數據的時間，同時保證了獲取數據的實效性，縮短了工期。

(2)實現了可量測、大場景選線環境的創建，提高了工作效率，保證了工程質量。

通過立體配對片技術將正攝影像(DOM )和數字地面模型(DEM )有機地結合，生成大場景的選線環境，并在可量測的立體環境中進行坡度分析、高程分析、剖面分析、威脅分析，確保線路設計成果真實可靠。

(3)實現了從二維靜態經驗選線向三維動態立體選線的轉變，提高了設計深度，降低了工程造價。

大場景立體匹配片技術的應用改變目前設計中憑經驗單向設計的方法，使線路設計建立在可靠的數字化模型的基礎上，形成科學設計方法，大大減少人為的事務，使線路設計工作在初步設計階段達到施工圖設計深度，并全面提高線路工程施工圖階段技術經濟效益。目前該技術已經成功應用在我院500kV木棉至從化輸電線路中，縮短路徑4.8%，可節省工程投資5%。

該技術的研究將加速輸電線路勘察設計一體化、智能化的進程，將推動電網建設的快速發展。

[1]張祖勛，等.三維可視化工程設計的研究[J].武漢大學學報(信息科學版)，2002，27(4).

[2]張劍清，等.攝影測量學[M].武漢：武漢大學出版社，2003.

[3]張祖勛，張劍清.數字攝影測量學[M].武漢：武漢測繪科技大學出版社，1996.