基于航測技術的線路三維實景設計平臺研究

余婧峰 尹磊

摘 要：本文闡述了三維實景架空輸電線路設計平臺在優化輸電線路設計中的具體技術流程。通過空三加密技術恢復三維實景立體模型，在實景模式下開展線路的初期大方案比選、后期優化排塔，對整體線路設計起到的優化作用。此實景線路設計平臺實現了塔桿平斷面與線路路徑圖地聯動修改，達到工期縮短、人工成本降低，最終提升設計的整體質量。

關鍵詞：三維實景 攝影測量技術 路徑優化設計

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0077-03

隨著全數字航測技術在電力行業應用中的不斷深入，基于航測技術展開的各項電力設計優化方案正在逐步被普及，架空輸電線路優化選線設計便是其一。以航空、航天攝影測量技術為支撐，在實景三維模式下比選出輸電線路的優化路徑方案，準確反映出線路設計范圍內的房屋、公路、水系等地表信息，最終實現精確架空輸電線路平斷面地形的獲取及電力塔桿的合理排位。此項研究的開展能極大地削減了傳統線路外業勘測作業的工作量，并將以往難以實現的線路多方案比選在真實的三維環境下變為了現實。總體而言，此研究能提升線路勘測設計的總體質量，縮短勘測設計的周期，減輕外業工作的工作強度，從而降低工程的整體造價。

1 全數字航測三維實景優化選線技術簡介

全數字化航空攝影測量系統是借助衛星、飛機、GPS（全球定位系統）等高新測繪手段，通過專業的航測數據處理工作站系統，將多源影像資料（如航片、衛片、遙感片等）生產為二維平面數字化產品或三維數字化立體模型等多種衍生數字化產品。

三維實景優化選線技術最早來源于美國軍方海拉瓦（HALAVA）系統[1]。此優化選線設計方式能輔助線路工程的勘測設計，不僅能做到線（路徑）位（塔位）結合，使路徑方案得到優化，達到塔桿的優化排位和方案的比選，進而形成有足夠深度的施工圖資料及概算資料，為提高工程質量，降低工程投資、縮短工程建設周期提供了技術支持。該技術的應用，可全面實現勘測設計一體化，達到輸電線路設計的安全可靠、經濟合理、資源節約、環境友好。

2 三維實景輸電線路優化設計應用

三維實景架空線路優化設計研究是在數字航測技術構建的三維立體地表模型基礎上實現的。參與設計的各專業人員在真實三維環境下開展線路設計，能夠直觀、準確地觀看到當前地表的真實信息，使路徑方案建立在“全局化、立體三維化、數字化”的決策基礎上，得到設計優化、路徑合理的架空線路設計方案。具體而言，整個實景線路設計平臺分為三維立體模型構建-線路方案優化設計-成果校驗提交三個大板塊（見圖1）。

2.1 三維立體模型構建

（1）收集航飛數據。

按照線路設計可研及初步設計階段的設計依據，在1∶50000地形圖上布設出線路的航飛航帶，依據地形圖中標注出航帶中心線起止經緯度。依照1∶10000比例尺沿線路路徑走向進行帶狀航空攝影，航片帶寬在2～3 km范圍間。

（2）像控點布設及外業調繪。

一般情況下，像控點的布設原則為每景影像4～9個點。當采用沿路徑兩側方法時，每景影像不少于6個點。像控點布設需均勻，相鄰的點間距以1.5 km為宜，并且相鄰航帶間不得少于兩個公共像控點。

（3）空三加密及三維立體模型構建。

結合航拍公司提供的航空相機信息，專業技術人員采用裸眼3D的觀測方式，實現外業像控點坐標信息向航空影像上的準確轉點，從而得到構建三維立體實景模型所須的內方位三參數、外方位七參數。隨后，在全數字航測工作站系統上構建航帶測區、添加航帶間的連接點，引入空三加密內外方位信息，將所有航空影像恢復到在地球地理空間中的真實坐標方位[2]。最終，進行影像間的相對定向與絕對定向，創建出地理坐標真實的三維實景立體模型。空三加密示意圖見圖2。

2.2 架空線路方案優化設計

（1）初期路徑方案三維實景比選。

在科研及設計的初期階段，線路、電氣、地質專業三方人員與航測專業人員相配合下，在全數字航測工作站上進行路徑大方案的三維實景比選。選線時，勘測設計人員戴上專業的三維立體眼鏡，可以在全數字航測工作站屏幕上看到真實的現場立體模型，視野范圍廣闊。實景立體模型不僅可以顯示出地面上任意點的真實地理坐標、高程值，還能獲取點與點之間的真實距離、坎與坎之間的相對高差等實地信息。選線過程中，設計人員通過觀察線路沿線的實地狀況，按照路徑長短、地質情況穩定、跨越點最佳、交通方便四大因素，結合收資和協議情況，合理地避讓線路設計沿線的城鄉開發區、自然風景保護區，采礦場以及軍事和民用重要設施（如飛機場、導航臺、無線電發射臺[3]。最終，各專業人員結合多方面綜合因素，在三維實景環境下比選出最為優化的初期輸電線路路徑大方案。初期路徑大方案比選示意圖詳見圖3。

此外，專業人員還可以通過全數字航測工作站對立體模型進行高程值內插運算處理，從而快速地得到一個航帶范圍內的大場景數字地表概略模型。導入路徑大方案所確定的轉角塔坐標信息，全數字航測工作站能夠自動從大場景地表模型中提取出線路沿線的概略地形斷面圖。此概略斷面圖能夠大致地顯示出設計線路沿線地形地貌的整體走向，為送電線路的電線選擇、桿塔規劃和工程概算提供基礎資料。電氣專業人員在此概略斷面圖上進行預排塔，可以提供出符合實際情況的材料量和工程量，為工程決策和招投標服務創造有利的技術條件。

（2）全數字航測系統精化平斷面測繪。

此項工作由航測專業人員佩戴專業立體觀測眼鏡在全數字航測工作站上完成。通過中期的現場勘測，線路人員將精確的轉角塔坐標信息反饋給航測內業作業員。航測人員利用手輪、腳盤等外部測圖設備，根據現場實勘獲取的轉角塔坐標信息，在三維實景立體模型上精確地提取出線路中線、左右邊線、風偏線所在位置的精確地形信息及高程數據。線路平斷面立體測量實景圖見圖4。

平斷面地形圖的測繪，大大減少了人工的野外勞動強度，同時也盡可能地降低了線路行進方向上植被的砍伐[4]。此地形剖面數據交接于電氣專業人員后，可用于線路定線時的準確塔桿排位。在提取斷面信息的同時，航測人員會相應地勾畫出線路范圍內所涉及的河流水系、房屋城鎮、農田林場等地物要素，便于進行進一步更為合理的局部改線調整，使得線路的走向盡可能地回避村莊、規劃區、采石場、自然保護區等重點地物類型，減少線路沿線房屋拆遷轉移的工作量，有效地保護線路沿線的生態環境。

（3）基于精化平斷面地形數據的塔桿排位。

在完成了線路精化平斷面地形數據的量測后，航測人員會將成果數據與電氣、線路專業人員進行交接。電氣、線路專業人員獲取此精化路徑平斷面數據后，可以在其上進行電力桿塔的優化排位，使桿塔的布設位置更加經濟、更加合理。依據此精化平斷面地形數據，線路設計人員在進行塔桿排位時就更為準確直觀、有理可循。結合前一步獲取的線路沿線地物要素信息（房屋、公路、自然保護區等），線路設計人員能夠對沿線的微地形、微氣候、相對高差進行判斷，準確獲取線路至沿線房屋的距離、交叉跨越角度等信息，合理劃分冰區，最終在較大范圍內達到電力塔桿布設方案的優選，做到“瞻前顧后、左顧右盼”，從而達到“線（路徑）中有位（塔位）、以位正線”的線路設計原則[5]。塔桿優化排位示意圖詳見圖5。

（4）線路全線三維實景漫游。

通過全數字航測工作站對三維實景立體模型進一步編輯，能夠得到每一景立體模型的衍生數字化成果產品：數字高程地表模型（DEM）、數字正攝影像（DOM）。航測人員將每一景立體模型的數字高程地表模型、數字正攝影像進行分幅拼接，獲得架空輸電線路全線的大場景數字高程地表模型、數字正攝影像圖數據。將二者配準、疊加，最終創建線路全線大場景立體實景模型。三維漫游模型實景圖詳見圖6。

基于全數字航測工作站的三維線路實景漫游平臺，將大場景立體模型于線路全線坐標數據進行疊合，產生三維實景架空線路漫游模型。在三維實景架空線路漫游模型中，線路上的各個鐵塔被建模，以實物的形象架設在大場景地理模型上。設計人員可以通過調整視線角度、視角高度等參數，360°地觀看每個鐵搭在三維實景環境中的真實架設情況。此外，三維線路實景漫游平臺提供線路實景漫游功能。通過設置漫游的飛行高度和相機視線角度，漫游平臺會自動按線路路徑逐塔位的漫游飛行，使線路設計人員對全線路的塔桿整體排位、架設情況進行一次可視化、近距離的實景觀看。三維實景漫游功能將線路設計成果由二維的平面圖紙變為了三維的實景觀看，使得設計成果更為直觀具體。設計人員結合三維漫游中的實景觀看情況，可以對線路的最終設計成果進行整體的感知。如遇到與設計初衷不一致的塔桿塔位，可以進行進一步的細部改線微調。

3 成果校驗及產品提交

通過采用三維實景架空線路優化選線平臺，全階段能夠獲得的數字化成果產品如下：

（1）三維實景立體模型及數字化地表模型；（2）航空影像路徑方案圖；（3）1∶5000、1∶10000正攝影像線路路徑圖；（4）優化路徑平面圖及轉角塔基三維坐標；（5）線路精化平斷面圖；（6）房屋分布圖、跨越房屋統計表及房屋航空影像截圖；（7）線路沿線大場景立體實景模型；（8）三維實景架空線路漫游模型。

4 結論

應用三維實景架空線路設計平臺進行線路的全周期設計，能輔助架空輸電線路的優化設計，研究的具體效益如下：

（1）合理縮短路徑全線長度，配合優化排位，可減少桿塔的使用數量，進而減少鋼材量，降低工程的整體投資。

（2）線路勘測設計模式由室內全數字航測工作站替代了傳統的室外實地選線，降低了勘測設計人員的勞動強度。通過路徑的三維實景比選，路徑方案切實可行，達到縮短工期、提高工效的目的。

（3）選擇路徑時能夠直接觀察到線路沿線的真實地形及森林覆蓋情況，采取必要的跨域、避讓方案，減少了林木的砍伐，有效地保護了生態環境。有效地避讓房屋，減少了房屋的拆遷量。

（4）成果資料可為數字化線路提供基礎數據，也可為線路后續的施工改造及運行維護（如，冰區改造、故障搶修等提供快捷的服務）。

綜上所述，全數字化航空攝影測量系統是對航天攝影、GPS全球衛星定位系統等多種現代化新興測繪手段的高度集成，形成了一套適用于輸電線路設計的完整生產作業流程，在線路設計路徑優化、精化平斷面測繪等方面較之傳統的勘測手段有顯著提高。這一技術在電力設計行業內的逐漸普及，將徹底解決傳統線路勘測中常見的資料時效性過差、測量作業工期漫長、大跨越高海拔地區數據采集困難、線路沿線環境保護不力等問題，對提高勘測設計質量，最終達到安全可靠、經濟合理、資源節約型、環境友好型電力工程，具有顯著的社會經濟效益。

參考文獻

[1] 黎智，龔學海.海拉瓦技術在輸電線路優化設計中的應用[C].貴州省電機工程學會2009年優秀論文集，2009（11）.

[2] 黃群，王錦超，徐忠明.VirtuoZo-AAT空三加密中的應用技巧[J].電力勘察設計，2010（3）.

[3] 湯堅.特高壓架空輸電線路二三維交互優化選線技術的研究與系統設計[J].電網技術，2012（24）.

[4] 張力，楊戰輝.用VirtuoZo數字攝影測量工作站生產DEM、DOM的主要技術問題探討[J].電力系統自動化，2010（7）.