三維地理信息系統在輸電線路設計中的應用

梁經勇

（中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司湖南長沙410007）

三維地理信息系統在輸電線路設計中的應用

梁經勇

（中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司湖南長沙410007）

首先介紹了電力工程三維地理信息系統的實現過程，主要包括軟件的總體設計、構成系統的主要數據源、數據的組織與管理。緊接著闡述了電力工程三維地理信息系統的主要功能，最后介紹了系統在輸電線路設計中的應用，實踐表明，三維地理信息系統對輸電線路設計有著重要作用。

三維地理信息系統；輸電線路；勘測設計

1 引言

基于當前高壓輸電線路設計中遇到的傳統地形圖陳舊而商業遙感數據又價格昂貴等實際問題，同時隨著攝影測量及遙感技術的蓬勃發展，國內外能夠向公眾免費開放的DEM及影像數據精度的不斷提高，在這些數據的基礎上開發出自己的三維輸電線路設計系統，在實際工程中進行高壓輸電線路工程項目的前期可研、初步設計階段規劃、施工圖設計階段的定線中有著重要意義，能夠以更小的成本，更加優化的方案完成輸電線路工程的勘測設計。

2 三維地理信息系統的實現

2.1 總體設計

三維地理信息系統是一個復雜的系統，其中包括的數據較多，主要有數字高程模型、衛星及航空攝影影像、三維構筑物以及相關的地圖數據等等。三維地形的生成是整個系統的核心，它的生成主要基于DEM及影像數據，通過特定的算法將DEM及紋理數據進行分層分塊切割，得到DEM及紋理的格網數據，這些數據疊加后即可生成三維地形，為了使系統更加逼真，我們可以加入三維構筑物，主要為房子、樹、電力桿塔…，同時為了使三維地形數據能顯示地理地名等常規地圖信息，也可加入地圖（.shp）文件，總體設計流程見圖1。

三維地形生成后，其功能是強大的，我們可以在上面進行一些常規測量，也可以生成輸電線路路徑平斷面圖，更為重要的是能夠進行三維場景科學仿真漫游，達到輔助設計的目的。

圖1 三維GIS總體設計

2.2 三維地理信息系統數據源

2.2.1 數字高程模型（DEM）

DEM即數字高程模型，是一種通用的空間型數據結構。它是按照一定的格網間隔采集地面高程而建立的規則格網高程數據。DEM數據可以利用已采集的矢量地貌要素（等高線、高程點）和部分水系要素作為原始數據，進行數學內插獲得。

DEM數據包括平面位置和高程數據兩種信息，可以直接在野外通過全站儀或者GPS、激光測距儀等進行測量，也可以間接地從航空影像或者遙感圖像以及既有地形圖上得到。DEM數據一般以文件的形式保存在計算機系統中。

傳統輸電線路設計方法不僅需要大量費時費力的野外勘測工作，而且所設計出的線路還不可避免地具有以下幾個方面的缺陷：

（1）所形成的方案不一定是經濟、技術上的最優方案；（2）方案受人的主觀影響大；（3）工作強度大，設計工作繁瑣。

線路設計主要涉及平面、縱橫斷面、土方量、透視圖等幾個方面。在平面路徑大體位置已定的情況下，DEM用于線路設計主要表現在不必進行進一步的野外測量，而由所建立的帶狀DEM內插出現狀縱橫斷面。為線路工程而建立的DEM可以求得線路縱橫斷面上的地形信息，自動或半自動地求得最佳線路的設計。

數字高程模型是三維數字分析與表示的基礎，基于DEM的三維可視化有助于用戶對空間數據相互關系的直觀理解，因此，DEM是整個系統的基礎。

2.2.2 衛星及航空攝影影像

如果說DEM是整個系統的骨架，那么衛星及航空攝影影像便是整個系統的衣服。影像數據是柵格數據的一種，如衛星影像或航拍影像，它在每一個網格單元保存一個顏色值，顏色的位數越多，網格的間隙越小，則圖像越清晰，自然所占用的存儲空間也就越大。衛星或航拍圖形可以作為地圖的背景與地圖疊加起來進行顯示，以增強地圖的美觀程度。

三維輸電線路GIS需要構建大規模三維場景，實現輸電線路及其所在地形環境的三維真實表達，因此在系統中必須包括衛星或航拍的柵格影像數據。這類柵格數據通過三維可視化技術以紋理的形式貼在數字高程模型（DEM）表面，以達到真實的效果。

2.2.3 三維構筑物

三維構筑物主要為三維鐵塔及輸電線、變電站、樓房等。在三維系統中的尺寸均為實際設計尺寸，以達到三維輸電線路科學仿真的目的。

2.3 數據組織與管理

由于原始的DEM和影像數據量大，不同的影像數據分辨率不同。針對該特點，分別對DEM和影像數據進行分層次、分塊管理。首先對整個區域進行網格劃分，切割成網格數據塊。對于DEM數據，根據原始DEM的密度來進行抽稀分層，底層數據的DEM密度跟原始數據基本吻合，而上層數據進行內差抽稀，同區域塊處理得到對應各不同層次的網格高程數據。對于影像數據而言，紋理格網底層數據基于原基礎數據的分辨率，其他各層提取各層次不同分辨率的圖片。每個區域擁有若干層該區域的高程和紋理數據。文件分割分層后存儲到對應的二進制文件中，系統運行過程中根據視點所在的位置來計算所需的區域和層次，調用該區域和層次的紋理來進行渲染。對于常見的3D構筑物，基于OSG讀取其數據，根據添加處位置求得分塊的節點，加入到對應的分塊節點中，以高程數據和影像數據同樣的處理方式實現分塊加載和管理。

3 三維地理信息系統（GIS）的主要功能

在三維地形的創建中，DEM數據和影像數據是基礎。由于目前國內高精度的商業DEM和影像數據價格昂貴，我們采用的DEM為中科院遙感所提供免費下載的30m精度的DEM數據，而影像數據則為Google Earth影像，較之年代久遠的1：1萬地形圖，這些數據的現勢性好，絕大部分數據為2010年后的數據，其中大部分為近幾年最新的數據?；谒鶆摻ǖ娜S地形的主要功能如下：

（1）輸電線路路徑選線；

（2）路徑平斷面圖生成；

（3）桿塔坐標轉換功能；

（4）與輸電線路設計軟件數據交互；

（5）常規測量功能；

（6）基于三維地形的輸電線路模型構建；

（7）輸電線路路徑三維實景漫游功能，如圖2。

4 三維地理信息系統（GIS）在輸電線路設計中的應用

三維GIS在輸電線路設計中的應用主要體現在可研和初步設計階段，同時有助于施工圖階段的項目進度規劃與管理。

應用流程如圖3所示，設計人員在附有坐標信息的衛星影像圖上進行路徑方案的選取，在坐標系統一致的前提下提取線路路徑的轉角坐標，然后將轉角坐標導入到三維GIS中進行線路路徑沿線的平斷面圖提取，獲取平斷面圖后即可在此基礎上做輸電線路設計排桿，同時參照三維地形進行路徑或是桿塔位置優化。如路徑不符合設計要求，則可重新選取路徑方案，若符合設計要求，則可依據排桿的檔距推算桿塔坐標。最后將相應的桿塔三維模型放置到設計位置，同時加入電力線，構建輸電線路三維仿真場景，實現輸電線路的三維實景漫游。

圖2 輸電線路三維實景漫游

圖3 三維GIS在輸電線路設計中的應用流程圖

三維地理信息系統已在多個工程中得到應用，以上渡-苗田灣220kV線路為例，該線路初設長度為50km，終勘長度45km，優化長度5km，具有明顯的經濟效益。三維地理信息系統的應用能夠使輸電線路的路徑走向更合理、桿塔布置更經濟，能夠很好地起到輔助輸電線路勘測設計的作用。

5 結語

綜上所述，三維GIS對輸電線路的勘測設計有很強的輔助功能，它不僅能提取線路路徑平斷面圖，而且能將設計后的輸電線路通過三維仿真場景直觀地展示在大家的面前。隨著國家立體測圖衛星的不斷發展，能夠提供的DEM及影像精度會越來越高，三維GIS在輸電線路設計中的應用前景將更加廣闊。

[1]楊小冬，胡立堂，唐仲華.基于Java/Java3D的地層3維建模與可視化[J].測繪學報，2006（35）：166～170.

[2]祖為國，鄧非，梁經勇.海量三維GIS數據可視化系統的實現研究[J].測繪通報，2008（07）：39～40.

[3]李曉駿，邱家駒.基于三維GIS技術的輸電線路地理信息系統的設計與實現[J].電力系統及其自動化學報，2003（01）：5～9.

[4]杜全維，王全心.基于衛星遙感技術的電力選線系統設計與實現[J].科技資訊，2009（28）：22～23.

P208

A

1004-7344（2016）28-0058-02

2016-9-21

梁經勇（1982-），男，工程師，碩士，主要從事電力勘測設計工作。