三維建模在線路施工圖設計中的應用

崔艷軍，張瑞永，陶 剛

(1．北京洛斯達科技發展有限公司，北京 100120 2. 中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102)

輸電工程三維設計能夠讓人們更加直觀、形象地認識、理解地理和輸電線路信息，可以向用戶展示出輸電線路和走廊的真實地形與地貌，便于設計人員在設計初期了解和掌握路徑現狀，科學合理地進行送電線路路徑選擇和優化。基于三維地物，通過在三維場景中對桿塔進行排位優化，可進行交跨物、線路走廊等三維電氣距離校驗，從而改善傳統作業方式，提高設計的精益化水平和工作效率，提高了設計速度、設計水平和設計質量。

國內的電力設計院廣泛采用道亨SLW軟件并基于二維模式進行數據采集和處理，在輸電三維設計系統上無法有效使用這些外業勘測成果，基于現有的設計資料進行三維建模困難；同時桿塔排位成果無法有效轉換為道亨SLW軟件需要的數據格式，難以滿足數據提資和對外接口的需要。本文在輸電三維設計系統的基礎上，找出一種兼容原有的勘測設計資料，技術先進、建模自動化程度高的施工圖設計和三維地物建模方法，并結合滇西北至廣東±800 kV特高壓直流輸電工程的施工圖設計工作進行工程實踐。

1 設計流程及技術路線

1.1 設計流程

在傳統的工作模式的基礎上，基于輸電線路三維平臺，根據三維協同設計的需要，提出了一種基于SLW軟件接口的施工圖三維地物建模。由以下幾步組成：

(1)在初步設計線路路徑的基礎上，利用衛星影像數據在線路三維平臺上進行線路路徑調整優化。

(2)將航飛獲得高精度的影像和高程數據入庫，對線路路徑進行精確調整。

(3)對線路路徑進行多專業評審，明確線路路徑方案和主要的設計原則。

(4)根據影像高程數據和線路路徑，在三維平臺上自動提取出路徑中心、邊導線各點的高程信息，生成線路平斷面圖。

(5)進行桿塔初步排位，獲得終勘前的平斷面定位圖。

(6)現場終勘定位，確定直線塔、耐張塔塔位，對路徑中心、邊導線、風偏驗算各點的高程進行現場復核，并對現場地物進行實測。

(7)在三維場景中進行地物距離校驗，確認塔型呼高，進行桿塔基礎設計、電氣計算和附件配置等，完成設計成品的出版。

1.2 技術路線

基于實際工程的應用，為有效利用道亨SLW軟件的數據成果，提出了在上述步驟(6)、(7)間增加可利用現場采集成果或現有資料，生成SLW軟件格式的勘測文件，并利用線路三維平臺對SLW軟件格式的勘測文件進行自動解析，生成線路三維平臺數據文件并聯動生成三維地物，形成一種新的施工圖作業模式，適合于施工圖設計階段工程的應用，系統的流程見圖1。

圖1 適合施工圖設計階段的新模式流程圖

2 主要工作方法

2.1 三維地形建模

Skyline軟件是一款強大的三維展示平臺，它提供給開發者很多開發接口，可以很方便的為我們所調用，實現三維地物的建模。利用Skyline 的三維平臺，集成各種影像數據、高程數據、矢量數據，以及與電力線路設計有關的專題數據，建立一個真實的三維交互式現實環境，為電力線路選線提供三維地理信息平臺。

(1)獲取測量現場踏勘獲取的航飛影像和DEM數據并進行坐標糾正；(2)將影像數據、DEM 數據及矢量數據添加到Terra Builder中，并且利用其提供的數據處理工具對原始數據進行裁剪、調色等處理；(3)將影像數據和DEM數據進行融合；(4)生成三維地形文件，然后在三維中進行加載。

2.2 SLW文件解析

2.2.1 SLW文件說明

道亨SLW軟件處理導出為ORG、TA、IND等文件。ORG主要用來存儲平面地物，它基于累距、偏距來表達，使用測量方法如b、0、L等來表示測點，通過每行的連線編碼來代表地物類型；IND文件主要用戶存儲地物的標注信息，由一系列描述地物信息的列組成，每列表示一個地物標注，TA文件存儲排位的桿塔、串、導地線信息，每一行有定位樁名、桿塔塔型、金具型號、地線類型、絕緣子串等組成。

2.2.2 解析建模原理

SLW文件解析原理是將基于累距和偏距格式的數據轉換為基于地理坐標格式的數據，將解析后的數據加載到輸電三維設計系統的CAD排位模塊，進行桿塔排位并將排位結果同步到三維中，然后在三維中對數據通過不同模型或樣式來渲染，以達到模擬現實的真實地物場景。解析原理見圖3。

圖2 SLW文件解析建模原理

2.3 三維地物建模

2.3.1 平面地物建模

平面地物包括房屋、水系、獨立地物、交叉跨越、道路、植被、地類界等。需要逐類進行解析，根據ORG解析后獲取到各類地物文件，在三維中進行各個地物的建模。

(1)房屋解析

對于房屋，根據房屋的位置、房屋高度和房屋結構進行三維建模，在三維中通過房屋的坐標繪制房屋的位置，通過房屋高度來將房屋立起來，并根據房屋結構和紋理文件對房屋樣式進行渲染。在ORG文件中，房屋分為一點測邊線房、2點房、3點房、5點斷面房等幾種類型。分別以測量方法t、l、L、x表示，以一點測邊線房t為例，解析步驟如下：①根據房角點號，在ORG文件獲取到該點的地理坐標；②根據房左邊長和房右邊長和房斜角計算剩余3個點的位置，由此構建出房屋；③將房屋高度存儲到房屋的屬性字段中；④三維中獲取到該房屋的坐標和房屋高度，然后創建三維對象；⑤查找對應的紋理文件進行貼圖。

(2)交叉跨越解析

交叉跨越主要包括各電壓等級電力線、通信線、地下電纜和地下光纜等。以220 kV電力線為例，解析步驟如下：①在ORG文件中，220 kV電力線通常有一系列的點組成，首先遍歷ORG文件獲取到220 kV電力線所有測點的集合；②將集合中的每個測點轉為地理坐標；③根據測點先后順序和編碼建立每條線電力線；④根據交叉跨越規范符號庫在三維中進行渲染展示。

2.3.2 輸電設備解析

輸電設備包括塔、懸垂串、導地線等，需要經過立塔→掛串→繪制導線、地線。

(1)立塔

需要考慮桿塔位置、桿塔使用塔型、桿塔角度等三個方面：

①通過TA文件的累距和與定位樁名偏差距離獲取到每個桿塔的位置；②將桿塔的位置轉為地理坐標；③在三維中創建三維桿塔對象；④根據TA文件中的桿塔型式和呼稱高，從三維設計系統中模型庫查找到對應的三維模型(.x格式)來表示桿塔；⑤通過TA文件中的轉角角度來調整桿塔的姿態。

(2)掛串

對于在桿塔上掛串，分為直線塔和耐張塔，直線塔掛串，是根據TA文件每個桿塔的對應的串型和對應的三維模型直接掛上即可。而對于耐張塔，通常是經過跳線設計后串的姿態會根據不同工況發生變化，線路三維實現的時候，需要經過一個中間文件來進行交互，這個中間文件會記錄每根跳線的K值、檔距、串相對于桿塔的掛點，使用的串型等，然后以下計算公式來實現：

其中：

式中：l為檔距；h為高差。

(3)繪制導線、地線

導線跟地線繪制原理一樣，從TA文件獲取到桿塔掛線點與地面距離和導線K值，根據拋物線公式來計算導線上每個點的位置，然后在三維中依次繪制導線。

其中導線位置的計算原理如下：

導線在x點處的高度：

其中：

式中：l為導、地線兩端水平投影距離；H1、H2分別為導、地線在1、2塔上的掛線點高度；x為計算點距1塔掛線點的水平投影距離；K為導線K值。

2.4 SLW成果導出

輸電三維設計系統支持將排位后的成果導出SLW軟件的數據格式。根據排位成果，將每個桿塔的坐標逐步換算為累距和偏距的方式，輸出步驟如下：

(1) 根據上述TA文件的說明，以及桿塔和串的對應關系輸出TA文件；

(2) 根據線路三維中不同地物類型，以及將地物位置轉換為累距偏距格式，輸出IND文件；

(3) 由于SLW軟件的ORG文件包括斷面和平面地物信息，對于斷面，根據線路三維顯示的線路上測點，依次轉換為累距和偏距格式，輸出以B開頭的測點即可，對于平面地物，根據每個地物類型，獲取到每個地物所有的點，轉為累距和偏距格式，并根據地物類型找到對應的地物編碼，依次輸出形成ORG文件。

3 工程實踐應用

在該作業模式的基礎上，以ArcGIS、Skyline以及AutoCAD為二次開發平臺，利用云端服務器數據，構建多專業協同的輸電工程數字化設計軟件，創新實現了多窗口聯動的智能排塔定位、金具參數化建模和耐張塔三維跳線計算等功能，具備規劃選線、施工圖設計、三維展示、工程數據管理和數字化移交的功能，實現了線路設計由二維到三維的轉變，提升線路設計的質量和效率，見圖3。

圖3 輸電三維設計系統界面圖

滇西北至廣東±800 kV特高壓直流輸電工程充分利用了該平臺提出的工作模式，解析測量外業得到的道亨數據，然后在系統的桿塔排位模塊，顯示出斷面和平面地物信息，在此基礎上進行桿塔排位，然后在三維中進行地物建模，并在三維中進行地物校驗，解析對比分析如表1，經過對比分析，解析準確率能夠滿足實際工程的應用，并在院里其他特高壓線路工程中進行了推廣應用。

表1 SLW地物解析成果

其中房屋和電力線解析對比圖如下：能將所有房屋和電力線準確解析出來，并實現三維地物建模。

圖4 道亨、CAD、三維中房屋對比圖

圖5 道亨、CAD、三維中電力線對比圖

4 結論

基于SLW軟件的三維地物建模實現的輸電三維設計平臺，平臺操作簡單、數據解析準確、三維地物建模性能可靠，實現了SLW設計資料與輸電三維設計平臺的數據互通，科學合理地進行線路設計和塔位優化；通過工程的實際應用，被證實為可行的方案，有效改善傳統作業方式，提高設計的精益化水平和工作效率。

參考文獻：

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