多源遙感影像在輸電線路優化設計中的應用

姚 林，徐 春，白明啟

(中國能源建設集團云南省電力設計院有限公司,云南 昆明 650051)

0 引言

輸電線路優化設計是指在送電線路起止點之間選出一條全面符合國家政策和設計規范要求的最優線路路徑,取得經濟效益和社會效益最佳的設計方案[1]。優化設計方案的合理性對輸電線路的技術經濟指標和施工運行條件起著重要作用[2]。通過線路路徑優化設計,可以有效縮短路徑長度,降低跨房拆遷與林木砍伐工作量,合理避讓房屋、廠礦與不良地質帶,最終達到縮短工期、節約工程投資、降低民事協調難度、提高輸電線路設計質量的目的。

輸電線路的優化設計依托于清晰、準確和現勢性好的基礎地理信息數據。近年來國民經濟發展迅速,國家基礎建設日新月異,現有的基礎地理信息數據往往不能準確反映現實的地形、地貌信息,基礎資料的可靠性、時效性嚴重影響著輸電線路優化設計的質量和可行性。隨著信息技術的發展,各種新型傳感器提供了全天候的多平臺、多傳感器、多時相、多光譜的對地觀測數據,遙感影像已經到了快速發展和廣泛應用的階段。面對數量巨大、覆蓋范圍廣闊的遙感影像數據,如何從中提取觀測數據的有效信息并在輸電線路工程各個設計階段中妥善應用,成為遙感影像應用研究的熱點。

1 遙感技術的發展與特點

隨著航天技術的發展和遙感觀測系統性能的改進,遙感技術發展異常迅速,表現為遙感影像的分辨率不斷提高和影像價格逐漸降低[3]。近年來,美國和法國相繼發射了多顆具備優秀機動性能和幾何定位精度的商業衛星,其影像地面分辨率達到0.3 m～0.5 m,能夠識別細微地物,可以滿足大部分地區1∶5 000～1∶10 000地形圖測繪的要求。我國遙感衛星技術的發展也極為迅速,分辨率優于1 m的高分二號衛星發射成功,標志著我國遙感衛星進入了亞米級“高分時代”[4];高分七號衛星除具備亞米級影像分辨率外,還具有立體成像和激光測高數據獲取能力,在高精度立體測繪等領域具有獨特的應用優勢[5];吉林一號商用衛星可以提供0.72 m分辨率的同軌立體影像和1.12 m分辨率的視頻影像,采用一箭多星發射,百星飛天組網,這些都標志著我國航天遙感技術達到世界先進水平[6]。

相較于傳統的航空攝影測量技術,遙感影像覆蓋范圍廣,數據獲取速度快,內符合精度高,內外業數據處理作業量少。在輸電線路工程優化設計應用中,遙感技術在經濟性和適用范圍上有著較大優勢,遙感技術與航空攝影測量技術對比情況如表1所示。

表1 遙感技術與航空攝影測量技術線路優化設計應用對比

2 多源遙感技術的應用方式

多源遙感技術的發展應用給輸電線路的優化設計提供了新的技術手段,以遙感影像為基礎,設計人員可直觀辨別建筑物、水系、道路等地物,在輸電線路優化設計中合理調整線路路徑。結合專業化解譯,辨識各種地理信息,特別是地形地貌、滑坡、斷裂構造及巖土類型等,在設計階段進行合理避讓,保證線路設計路徑優化、合理、安全。

輸電線路優化設計是在三維數字攝影測量優化設計平臺上進行,三維實景模型一般選用數字高程模型(DEM)和數字正射影像(DOM)通過嚴謹的攝影測量原理構建。遙感影像制作的DOM數據覆蓋范圍大、更新速度快、時效性較好;DEM數據生產方式多樣,可以通過工程測量、航空攝影以及遙感影像等方法進行制作。DEM和DOM數據獲取方式靈活多樣,不同來源、不同精度的DEM和DOM數據可以滿足線路工程不同設計階段優化設計的需求,輸電線路可以根據工程規模、特點和設計階段靈活選取適用的數據源。針對工程不同的設計階段,遙感影像在輸電線路優化設計中的應用方式有:

1)在工程招投標階段,可以利用奧維互動地圖平臺提供的遙感影像和已有的1∶50 000 DEM數據或優于30 m 的開源DEM數據構建三維模型,用于輸電線路前期的路徑規劃和投標報價,提供直觀形象的數據資料。

2)在可行性研究和初步設計階段可以采用1 m～5 m 分辨率的遙感影像構建三維模型,生產DEM和DOM數據,完成線路路徑的初步優化選線和桿塔排位,實現較為準確的路徑選擇和投資估算。

3)在施工圖設計階段,可以采用優于1 m分辨率的遙感影像構建三維模型,完成線路路徑高質量的優化設計,并在三維實景模型上進行線路平斷面圖測繪和地形圖測繪工作,提高線路勘測設計效率。

3 工程實例

文章以烏東德電站至白邑變500 kV線路工程施工圖設計為例,在Ecan PLStation架空輸電線路選線設計與平斷面成圖系統中實現基于遙感技術的線路路徑優化設計。Ecan PLStation系統是由北京正能空間信息技術有限公司結合生產單位的實際需求開發的架空輸電線路優化選線設計與平斷面量測軟件,可以實現線路優化設計從原始數據到成果輸出的一體化作業[7]。

輸電線路優化設計作業內容主要包括:數據收集與處理、三維模型場景創建、優化設計調整、成果輸出展示等,輸電線路優化設計的作業流程如圖1所示。

3.1 工程概況

烏東德電站至白邑變500 kV線路工程是國家西電東送重點工程,其建設對增強云南電網結構安全性,滿足滇中片區負荷增長對電力日益增長的需求,促進中東部綠色發展具有顯著的經濟、社會和環境效益。

烏東德至白邑變線路工程起于烏東德水電站,止于500 kV白邑變,線路按照兩條單回路平行走線設計,線路總長度約400 km。工程線路路徑的地形以山地和高山峻嶺為主,地形地質條件較為復雜,海拔高、高差大,優化設計工作難度較大。

3.2 多源地理信息數據收集

結合輸電線路的工程特點和優化設計的技術要求,工程充分收集國內外現有的DEM和DOM數據,從精度和實效性等方面對多源數據進行綜合對比,工程選用1∶10 000比例尺的航測基礎測繪數據制作優化設計的DEM成果,選用最新存檔的高分二號衛星影像數據糾正融合制作優化設計的DOM成果。航測DEM數據高程精度高,能準確反映工程的地形地貌起伏狀態;高分二號衛星影像分辨率高、現勢性好,能準確反映工程地表覆蓋地物情況。

在Ecan PLStation系統中通過數字攝影測量原理,結合收集的DEM和DOM數據構建輸電線路優化設計真實、立體渲染的三維實景模型。工程充分利用航測DEM數據精度高和高分二號衛星影像更新快、分辨率高的優勢,構建的三維實景模型對地表信息表達直觀全面、內容豐富、紋理清晰,在保證模型精度、分辨率的同時,確保地物信息的時效性,從而更好地保證線路工程優化設計的質量。

3.3 線路優化設計

在三維實景模型地理信息數據的基礎上,工程結合規劃設計、國土、礦產、保護區等勘測設計收集資料,利用Ecan PLStation優化設計平臺開展輸電線路路徑優化設計工作,對輸電線路路徑和桿塔位置進行反復優化調整和多方案優化比選,選取投資經濟合理、運維安全方便、環境影響效果最小的線路路徑。工程優化設計主要開展的工作有:

1)三維模型解譯。對三維實景模型中的地形、地貌、地物情況進行專業化解譯,充分了解線路工程區域的地形地貌特征和地物分布情況,標注影響線路優化設計的限定因素,設置障礙物緩沖半徑。

2)調整線路路徑走向。綜合考慮線路地形、地物等制約因素的影響,盡量減小線路路徑的曲折度,縮短線路路徑長度;合理調整轉角位置,減少轉角數量;盡量采用直線桿塔,減少塔材使用,降低工程造價。

3)優化交叉跨越方案。根據三維模型的地形數據和勘測設計踏勘測量的輸電線路交叉跨越數據,計算設計線路和跨越線路的凈空距離,合理選取交叉跨越塔位和跨越點位置,保證交叉跨越方案合理可行。

4)優化房屋拆遷。線路路徑盡量避開房屋密集區域,合理調整線路路徑,保持對房屋的安全距離走線;當線路路徑無法避讓房屋時,按照“避重跨輕,避大跨小”的原則,盡量減少房屋拆遷量。

5)避讓工礦設施。根據勘測設計調繪資料和三維模型影像判讀工礦設施的范圍和數量,線路路徑保持對工礦設施的安全距離走線;避讓滑坡、沖刷等不良地質區段,確保線路塔位的設計安全。

6)避讓林地、耕地。線路路徑盡量避開密集的林區和經濟作物區,減少林木砍伐量,實現綠色設計;路徑盡量避開基本農田和一般耕地,優先考慮荒地和山地走線。

7)線路路徑優化設計時還應避開軍事設施、城鎮規劃、自然保護區等限制區域,減小線路建設對當地社會環境的影響,取得設計線路社會環境效益最佳。

8)線路路徑選擇宜靠近現有交通設施,方便線路后期的施工運維。

烏東德至白邑變線路工程在優化設計時進行了多方案優化比選和多專業綜合論證,綜合選取路徑長度短,房屋拆遷量少,植被砍伐少,地質、地形條件好,并對周邊人文地理環境影響小的路徑,選出技術性和經濟性良好的設計方案。相較于初步設計階段的線路路徑,優化設計后的施工圖階段線路路徑走向更加經濟、合理,路徑合理避讓各類限制因素,路徑長度縮短了5.6 km,轉角塔位數量減少了10基,房屋拆遷量減少了45%。優化設計工作提高了線路工程的勘測設計質量,降低了工程造價,取得了良好的工程應用效果。輸電線路優化設計工作界面如圖2所示。

3.4 斷面圖與桿塔排位

Ecan PLStation系統利用已有的三維模型,按照設置的采樣間距,自動生成線路路徑走向的斷面圖。設計人員結合桿塔使用條件,在交互窗口中進行桿塔排位,并判斷線路路徑對風偏、危險點和地面的安全距離是否滿足技術要求,結果如圖3所示。當遇到轉角位置選擇不理想或桿塔使用條件超過設計要求時,設計人員結合斷面圖和三維實景模型,交互調整線路路徑走向。完成線路優化設計和桿塔排位后,將優化設計和桿塔排位成果輸出至常用的輸電線路設計軟件中,指導外業終勘定位工作。

3.5 線路影像路徑圖

線路影像路徑圖以二維平面圖紙的形式全面展示線路路徑通道中的地理信息數據特征,是輸電線路野外終勘工作的重要依據,設計人員可以根據現場情況在線路影像路徑圖上進行線路路徑的實時調整。在Ecan PLStation系統中導入優化設計的線路路徑資料、野外踏勘調繪資料、等高線數據文件等,并根據需要在圖上標注公里格網、高程注記和其他整飾信息后,通過糾正鑲嵌制作線路影像路徑圖,如圖4所示。

3.6 三維漫游展示

為了從宏觀上直觀了解線路路徑走向,判斷線路路徑周邊的環境影響,并方便線路路徑的審查匯報工作,需要結合三維模型對線路路徑進行三維展示。在Ecan PLStation系統中通過DEM和DOM數據創建漫游展示三維場景的地形和紋理信息,結合線路路徑坐標和桿塔排位文件,實現輸電線路路徑的漫游展示,如圖5所示。

4 結語

遙感技術給輸電線路優化設計提供了一種新型的數據源,多源遙感影像的靈活選用解決了線路工程基礎資料匱乏的問題,實現了輸電線路在技術、經濟方面的優化設計,取得了良好的經濟效益和社會效益。在烏東德至白邑變線路工程應用中,優化設計工作降低了工程投資造價,提升了勘測設計的效率和質量,減小環境、氣候、政治等因素對工程建設的影響,并豐富了設計成品的移交形式。