基于Android平臺的電力工程外業(yè)踏勘三維輔助系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

馬 超，常增亮，高興國，李 東，肖 峰

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013；2.武漢大學中國南極測繪研究中心，湖北 武漢 430079）

0 引言

隨著電網(wǎng)建設工程的快速發(fā)展，電力工程外業(yè)踏勘面臨著越來越多的復雜地形、交通困難等問題[1-2]。傳統(tǒng)的電力工程外業(yè)勘測和設計分工明確，設計主要依賴于勘測數(shù)據(jù)作為支撐，勘測也需要設計數(shù)據(jù)作為工作依據(jù)。一般需要勘測設計人員共同前往現(xiàn)場踏勘，但往往需要內業(yè)處理才能最終確定設計或勘測數(shù)據(jù)，這樣不夠直觀，容易造成工作反復。

隨著測繪地理信息技術的不斷發(fā)展，三維地理信息數(shù)據(jù)在智慧電網(wǎng)、智慧交通、智慧城市、園區(qū)規(guī)劃、應急指揮等領域應用越來越廣泛[3-4]。三維地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)為空間信息的展示提供了更豐富、逼真的平臺，能夠將抽象難懂的空間信息可視化和直觀化，人們結合自己的相關經(jīng)驗就可以理解，從而做出準確快速判斷[5-7]。

移動端設備的普及和發(fā)展，使得基于移動端的GIS也得到廣泛研究。在傳統(tǒng)的調繪模式下，需要外業(yè)人員在現(xiàn)場手工繪圖、記錄屬性和照片等，內業(yè)時需要對草圖進行轉換處理。因此傳統(tǒng)的工作模式存在一定的局限性，主要體現(xiàn)在：紙質記錄易丟失、難以快速獲取成果、容易產(chǎn)生錯誤和偏差、工作量大。運用移動設備在外業(yè)現(xiàn)場進行圖形、屬性、多媒體采集，并實時進行成果整編、質量檢查，在提升外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率的同時能夠有效控制數(shù)據(jù)質量，實現(xiàn)電力線路調繪內外業(yè)一體化的工作流程。現(xiàn)有的移動GIS系統(tǒng)已逐步應用于電力線路通道障礙物調繪、特高壓電力線路工程、房屋調查測量、林木調查測量中[8-9]。

目前主流的移動GIS系統(tǒng)大多為二維GIS產(chǎn)品。三維GIS以立體造型技術給用戶展現(xiàn)地理空間現(xiàn)象，能夠表達空間對象間的立體關系。對空間對象進行三維空間分析和操作也是三維GIS特有的功能。但相較于二維GIS，三維GIS由于復雜程度較高，因此還沒有廣泛統(tǒng)一使用的框架[10-12]。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，能為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務，現(xiàn)已成功發(fā)射54顆衛(wèi)星，其中北斗三號衛(wèi)星29顆，已從服務于亞太區(qū)域逐步向服務全球轉變，服務能力和水平不斷提升[13-16]。

隨著衛(wèi)星定位技術在各個領域的廣泛應用，其作業(yè)方式也發(fā)生著巨大變革，從單點定位擴展到廣域差分，從事后處理到實時定位與導航，其目的是為了提高定位精度和應用范圍。實時動態(tài)相對定位技術(real time kinematic，RTK)通過對接收機間和星間做差消除衛(wèi)星軌道誤差、大氣傳播延遲誤差以及衛(wèi)星和接收機鐘差等誤差源，再利用高精度的載波相位觀測量，實現(xiàn)厘米級甚至毫米級精度的定位。

為此，本研究擬利用三維GIS技術和北斗導航定位系統(tǒng)，研究設計基于Android平臺的電力工程外業(yè)踏勘三維輔助系統(tǒng)，實現(xiàn)踏勘和設計工作一體化，減少外業(yè)踏勘工作的反復，優(yōu)化作業(yè)流程，提高工作效率。

1 總體框架設計

電力工程外業(yè)踏勘輔助系統(tǒng)基于Android 13.0平臺和三維GIS技術，為電力工程外業(yè)踏勘選址、選線、調繪等業(yè)務提供便利支持，整體設計架構如圖1所示。

圖1 電力工程外業(yè)踏勘輔助系統(tǒng)總體設計框架

電力工程外業(yè)踏勘輔助系統(tǒng)包括外業(yè)勘測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和電力工程三維分析系統(tǒng)。其中：①外業(yè)勘測系統(tǒng)實現(xiàn)電力工程外業(yè)探勘數(shù)據(jù)數(shù)字化一體采集，服務外業(yè)人員；②數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)提供項目管理、勘測數(shù)據(jù)管理和成果導出等功能，服務決策人員和設計人員；③電力工程三維分析系統(tǒng)提供三維模型建立展示、三維量測分析等功能，服務內業(yè)人員和設計人員。

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以對外業(yè)勘測系統(tǒng)獲取的野外測量和調繪數(shù)據(jù)進行編輯、出圖及設計分析等工作，輔助設計人員及時進行設計方案決策；電力工程三維分析系統(tǒng)可以利用外業(yè)勘測數(shù)據(jù)和內業(yè)數(shù)據(jù)建立實時三維模型，進行三維量測分析；外業(yè)勘測系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和電力工程三維分析系統(tǒng)的演算結果，及時抓取數(shù)據(jù)核驗正確性。三大系統(tǒng)之間相互協(xié)作，最終實現(xiàn)勘測、設計等工序內外業(yè)實時、協(xié)同、綜合輔助設計目標。

1.1 外業(yè)勘測系統(tǒng)

外業(yè)勘測系統(tǒng)主要功能是進行外業(yè)勘測數(shù)據(jù)采集，具體功能模塊如圖2所示。該系統(tǒng)可以連接北斗定位設備，進行實時定位，實現(xiàn)塔基放樣功能；加載顯示天地圖、百度地圖、高德地圖等經(jīng)依法審核批準的在線地圖，進行圖層控制等操作；提供塔基放樣、地物采集、地物編輯、草圖繪制、數(shù)據(jù)導出等勘測功能。

圖2 外業(yè)勘測系統(tǒng)主要功能模塊

1.2 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的主要功能模塊如圖3所示。系統(tǒng)支持地形圖、分層等值線圖、參數(shù)分區(qū)圖等勘測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星影像、點云、數(shù)字正射影像圖(digital orthophoto map，DOM)、數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)等GIS數(shù)據(jù)的加載，單次數(shù)據(jù)加載量不超過10 GB，可覆蓋1 km2的站址或100 km以內的線路數(shù)據(jù)。同時提供圖層管理、地圖操作工具、要素標繪等基礎地圖功能和地理信息數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能；提供項目管理、成果導出等輔助功能，可將野外踏勘數(shù)據(jù)導出CASS和道亨野外操作碼。

圖3 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要模塊

1.3 電力工程三維分析系統(tǒng)

電力工程三維分析系統(tǒng)的主要功能模塊如圖4所示。該系統(tǒng)實現(xiàn)三維GIS數(shù)據(jù)的三維模型建立展示和預覽功能，支持點、線、面在三維場景中的展示，能夠實現(xiàn)放大、縮小、變換視角等功能；能夠對三維GIS數(shù)據(jù)和勘察數(shù)據(jù)進行計算和分析，實現(xiàn)測量面積、角度、高差、平距、斜距，剖面生成、坡度計算、土方估算等功能。

圖4 電力工程三維分析系統(tǒng)主要模塊

2 系統(tǒng)架構設計

電力工程外業(yè)踏勘輔助系統(tǒng)采用4層架構模式進行建設，具體分為：硬件層、數(shù)據(jù)層、服務層和應用層，如圖5所示。

圖5 電力工程外業(yè)踏勘輔助平臺系統(tǒng)體系結構圖

硬件層包括定位設備和移動平臺，定位設備提供定位服務，并將實時定位信息通過藍牙傳輸?shù)揭苿悠脚_。

數(shù)據(jù)層主要為數(shù)據(jù)服務提供數(shù)據(jù)源，包括在線地圖、勘測數(shù)據(jù)和三維GIS數(shù)據(jù)。在線地圖包括天地圖、百度地圖和高德地圖等；勘測數(shù)據(jù)包括地形圖、分層等值線圖、參數(shù)分區(qū)圖；三維GIS數(shù)據(jù)主要包括衛(wèi)星影像、點云、DOM、DEM。

服務層通過將數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)發(fā)布為數(shù)據(jù)服務，以服務的形式為移動終端應用系統(tǒng)提供各種地理信息服務的實現(xiàn)接口，包括定位服務、數(shù)據(jù)加載服務、空間查詢服務、統(tǒng)計分析服務和實時調繪服務等。

應用層是系統(tǒng)功能載體的具體實現(xiàn)，提供用戶操作界面，負責系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)展示。主要功能包括用戶注冊、用戶登錄、系統(tǒng)設置、數(shù)據(jù)導入、塔基放樣、在線地圖加載、地物采集、地物編輯、要素標繪、三維模型展示、三維量測分析、草圖繪制、道亨聯(lián)機、CASS聯(lián)機和成果導出。

3 功能設計與實現(xiàn)

3.1 電力塔基快速放樣

塔基放樣是電力工程勘測中重要的環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的塔基放樣技術依賴于經(jīng)緯儀和全站儀，因外業(yè)操作復雜、偶然誤差大、內業(yè)解算繁瑣等局限性而逐漸被基于RTK的放樣技術所取代。RTK放樣技術可單人作業(yè)，測量誤差均勻、獨立，不存在誤差積累，精度高；另外在房屋較密集、通視條件較差的地區(qū)，應用RTK 定線，可減少房屋拆遷量和轉角數(shù)量，加快選線速度，從而大幅度降低線路造價和補償費用，提高工作效益并保證質量。

電力工程外業(yè)踏勘輔助平臺基于便捷式RTK設備，提供線路和塔基自動化放樣方法及系統(tǒng)，根據(jù)當前位置自動建線計算并顯示放樣線路坐標和極坐標等信息，實現(xiàn)全自動線路和塔基放樣，進而可實現(xiàn)自動化塔基規(guī)劃。放樣過程中，通過選擇塔位中心位置和放樣半徑，平臺自動將塔基4個方向的塔腳點計算出來，然后依次選擇腳點進行斷面放樣，如圖6所示。放樣完畢后，平臺自動存儲測量數(shù)據(jù)。基于本平臺，只需一人便可完成塔基放樣工作，大大節(jié)約了作業(yè)成本。

圖6 塔基放樣界面

3.2 智能化地物調繪

電力工程外業(yè)踏勘輔助平臺利用便捷式RTK設備，融合智能語音識別技術，實現(xiàn)智能化地物調繪。測量過程中，通過藍牙，實現(xiàn)APP與 RTK 設備連接，在 APP中選擇地物類別，如“斷面”“交叉跨越”“道路”“植被”“水系”“地下管線”“危險點”“其他地物”等，開始接收 RTK 測量的數(shù)據(jù)，將地物名稱和測量數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫，在圖上繪制地物(記錄數(shù)據(jù)為：地物類型、點號、X坐標、Y坐標、Z坐標、其他)。為提高外業(yè)操作人員在野外操作軟件的便捷性，設置地物語言識別模塊，通過語音輸入地物名稱，識別地物，根據(jù)地物映射表輸出地物編碼和結果，省去繁瑣的地物文字輸入和搜索輸入操作，如圖7所示。

圖7 智能語音識別模塊流程圖

3.3 三維空間數(shù)據(jù)加載及量測分析

電力工程外業(yè)踏勘輔助平臺能夠實現(xiàn)三維空間數(shù)據(jù)的實時加載和分析功能。基于三維GIS技術，本平臺具備數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)操縱、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表現(xiàn)等空間數(shù)據(jù)處理功能。相比于二維GIS，三維GIS空間信息的展示更為直觀，多維度空間分析功能更加強大。本平臺可以實現(xiàn)在外業(yè)踏勘過程中對三維GIS數(shù)據(jù)(如衛(wèi)星影像、點云、DOM、DEM)的實時調用(圖8)和分析(圖9)，如測角量距、剖面分析、土方估算等功能，實現(xiàn)巖土、水文圖紙(如分層等值線圖、參數(shù)分區(qū)圖等)在APP上進行位置校準和顯示，為設計提供現(xiàn)場參考，輔助選址選線。

圖8 三維激光點云數(shù)據(jù)加載

圖9 三維量測分析功能

4 結語

信息化是堅強智能電網(wǎng)的實施基礎，構建先進的三維、動態(tài)、可視化電網(wǎng)管理平臺，是智能電網(wǎng)的主要發(fā)展方向和技術發(fā)展重點之一。為了優(yōu)化電力工程外業(yè)踏勘設計作業(yè)流程，減少工作反復，本研究綜合利用三維GIS技術、北斗衛(wèi)星導航定位技術和智能語音識別技術，開發(fā)了基于Android平臺的電力工程外業(yè)踏勘輔助系統(tǒng)平臺，集成了電力塔基快速放樣、智能化地物調繪、三維空間數(shù)據(jù)實時加載及量測分析等功能，可以實現(xiàn)踏勘過程中直接在平臺上進行測點和放樣，實現(xiàn)現(xiàn)場踏勘實時調繪功能，在現(xiàn)場踏勘或定位過程中，進行地物調繪，實現(xiàn)多源三維空間數(shù)據(jù)的現(xiàn)場實時調用、配準和分析。

電力工程外業(yè)踏勘輔助系統(tǒng)實現(xiàn)了電力工程外業(yè)踏勘設計的一體化，為降低工程建設成本、提高工作效率提供了可行方案。考慮到電力工程外業(yè)勘測專業(yè)的復雜性，將系統(tǒng)平臺推廣應用，結合各專業(yè)踏勘具體需求，分別研究相應的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和分析方法，定制化界面和功能，簡化作業(yè)流程，減少工作反復，以更好服務勘測設計外業(yè)踏勘。