大場(chǎng)景立體匹配片技術(shù)在輸電線路路徑優(yōu)化中的研究

湯 堅(jiān)

(廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510663)

目前，我國(guó)輸電線路的路徑設(shè)計(jì)工作大部分都是在“二維”地圖(地形圖或數(shù)字化的地形圖)上進(jìn)行的，這種平面地圖都是通過(guò)等高線、地物邊界線或特定符號(hào)表現(xiàn)地形、地貌以及地物情況，其缺陷是缺乏立體感、不直觀。需要有一定地圖知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員才能準(zhǔn)確的判斷地形和地貌的特征，使設(shè)計(jì)工作變得相當(dāng)繁重冗長(zhǎng)。傳統(tǒng)的輸電線路路徑選線平臺(tái)，雖然實(shí)現(xiàn)了在立體環(huán)境下的選線及與平斷面排位的實(shí)時(shí)交互，但選線場(chǎng)景的創(chuàng)建需要先對(duì)原始的航片進(jìn)行建模，然后在單個(gè)模型下選線，選線視野的局限性及原始數(shù)據(jù)復(fù)雜的處理流程影響了選線的效果和效率。隨著近年航空航天攝影傳感器種類(lèi)的增多，各種分辨率的正射影像和DEM的獲取途徑也更加豐富。如何快速創(chuàng)建選線的立體場(chǎng)景，如何創(chuàng)建可量測(cè)、大場(chǎng)景的立體環(huán)境，是提高路徑選線效率的需要，是適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)電網(wǎng)快速發(fā)展的迫切需求。

1 大場(chǎng)景立體匹配片的創(chuàng)建原理

實(shí)現(xiàn)輸電線路路徑優(yōu)化的技術(shù)關(guān)鍵是建立既具有量測(cè)功能，又具有三維可視化的立體模型，在立體模型中進(jìn)行路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用立體匹配片原理將正射影像(DOM)和數(shù)字地面模型(DEM )有機(jī)地結(jié)合，就可以建立具有量測(cè)功能的三維可視化立體模型。

立體匹配片的原理是將DEM的高程轉(zhuǎn)化為視差值，并引入正攝影像，從而產(chǎn)生立體效果。其最簡(jiǎn)單的辦法是利用投射角為 A的平行光線法，如圖1所示。這時(shí)，人造左右視差值ΔX為：ΔX＝ΔZ×tanα=k×ΔZ，其中k＝tanα。

圖1 立體匹配片原理圖

該人造視差值直接反映了實(shí)地高差的變化，以地面點(diǎn)P為例，它相對(duì)于投影面的高差為ΔZ，該點(diǎn)的正射投影該點(diǎn)的正射投影為P0，斜平行投影為P1，正射投影得到正射影像，斜平行投影得到立體匹配片。立體觀測(cè)得到左右視差ΔP=P1P0。

由于斜平行投影方向平行于XZ面，所以正射影像和立體匹配片的同名點(diǎn)坐標(biāo)僅有左右視差，而沒(méi)有上下視差，這就滿足了立體觀測(cè)的先決條件，從而構(gòu)成了理想的三維立體設(shè)計(jì)量測(cè)環(huán)境。在這樣的影像對(duì)上進(jìn)行立體量測(cè)，既可以保證點(diǎn)的正確平面位置，又可方便地解求出點(diǎn)的高程。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

立體匹配片可以實(shí)現(xiàn)地形的三維可視化與量測(cè)。其生成原理如上所述，把DEM轉(zhuǎn)為視差值引入正射影像，對(duì)正射影像進(jìn)行重采樣，生成另外一張影像，即立體配對(duì)片。實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖2，實(shí)現(xiàn)程序省略。

圖2 立體匹配片生成流程圖

3 大場(chǎng)景路徑優(yōu)化思路

輸電線路的路徑設(shè)計(jì)首要解決的問(wèn)題是對(duì)區(qū)域的地形地貌、地面設(shè)施情況的把握，將正射影像和立體匹配片進(jìn)行影像鑲嵌，建立大場(chǎng)景的三維立體模型，在三維可視化環(huán)境中選線。使設(shè)計(jì)人員更容易的進(jìn)行地形、地物、地貌的判讀。尤其是大場(chǎng)景選線環(huán)境的搭建，確保設(shè)計(jì)人員對(duì)選線區(qū)域有更全局的認(rèn)識(shí)。設(shè)計(jì)人員從正射影像圖上確定路徑平面方案，從數(shù)字高程模型DEM和影像上采集獲得確定路徑的平斷面，然后在平斷面上設(shè)計(jì)桿塔位。

具體路線方案優(yōu)化的流程是：路徑平面設(shè)計(jì)定線→應(yīng)用DEM插值得到斷面→繪制路徑兩旁規(guī)定范圍內(nèi)的平面→在平斷面上排位設(shè)計(jì)→在立體模型中檢查塔位，量測(cè)塔腿坡度。當(dāng)導(dǎo)線對(duì)地安全距離不夠，塔位高差過(guò)大造成上拔現(xiàn)象，或者線底跨越物過(guò)高造成路徑無(wú)法通過(guò)，當(dāng)塔腿坡度過(guò)大不宜立塔等情況時(shí)，需要回到第一步重新調(diào)整路徑平面。就這樣重復(fù)循環(huán)多次，直到滿意為止。優(yōu)化選線流程如圖3：

圖3 線路優(yōu)化選線流程圖

圖4 大場(chǎng)景三維立體模型中的輸電線路路徑優(yōu)化

4 實(shí)現(xiàn)意義

利用立體匹配片技術(shù)建立大場(chǎng)景三維立體模型，然后在大場(chǎng)景三維立體模型中進(jìn)行輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)顯示出明顯的優(yōu)越性：

(1)實(shí)現(xiàn)了輸電線路路徑優(yōu)化選線環(huán)境的快速創(chuàng)建，縮短了線路工程工期

隨著測(cè)繪技術(shù)的快速發(fā)展，獲取數(shù)據(jù)的手段越來(lái)越先進(jìn)，正射影像可以通過(guò)衛(wèi)星遙感、傳統(tǒng)航空攝影、低空遙感等來(lái)獲取，DEM的獲取手段可以是工程測(cè)量、等高線數(shù)字化、航空攝影測(cè)量、衛(wèi)星遙感像對(duì)等。豐富的數(shù)據(jù)獲取途徑，大大縮短了獲取創(chuàng)建選線環(huán)境所需數(shù)據(jù)的時(shí)間，同時(shí)保證了獲取數(shù)據(jù)的實(shí)效性，縮短了工期。

(2)實(shí)現(xiàn)了可量測(cè)、大場(chǎng)景選線環(huán)境的創(chuàng)建，提高了工作效率，保證了工程質(zhì)量。

通過(guò)立體配對(duì)片技術(shù)將正攝影像(DOM )和數(shù)字地面模型(DEM )有機(jī)地結(jié)合，生成大場(chǎng)景的選線環(huán)境，并在可量測(cè)的立體環(huán)境中進(jìn)行坡度分析、高程分析、剖面分析、威脅分析，確保線路設(shè)計(jì)成果真實(shí)可靠。

(3)實(shí)現(xiàn)了從二維靜態(tài)經(jīng)驗(yàn)選線向三維動(dòng)態(tài)立體選線的轉(zhuǎn)變，提高了設(shè)計(jì)深度，降低了工程造價(jià)。

大場(chǎng)景立體匹配片技術(shù)的應(yīng)用改變目前設(shè)計(jì)中憑經(jīng)驗(yàn)單向設(shè)計(jì)的方法，使線路設(shè)計(jì)建立在可靠的數(shù)字化模型的基礎(chǔ)上，形成科學(xué)設(shè)計(jì)方法，大大減少人為的事務(wù)，使線路設(shè)計(jì)工作在初步設(shè)計(jì)階段達(dá)到施工圖設(shè)計(jì)深度，并全面提高線路工程施工圖階段技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。目前該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在我院500kV木棉至從化輸電線路中，縮短路徑4.8%，可節(jié)省工程投資5%。

該技術(shù)的研究將加速輸電線路勘察設(shè)計(jì)一體化、智能化的進(jìn)程，將推動(dòng)電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展。

[1]張祖勛，等.三維可視化工程設(shè)計(jì)的研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2002，27(4).

[2]張劍清，等.攝影測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2003.

[3]張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1996.