三維數字地形圖在電力工程設計中的應用

田曉艷 余繼興

1 引言

我國電力工程項目的投建日益受到重視，工程質量方面的要求逐漸提高，以適應時代的發(fā)展需求。原有工程設計方法、設計平臺等，逐漸難以提供方便精確的信息表達，因而影響了電力工程的設計效果。而三維顯示技術的發(fā)展，為電力工程設計中存在的此類問題得到了有效解決，能夠利用仿真立體模擬的方式，讓客戶直觀地看到設計方案效果圖，從而提升設計質量和數據科學化管理。

2 三維數字地形圖的基本概念

2.1 3D DTM 的概念

在三維數字地形圖（3D DTM）也屬于線劃地形圖，其工作原理是利用三維離散點，來表現(xiàn)地物、地貌的空間狀態(tài)、方位、形狀等，將地形地物以三維空間的模式體現(xiàn)出來，其中所有對于地物地貌的特征，都是三維呈現(xiàn)，用X、Y 軸表示地物地貌投影于水平面的具體位置，而使用Z 軸代表其高程高度。

2.2 3D DTM 的特征

三維數字地形圖所具有的特征包括以下方面：①3D DTM 不是紙質的，而是由數字、電子的形式體現(xiàn)；②該地形圖可以精確反映出地物的立體形態(tài)，還可以呈現(xiàn)出制圖區(qū)域地表的高低起伏；③該地形圖一般是按照1：1 的比例來繪制地物位置、大小及高程、高度等信息；④3D DTM 是使用三維離散點來表示地形、地貌特征，以及地物的立體形態(tài)矢量圖；⑤3D DTM 所反映出的空間地理信息通常是非常精確且詳細的，實際所使用的比例尺、空間分辨率）等，包括1：500（或0.05m）、1：1000（或0.1m）和1：2000（或0.2m）。

3 三維數字地形圖的應用現(xiàn)狀

3.1 3D DTM 發(fā)展現(xiàn)狀

目前，3D DTM 已經被應用于電力工程的項目設計實踐中，用于進行工程的多視點表達（見圖1），在實際應用中，該技術能夠針對立體路徑，合理選擇輔助電線網點的桿塔設置，提高電網的線路規(guī)劃準確性，加強工程的環(huán)保力度，節(jié)約建設成本。基于以上重要優(yōu)勢，3D DTM 大大提升了對立體空間的測量、表達質量，從而為工作人員對于地圖的立體分析、認知水平等提供重要依據。

圖1 三維地形圖的多視點表達

一些發(fā)達國家的電力產業(yè)中，3D DTM 已經在電力設計中得到為了良好的應用，且積累了非常重要的應用經驗。我國3D DTM 技術也開始向著激光三維掃描等高科技的方向發(fā)展，將各個不同領域的相關技術綜合起來，應用于各個不同領域。20 世紀末，我國已經構建了比例1：25 萬的地形圖數據庫，其中包括的內容眾多，例如DEM、大地控制數據、行政地名、水湖系統(tǒng)等，所有的數據信息量達到13.5GB，且均為三維的電子地形圖場景。相較于傳統(tǒng)使用的平面電子地圖，基于3D DTM 技術所測繪出來的地形圖，能夠三維地描繪社會自然、人文景觀，逼真直觀，對于自然物體的模擬形象到位，尤其是其中的道路交通等方面，具有顯著的應用價值。

3.2 電力工程設計中3D DTM 的應用需求

對于電力工程的設計，地形圖測繪是重要環(huán)節(jié)，實際開展工作的過程中，首先包括對于方案可行性的研究、工程方案的初步設計，以及施工圖設計等。

3.2.1 可行性研究

可行性研究階段的主要任務，是以地形圖為依據，調整規(guī)劃工程的整體設計方案，及時發(fā)現(xiàn)其中不利于方案落實的影響因素，從而判斷并論證方案的可行性。在實際開展可行性研究時，首先要明確方案設計原則，然后對工程進行具體的規(guī)劃和布置，再基于大比例尺的地形圖，初步擬定方案中對于生產生活、休閑區(qū)等部分的規(guī)劃，粗略預估所需要的占地面積、房屋的拆遷量等問題。

3.2.2 初步設計

設計方案的初步設計，對于局部建筑物、基礎設施等的規(guī)劃設計，需要建立于具有更大比例尺和精密度的地形圖上。只有以初步設計成果為基礎進行優(yōu)化，才能夠達到施工圖成熟設計要求，并補充測量地形圖范圍外的部分內容，從而完善測量工作，確保地形圖的精確程度，為工程量計算提供科學參數。

3D DTM 的應用，為工程設計人員提供了重要的技術支持，是他們能夠繪制出具有極強真實感和操作性的建筑模型，實現(xiàn)了設計圖的可視化。此外，3D DTM 還具備了為工作人員提供查詢、分析、計算等基礎功能。目前的高電壓等級電線網絡工程往往成本較高，例如110kV 的線路工程建設中對于電線網絡的設計環(huán)節(jié)，由于送電線路的設計合理優(yōu)化，將直接影響到工程的運行順利及投資額度問題，因此至關重要。其中對于線路路徑的選擇和設計，就需要準確了解當地的地形地貌情況、道路交通狀況以及水文氣象等基本地質條件，而3D DTM 技術則有效發(fā)揮了其準確采集相關信息的作用。

4 3D DTM 在電力工程設計中的實際應用

4.1 衛(wèi)星影像立體模型構建

3D DTM 的實際應用往往會涉及衛(wèi)星影像立體模型的構建問題，所以，工作人員首先需要轉換TM、Spot、DEM 等衛(wèi)星影像數據，其中的DEM 數據大多是軍隊標準格式，因此在對其進行轉換時，需要結合DEM 軍標格式的特征，編制格式轉化程序，從而確定相關指標參數。另外，工作人員在開展影響模型的匹配及相對/絕對定向作業(yè)時，應當按照以下步驟進行：手工選擇基本匹配點—自動剔除粗差—人工補充同名點—以模型自動相對定向為基礎，進行模型外方位元素的計算。

衛(wèi)星影像三維模型的建立過程較為復雜，從原始數據采集直至最終成型，加之關聯(lián)DEM、正射影像、電網鋪設線路平斷截面等信息，其數據分析。轉換過程繁復，具體如圖2 所示。

圖2 衛(wèi)星影像三維模型建立流程圖

4.2 電氣網絡線路正射影像路徑圖設計及制作

設計路徑圖的主要目的，在于完善路徑信息，并保持與三維數字地形圖的一致。而在實際運用相關的制作軟件時，工作人員將會面臨的主要問題包括以下兩個方面：

（1）相關數據的有效存儲。在電力工程進行線路路徑圖的設計時，往往需要涉及較為龐大的數據信息，因此，需要以適當預估作為基礎，確保設計工作的正常開展，而工作人員則應當注意對所使用硬件的及時優(yōu)化與整理，并盡可能地擴展數據的存儲空間；另外，在運用軟件的過程中，需要盡量避免盲目操作。

（2）圖象、參數處理。部分工作人員對于相關軟件不夠熟悉，操作也不夠熟練，軟件與模型之間的關系也不夠明確，應當通過實驗的方式，將所涉及的各類數據參數進行比對，從而確定最優(yōu)參數值；另外，只有保證軟件和設備具有良好處理能力，才能夠保障圖像的最終處理效果。

4.3 衛(wèi)片正射影像圖質量及后續(xù)處理分析

專題圖屬于一種影像式產物，如果想要體現(xiàn)出該圖在視覺感官上具有的優(yōu)勢，工作人員應當針對形成的專題圖，進一步采取系統(tǒng)化的處理。在此過程中，較為常用的軟件有Envi、ImageXuite和Photoshop 等，這些軟件的應用都可以有效輔助工作人員實施對專題圖勻光、邊緣增強和濾波的處理工作，從而提高專題圖的影像質量和清晰程度，良好的專題圖甚至能夠與航片的清晰度相媲美。

實踐表明，以衛(wèi)片為基礎，工作人員依據電力工程的線路路徑設計，所作出的漫游顯示往往會出現(xiàn)一定程度的失真，這將會導致電力工程的線路路徑設計中，一些細節(jié)方面的問題難以得到及時的處理。同時，由于衛(wèi)片漫游的視點較高，對于電力工程線路設計的整體輪廓、結構等方面問題，能夠做出相應的反應，從而爭取到采取補救措施的機會。

4.4 三維模型的構建與線路漫游的實現(xiàn)方式分析

①就設備的配置和軟件選擇方面，為了使電力工程線路設計能夠實現(xiàn)無阻礙漫游，要求計算機的中央處理器其主頻控制在2G 以上，內存應當在512M 以上，同時還需要具備支持3D 功能的顯卡；②就數據組織層面，對于模型的建立和產品的生成來說，線路測區(qū)的DEM 格式數據與正射影響拼接數據都是基本參考；③就漫游場景構建方面，工作人員需要利用DEM 格式數據、三維模型、正射影像數據等，將3DBrowser 模塊作為載體，才能夠恢復現(xiàn)實場景，從而完成線路漫游。

5 結語

由此可見，3D DEM 勢必會在更多的工程設計中，得到廣泛應用，發(fā)揮重要的地形測繪效用。隨著計算機技術的進一步發(fā)展，以及衛(wèi)星立體影像數據資料應用的逐漸普及，三維數字地形圖的應用成本也將會逐漸降低，滿足大眾的應用標準，幫助工程設計大大提高工作效率，增強在電力工程設計中的應用精度與自動化水平。

[1]賴振發(fā).全站儀測繪三維數字地形圖技術分析[J].現(xiàn)代測繪，2010，33（3）：20～22.

[2]楊永崇，胡楠，郭嵐.三維數字地形圖測繪技術研究[J].測繪通報，2011（1）：75～77.

[3]李宗華，趙中元.城市三維數字地圖系統(tǒng)建設及關鍵技術研究[J].中華建設，2010（01）：67～69.