基于GIS的輸電線路三維輔助設計系統的研究

王 濤 鄧晨成 劉志松

1.武漢供電設計院有限公司，湖北 武漢 430000

2.國網武漢供電公司，湖北 武漢 430000

隨著改革開放的不斷深入，國家越來越重視電網工程建設，尤其關注山區或經濟落后地區輸電線路的覆蓋率。但在實際電網建設中，面臨著高海拔、偏遠高寒、山區、地形較為復雜地區的建設難題。在初期勘測人員對于整個過程至關重要，要對所有因素進行綜合考慮分析，實地反復地勘測、繪圖、計算，為施工設計方案提供準確可靠的參考資料。傳統的勘測主要靠人力，不僅成本高、效率低，且信息獲取不夠精準。而采用輔助手段如信息技術開展勘測，能夠獲取精準信息資料，GIS技術現階段已在電網工程建設中廣泛應用，因此，基于GIS進一步研究三維輔助設計系統具有重大意義。

1 分析業務與技術的需求

1.1 業務

基于GIS輸電線路工程中的三維輔助設計系統，可以在整個輸電網工程建設的不同施工階段，對區域中工程建設情況呈現出三維的效果。因此，在實際的設計中引進三維輔助系統十分必要，以分辨率較高的遙感影像為載體、融合DEM 數據進而實現綜合管理輸電線路區域的信息可視化展示。系統中須配置相應功能，如瀏覽測量三維空間、查詢管理工程信息、運輸道路規劃及輔助施工管理等功能。同時，三維可視化產生大量數據并且在一定的范圍內進行三維測繪、計算等，其中對于數據信息的加載速度及計算精裝度要求嚴格，需要強大的數據管理計算系統。

1.2 技術

1.2.1 輸電線路初期設計

輸電線路建設過程主要包括初期和施工兩個階段的設計。首先，初期設計根據現場勘測數據與實際情況，對區域中線路選擇、確定的輸電線路規劃方案進行分析及優化。選擇輸電線路對于初期設計極其重要，只有選擇最優線路，才能保障工程的質量、運行穩定及建設投資等[1]。現階段初期設計是根據地形地勢圖來選擇線路，確定路線后才到現場進行實地勘察、測繪、計算等，雖然這種方法具有一定的可行性，但在實際工作中仍存在一些不足：①由于區域地形地勢圖繪制時間長，內容不能及時更新，對于施工期間該區域的地貌及水文并不能準確反映出來，地圖和實際工作存在誤差。②地形地勢圖是根據區域的特征按照一定的比例縮小后繪制的，受到范圍影響地形地勢圖可視效果較差，可讀取到的內容有限，尤其是等高線、高程、距離等信息獲取及判斷有一定難度。③在設計輔助運輸路線時，地勢、斷面等信息無法從地圖上直接獲取，不能確保桿塔排位的質量。前期設計中需要從立體模型中獲取線路的平面圖，再利用CAD繪圖軟件對桿塔進行排位及校準，存在航拍覆蓋面積小、造價較高等弊端，不利于初期設計。

1.2.2 輸電線路初期設計中應用三維GIS技術

我國的GIS起步較晚，但發展勢頭迅猛，現階段GIS在各領域廣泛應用。目前，三維GIS系統還處于不斷發展完善階段，最具有代表性的是三維數字地球技術（Skyline），三維數字地球技術的應用使得線路選擇及規劃可視化成為現實，憑借三維數字化顯示技術，利用遙感航測儀數據、數字高程數據、三維數據等可以構建出真實世界的三維場景。

實際工作中選擇線路周圍的地形地貌特征通過三維可視化進行具體形象的展示，主要構成的軟件有3種。一是Terra Builder，主要是將大量的遙感航測影像數據、高程數據及矢量數據進行整理歸納，創建形成較為精準的三維模型地形數據庫。二是Terra Explorer，它是一個桌面工具應用程序，不僅能讓用戶瀏覽分析空間數據，還能進行編輯，添加三維的物體、路徑、場所及地理信息，能對數據進行分析，利用三維模型原理形成可視化的三維場景。通過Terra Explorer和Terra Builder共同創建的地形數據庫進行連接，并直接在網絡上接入GIS層，支持三維場景的查詢、瀏覽及測量等功能。三是Terra Gate，發布地形數據庫的服務器及展示三維地形，設置權限允許用戶經過網絡對地形數據庫進行訪問。協同發揮主要的作用下最終生成三維圖像，利用系統的主要功能系統實現展示。3種軟件能夠協同發揮作用生成三維圖像，最終為輸電線路初期設計提供參考，輔助輸電線路完成設計。

2 基于GIS的輸電線路三維輔助系統設計方案

2.1 整體設計

基于GIS的輸電線路三維輔助設計系統主要包括數據產生及獲取、數據服務、數據應用等方面，其中，數據的產生及獲取能夠直接獲取到輸電線路建設施工現場的地形地貌、水文、地質等數據。數據服務則能夠對相關搜集獲取到的數據完成存儲后進行共享，用戶能夠將獲得的數據和場景之間完成交換，互相連接，最終滿足輸電線路設計標準。應用接入到GIS中的數據來對施工現場的地形地貌進行場景模型構建，并將形成的模型數據成功輸入到電網管理系統中，最終完成輸電線路的三維輔助設計及總體構架[2]。

2.2 數據庫設計

輔助系統中需要設計數據庫管理，應用相關軟件來完成功能構建，數據庫在實際應用中要對其進行科學合理的劃分，最大化減少繁雜流程。輸電線路設計通常有兩類：空間地理數據和輸電線路模型數據。空間地理數據的設計面向于地質層、地形層、建筑物層及城市層等相關的施工環境特征，要設計矢量數據模型、數字高程模型、點線面及柵格數據模型；輸電線路模型主要是一些金具及附件、架空線指標、桿塔規格等較為基礎的信息，設計編碼檢索、關系數據模型等。在兩類共同作用下對數據進行分層管理，應用GIS系統能將空間性質特點展現出來，如地形信息、線路信息、設備信息等，確保數據完整和準確。

2.3 系統功能設計

設計系統要確保較好完整性及擁有良好的性能，輔助施工及調查系統功能主要包括4個方面，將對該系統在實際應用中為制訂、調整及優化輸電線路施工方案提供優質專業的調查業務服務。

2.3.1 工程信息管理

工程信息管理采用層級管理方法構建相關的體系，用戶查詢工程信息時，根據實際需要點擊相關的桿塔列表體系，系統根據點擊提供相關參數，就能將桿塔的具體位置在三維場景中展現出來。工程信息管理主要是將獲取的數據及規劃的信息進行有效管理，將現階段的數字化、網絡信息及數據庫等技術進行充分利用，實現數據信息的專業化系統化管理，同時還具備數據的儲存、參數查詢、桿塔定位等操作。

2.3.2 三維工具

三維工具應用在三維系統模型中，借助三維工具能對三維模型中的點位數據進行實時查詢，實時了解實際現場基礎信息，該工具的應用能夠將線路覆蓋的區域范圍以三維實景的形式展現出來，尤其是三維的地形地貌特征[3]。利用三維測算需要用附帶傳感器的設備，根據預先設計的輸電線路用三維工具展開測算完成設定，通過瀏覽得到相關數據資料，為下一步線路的設計及規劃提供便利。2.3.3 道路管理

在輸電線路建設方面，需要根據區域的地址地勢、道路及建設條件明確實際道路的類型、寬度、長度等信息。結合數據、實際的道路狀況及桿塔對于輔助輸電線路的道路進行規劃。

2.3.4 索道管理

結合輸電線路建設施工的標準及要求，利用輔助器對選擇最優的索道線路及規劃，繪制確定的索道線路。對此，需要將索道線路的坡度、高程等基礎信息，完成繪制索道規劃設計圖，導入到三維模型，還能夠為工程實際建設提供參考。

3 選擇輔助輸電線路可行性路徑

3.1 選擇輸電線路的可行性路徑

基于GIS，設計的輸電線路三維設計系統能輔助選擇輸電線路的可行性路徑，具體流程如下。

3.1.1初步規劃線路

通過輸電線路三維輔助設計系統的數據平臺能對實際施工區域的地理數據資料進行獲取，且根據獲得的實際數據資料將輸電網線路地貌周圍的地形特征及水文信息通過三維可視化形式顯示，三維可視圖對大致的線路進行初步規劃有輔助的作用。同時在數據平臺中能對采集、定位等基礎數據獲取更加準確，而應用三維圖更能了解施工現場的開展狀況及實際的參數，應用矢量數據能確保三維圖形和實際的情況相符合。

3.1.2 編輯輔助線路路徑

在三維輔助設計系統中，結合工程要求及實際具體狀況提供路徑方案是多樣化的，這時要根據選擇的方案對相應的特殊點及危險源等信息可進行收集。對比分析不同的路徑方案，將最終得出的結果進行評估分析，尤其是特殊點及危險源等，在評估及對比中需要進行采集及完善相關的信息。

3.1.3 空間分析輔助線路

將空間分析技術引入設計系統中，該技術能夠對比分析輔助線路不同方案，根據地物情況對規劃方案可行性及安全可靠性進行分析，進而確定最優的路徑方案。該技術的應用是確保輸電網路線設計規劃方案更加符合路線的真實狀況，相對于系統設計及輸電網線路規劃意義重大[3]。

3.1.4 可行性線路圖繪制

基于GIS，在輸電線路三維輔助設計系統中采用路徑專題圖制圖輔助設計，確定最優的路徑及規劃后，系統能對CAD格式的線路專題圖直接導出，其中包括影像參數、高程及矢量數據等，該過程的完成主要建立在前期一切準備的基礎上。因此，前期的準備工作及信息搜集與分析極其重要，必須予以高度重視。

3.2 桿塔排位校驗

在確定輸電線路的基礎上，三維數據能夠根據相關理論知識及實際需求進行桿塔排位。此時根據跨越區域的具體狀況明確桿塔的塔位、塔高、塔形等基礎參數，進而系統能提供線路施工的工程成本預算及評估科學性。實時顯示出桿塔、樁位、底線、跨越、導線等參數的基礎信息，進而實現桿塔排位的可視化，同時也能實現手工操作桿塔排位，如插入、移動、修改及刪除等。該系統在應用的過程中還能根據絕緣串、桿塔地基、縱橫面的比例等對可應用的數據進行合理設計。該系統能提供耐張段擋距、典型擋距等實際信息輔助桿塔排位，使其排位更加科學合理符合實際情況。同時，桿塔排位的最終結果也能通過三維進行修改，和三維場景一致并實時更新，桿塔排位結果達到標準后在真實場景中完成設計及校驗，確保輸電網線路建設的精準度，減少煩瑣的流程、節約時長、節省大量人力財力，使得工作效率顯著提升。對線路完成調整及桿塔排位優化后，系統將導出最終的輸電線路設計圖，提供輸電線路建設工程施工階段的三維模型，顯示出輸電線路建設中的桿塔、導線、絕緣子等參數數據，同時數據信息還能導出指導輸電線路施工。

4 結 語

綜上，基于GIS的輸電線路三維輔助設計系統能夠輔助輸電線路初期及施工階段的設計，對其中提供功能及服務進行不斷的完善，進一步發揮出系統在輸電線路中存在的價值，提升工作效率。