輸電線路工程三維地理信息平臺的研究及應用

張 瑞，陳曉龍

(中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200063)

0 引言

我國電力行業自2010年開始積極推進三維數字化技術，寧東—山東±660 kV直流輸電工程建設中首次提出了“三維數字化移交”的新思路[1]，電網設計逐步從二維向三維數字化過渡。2018年7月發布的《國家電網有限公司關于全面應用輸變電工程三維設計及建設工程數據中心的意見》中，要求35 kV及以上變電站及輸電線路工程要全部采用數字化設計，并于2020年底具備數字化移交條件[2-3]。自此之后，三維數字化設計開始全面推廣。

現階段，傳統三維地理信息數據生產手段繁雜、格式迥異，數據成果形式與要素屬性結構亦不能滿足電網地理信息數據移交的要求。于是迫切需要建立三維地理信息數據交互體系，利用數據交互體系處理平臺整合多源異構數據，實現可視化效果好、圖屬一體化強、分析功能完善的三維地理信息平臺[4-6]。

本文搭建輸電線路三維地理信息一體化平臺，其基于輸電線路工程地理信息數據和屬性信息，通過多源數據融合、多級分層瓦片金字塔、三維可視化技術、視圖操作一體化技術、數字化交互設計技術，清晰表達三維地理信息的復雜空間關系，實現三維立體場景搭建，輸出電網工程地理信息數據數字化移交的經典數據格式，并具備多種數據格式轉換的功能，支撐三維數字地理信息數據在輸電線路工程全流程、全產業鏈中的應用。

1 平臺系統架構和功能設計

1.1 平臺設計總體架構

平臺采用完全自主知識產權的核心3D引擎，同時提供軟件開發工具包用于二次開發，其基于海量地理信息數據和高效的分布式數據管理，建立一個三維交互式現實環境，是一種自下而上的層次型軟件體系結構，其總體架構如圖1所示。

圖1 平臺總體架構圖

平臺的四層體系結構充分體現了平臺結構的系統性，其在滿足安全性的前提下，保證良好的可拓展性。

1.2 平臺功能架構

輸電線路三維地理信息一體化平臺的功能架構如圖2所示，其主要功能包括以下8個模塊：多源數據融合、三維選線、桿塔排位、通道清理分析、數據組織管理、三維界面編輯功能、空間量測及分析、成果移交，籍此優化勘測專業技術手段，方便輸電線路勘測設計的交互與協調作業。

圖2 平臺功能設計

2 平臺功能特點

2.1 平臺數據集成度高

本平臺以數據管理為基礎，以工程項目為基本單元實現數據統一管理，采用四叉樹和動態調度技術，為輸電線路工程多專業數據的統一存儲、重復利用和數字化移交提供完備的平臺支撐，達到各專業數據之間的高度集成和高效利用。

測量專業集成數據包括海量DEM、DOM、激光點云、傾斜三維模型、矢量數據以及基礎地理信息單體模型等；巖土專業集成數據包括不良地質帶數據、地震帶區域數據、礦產廠區數據等；水文氣象專業集成數據包括重點水文數據和氣象專題圖數據等；對于電氣和結構專業，集成數據包括電網專題數據、輸電線路通道專題數據以及電網信息模型(grid information model，GIM)模型等。

各專業數據的統一化管理也為實現成果自動化、集約化生產奠定了基礎，尤其是面對多次路徑方案修改時，利用平臺的自動化處理功能，可快速完成各專業數據的重新整理和數據成果的快速生產。

2.2 三維可視化的快速表達

針對數據量龐大的高分辨率DOM和DEM，平臺利用金字塔瓦片結構和多細節層次(levels of detail，LOD)技術實現數據的快速訪問和顯示。

金字塔瓦片結構是根據區域的形狀和范圍將DOM和DEM按照一定的規則進行多級網格劃分，形成數字金字塔，實現顯示結構的優化，從而達到太字節(terabyte，TB)級別的影像存儲和快速瀏覽，加載三維設備和地理信息模型，在保障顯示精度的同時，又可顯著提升顯示速度[7]。

LOD技術采用的是視點相關技術，對應于不同的范圍采用差異化分辨率的地理數據[8]。這一手段可實現大規模場景的實時渲染，可簡化場景的復雜度，進而減少圖形實時顯示的失真率。

2.3 二、三維窗口聯動

平臺三維視窗為用戶提供了靈活的二維模式和三維模式的切換和雙屏顯示的二、三維模式聯動控制。

基于要素矢量化數據和外業調繪數據，平臺可實現房屋、林區以及低等級線路交叉跨越的電桿及點線的簡單幾何體自動建模，進一步打通二、三維一體通道。

二、三維選線和桿塔排位后，一體化平臺實時呈現塔位，基于選線和排塔結果可聯動顯示斷面線、塔基斷面和桿塔成果表，同時自動生成房屋分布圖、林木調查表和交叉跨越統計表，便于塔位調整。

2.4 成果輸出

基于外業調繪對航測內業成果進行修正后，自動生產標準格式的通道路徑地形圖、平斷面圖、桿塔成果表、塔位地形圖、塔基斷面圖、房屋分布圖、林木調查表等成果。如遇路徑方案的修改，也只需將改線部分的矢量信息錄入，即可同步生產各項測量成果。不僅省去了傳統模式下定線定位初期反復提資的過程，還提高了測量終勘及改線中成果生產的效率。

2.5 三維成果展示

平臺基于三維地理信息場景、線路通道模型場景、線路本體三維模型及相對空間位置關系，通過“搭積木”的方式進行整合并實現三維成果的展示[9]。

1)三維地理信息場景

基于統一的平面坐標系統和高程系統，將三維地理信息數據在平臺上進行展示，提供各成果的查詢、檢索和統計功能。

2)線路通道模型場景

基于傾斜攝影三維模型和路通道房屋、林區及低等級線路簡單幾何體模型，同時提供外部精細化模型接口。

3)設計桿塔組模型搭建

桿塔排位確定后，基于設計數據和桿塔組模型庫(通用模型庫、金具絕緣子串組件庫、桿塔庫、基礎庫等)，對每一基桿塔組模型以桿塔為基準進行組裝，根據桿塔模型原點的經緯度和高程信息，結合設計的桿塔空間變換矩陣位置和姿態，將桿塔組模型進行轉向調整并放置于三維地理信息場景中。

4)導地線模型搭建。

基于導地線型號參數庫，根據導地線的外徑尺寸和導線地線兩端的掛點信息，形成導地線的三維模型搭建，同時根據變換矩陣信息放置間隔棒等三維模型。

平臺根據用戶指定路徑進行三維漫游和視頻錄制，瀏覽線路沿線情況，也可根據分析統計數據，輔助對線路路徑方案的經濟性、合理進行評審。

2.6 三維地理信息數據數字化移交

平臺可自動生成常規應用的各項標準格式的圖件和通道信息統計表，同時提供數據格式轉換和擴展數據接口，保證移交數據的可移植性。

3 工程應用

3.1 工程概況

以上海市某220 kV線路工程為例介紹輸電線路工程三維地理信息平臺的實際應用。該工程示例段長度為4.8 km，線路沿線地勢平坦，河網密布，道路縱橫交錯，村落較多，建筑較為密集。外業基于無人機低空傾斜攝影測量和無人機激光掃描，獲取了空間分辨率為3.0 cm的傾斜模型、影像分辨率5 cm的DOM數據、格網間距1 m的DEM數據和點云密度124點/ m2的激光點云數據，同時外業進行了調繪和終勘定位測量。

3.2 路徑優化

在平臺上基于DEM和DOM創建三維立體場景，通過二、三維視圖協同，借助三維測量、緩沖分析、房屋拆遷統計及林木砍伐統計等輔助功能，分析建筑區和林區對輸電線路的影響，同時捕捉影響路徑走向的不良地質區、保護區、規劃區等避讓點。通過平臺的聯動窗口，同步顯示三維立體場景及選線后的平斷面圖，達到選線方案和方案斷面的交互，從而實現路徑方案的優化。圖3為路徑優化選線界面。

圖3 路徑優化選線界面

本工程路徑優化選線后與初選路徑相比減少了2基塔位，路徑長度縮短了520 m，房屋拆遷面積減少1 240 m2，林木砍伐面積減少1 600 m2，避讓高頻全向信標導航臺1處。路徑優化后線路走向更加合理，不但降低了工程成本，還減少了房屋拆遷和林木砍伐量，起到了很好的經濟效益和社會效益。

3.3 線路通道清理統計

線路通道清理統計主要包括房屋拆遷統計、林木砍伐統計和交叉跨越統計。基于矢量化數據和錄入的屬性數據可自動化生產房屋、林木和線路交叉跨越的簡單幾何體模型。圖4為線路通道簡單體幾何模型。

圖4 線路通道簡單體幾何模型

線路受風偏影響，越靠近檔距中間，導線擺動幅度越大，拆遷范圍也越大。平臺考慮動態拆遷線的影響，結合錄入的房屋用途、房屋層數、林木樹種、林木密度等屬性信息，統計的房屋拆遷量和林木砍伐量較傳統固定拆遷線的統計量更為準確合理。基于檢索條件的通道分析統計如圖5所示。

圖5 基于檢索條件的通道分析統計

經平臺統計影響路徑的房屋面積為79 115 m2，林木統計量為1 656棵，10 kV及以下低等級線路交叉跨越58根，10 kV以上高等級交叉跨越3根，與技經專業最終統計量對比，數據準確，滿足設計要求。

3.4 三維展示

基于電氣和結構專業的排桿信息，在三維地理信息場景、線路通道模型、設計桿塔組模型和導線地線模型的搭建下，實現三維成果展示、漫游，如圖6所示。

圖6 桿塔模型三維展示

3.5 擴展數據成果輸出

平臺除按設計所需提供標準格式圖表外，應業主要求將通道地理數據、地下管線數據和專題數據轉換至所需的SHP文件格式，滿足數據入庫管理，具體輸出樣式如圖7所示。

圖7 平臺格式轉換輸出樣式

基于平臺的自動化專題圖輸出和專業數據管理能力，進行地理信息數據整理和統計具有明顯優勢，提高了輸電線路成果輸出效率。

4 結語

輸電線路三維地理信息一體化平臺是高精度DEM、DOM、三維實景模型、三維激光點云等基礎地理信息數據，結合相關專業數據的高耦合度屬性，以可視化、集成化模型手段輔助各專業交互作業的管理平臺，具有圖屬一體、統籌分析的特點，有利于路徑方案的全方位優化、成果質量和生產效率的提升。同時基于三維地理信息場景以及設計共享的桿塔和導地線數據，實現設計成果的精細化數字模型。

目前，平臺的優勢主要側重于輸電線路的勘測設計，隨著數據內容不斷深挖、開發應用不斷發展，三維地理信息數據在工程施工、運維管理等領域的應用也越來越廣泛，功能越來越完善。未來三維地理信息數據的獲取、融合、處理、成果構建等全過程中應充分考慮到各階段的功能需求。