基于Android平臺的電力工程外業踏勘三維輔助系統設計與實現

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

隨著電網建設工程的快速發展，電力工程外業踏勘面臨著越來越多的復雜地形、交通困難等問題[1-2]。傳統的電力工程外業勘測和設計分工明確，設計主要依賴于勘測數據作為支撐，勘測也需要設計數據作為工作依據。一般需要勘測設計人員共同前往現場踏勘，但往往需要內業處理才能最終確定設計或勘測數據，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展，三維地理信息數據在智慧電網、智慧交通、智慧城市、園區規劃、應急指揮等領域應用越來越廣泛[3-4]。三維地理信息系統(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展，使得基于移動端的GIS也得到廣泛研究。在傳統的調繪模式下，需要外業人員在現場手工繪圖、記錄屬性和照片等，內業時需要對草圖進行轉換處理。因此傳統的工作模式存在一定的局限性，主要體現在：紙質記錄易丟失、難以快速獲取成果、容易產生錯誤和偏差、工作量大。運用移動設備在外業現場進行圖形、屬性、多媒體采集，并實時進行成果整編、質量檢查，在提升外業數據采集效率的同時能夠有效控制數據質量，實現電力線路調繪內外業一體化的工作流程。現有的移動GIS系統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系統大多為二維GIS產品。三維GIS以立體造型技術給用戶展現地理空間現象，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，因此還沒有廣泛統一使用的框架[10-12]。

北斗衛星導航系統是中國自行研制的全球衛星導航系統，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，現已成功發射54顆衛星，其中北斗三號衛星29顆，已從服務于亞太區域逐步向服務全球轉變，服務能力和水平不斷提升[13-16]。

隨著衛星定位技術在各個領域的廣泛應用，其作業方式也發生著巨大變革，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星軌道誤差、大氣傳播延遲誤差以及衛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，研究設計基于Android平臺的電力工程外業踏勘三維輔助系統，實現踏勘和設計工作一體化，減少外業踏勘工作的反復，優化作業流程，提高工作效率。

1 總體框架設計

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

圖1 電力工程外業踏勘輔助系統總體設計框架

電力工程外業踏勘輔助系統包括外業勘測系統、數據管理系統和電力工程三維分析系統。其中：①外業勘測系統實現電力工程外業探勘數據數字化一體采集，服務外業人員；②數據管理系統提供項目管理、勘測數據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提供三維模型建立展示、三維量測分析等功能，服務內業人員和設計人員。

數據管理系統可以對外業勘測系統獲取的野外測量和調繪數據進行編輯、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可以利用外業勘測數據和內業數據建立實時三維模型，進行三維量測分析；外業勘測系統可根據數據管理系統和電力工程三維分析系統的演算結果，及時抓取數據核驗正確性。三大系統之間相互協作，最終實現勘測、設計等工序內外業實時、協同、綜合輔助設計目標。

1.1 外業勘測系統

外業勘測系統主要功能是進行外業勘測數據采集，具體功能模塊如圖2所示。該系統可以連接北斗定位設備，進行實時定位，實現塔基放樣功能；加載顯示天地圖、百度地圖、高德地圖等經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、數據導出等勘測功能。

圖2 外業勘測系統主要功能模塊

1.2 數據管理系統

數據管理系統的主要功能模塊如圖3所示。系統支持地形圖、分層等值線圖、參數分區圖等勘測數據和衛星影像、點云、數字正射影像圖(digital orthophoto map，DOM)、數字高程模型(digital elevation model，DEM)等GIS數據的加載，單次數據加載量不超過10 GB，可覆蓋1 km2的站址或100 km以內的線路數據。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據統計分析功能；提供項目管理、成果導出等輔助功能，可將野外踏勘數據導出CASS和道亨野外操作碼。

圖3 數據管理系統主要模塊

1.3 電力工程三維分析系統

電力工程三維分析系統的主要功能模塊如圖4所示。該系統實現三維GIS數據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，能夠實現放大、縮小、變換視角等功能；能夠對三維GIS數據和勘察數據進行計算和分析，實現測量面積、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主要模塊

2 系統架構設計

電力工程外業踏勘輔助系統采用4層架構模式進行建設，具體分為：硬件層、數據層、服務層和應用層，如圖5所示。

圖5 電力工程外業踏勘輔助平臺系統體系結構圖

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到移動平臺。

數據層主要為數據服務提供數據源，包括在線地圖、勘測數據和三維GIS數據。在線地圖包括天地圖、百度地圖和高德地圖等；勘測數據包括地形圖、分層等值線圖、參數分區圖；三維GIS數據主要包括衛星影像、點云、DOM、DEM。

服務層通過將數據層數據發布為數據服務，以服務的形式為移動終端應用系統提供各種地理信息服務的實現接口，包括定位服務、數據加載服務、空間查詢服務、統計分析服務和實時調繪服務等。

應用層是系統功能載體的具體實現，提供用戶操作界面，負責系統功能和數據展示。主要功能包括用戶注冊、用戶登錄、系統設置、數據導入、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、道亨聯機、CASS聯機和成果導出。

3 功能設計與實現

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節之一。傳統的塔基放樣技術依賴于經緯儀和全站儀，因外業操作復雜、偶然誤差大、內業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，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，應用RTK 定線，可減少房屋拆遷量和轉角數量，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，根據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，實現全自動線路和塔基放樣，進而可實現自動化塔基規劃。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據。基于本平臺，只需一人便可完成塔基放樣工作，大大節約了作業成本。

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，實現智能化地物調繪。測量過程中，通過藍牙，實現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 測量的數據，將地物名稱和測量數據存儲在數據庫，在圖上繪制地物(記錄數據為：地物類型、點號、X坐標、Y坐標、Z坐標、其他)。為提高外業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 三維空間數據加載及量測分析

電力工程外業踏勘輔助平臺能夠實現三維空間數據的實時加載和分析功能。基于三維GIS技術，本平臺具備數據獲取、數據組織、數據操縱、數據分析和數據表現等空間數據處理功能。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。本平臺可以實現在外業踏勘過程中對三維GIS數據(如衛星影像、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，實現巖土、水文圖紙(如分層等值線圖、參數分區圖等)在APP上進行位置校準和顯示，為設計提供現場參考，輔助選址選線。

圖8 三維激光點云數據加載

圖9 三維量測分析功能

4 結語

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

電力工程外業踏勘輔助系統實現了電力工程外業踏勘設計的一體化，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勘測專業的復雜性，將系統平臺推廣應用，結合各專業踏勘具體需求，分別研究相應的數據呈現和分析方法，定制化界面和功能，簡化作業流程，減少工作反復，以更好服務勘測設計外業踏勘。