李攀 李志斌 謝芳毅 尉濤 司海青

摘要：針對山區(qū)輸電線路工程建設(shè)中貨運(yùn)索道規(guī)劃選線的需求，研究基于三維GIS軟件平臺設(shè)計(jì)組件式的索道選線系統(tǒng)，以高分辨率的遙感影像和高程數(shù)據(jù)為支撐，借助于計(jì)算機(jī)模擬的三維空間信息進(jìn)行索道路徑選線，實(shí)現(xiàn)在三維場景下對輸電線路的信息查詢、索道規(guī)劃選線和管理以及索道專題圖制作。經(jīng)過施工單位的應(yīng)用后表明，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、伸縮性和重用性，降低了索道選線的工作量和成本，能夠?yàn)樯絽^(qū)輸電線路索道的規(guī)劃選線提供有力的幫助。

關(guān)鍵詞：三維GIS 山區(qū) 輸電線路 索道選線

中圖分類號：TM723 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

近年來，隨著我國電網(wǎng)建設(shè)工程的快速發(fā)展，輸電線路工程路徑走廊逐步向邊遠(yuǎn)地區(qū)和山區(qū)覆蓋，山區(qū)輸電線路建設(shè)工程需要面臨高海拔、地勢險(xiǎn)要、交通困難的問題，尤其是在西部地區(qū)還要經(jīng)過無人山區(qū)，交通運(yùn)輸及其不便，而輸電線路工程建設(shè)過程中的鐵塔、導(dǎo)線、基礎(chǔ)設(shè)施等物資重量很大，輸電線路材料運(yùn)輸面臨困難，復(fù)雜的地形地決定了采用常規(guī)的人力運(yùn)輸和汽車運(yùn)輸難以達(dá)到目的。索道架設(shè)靈活方便，可以運(yùn)送大量的物料，在地形地勢復(fù)雜的山區(qū)和人力畜力難以到達(dá)的地區(qū)，越來越多的采用索道運(yùn)輸技術(shù)[1]，因此可以在道路與電網(wǎng)線路施工點(diǎn)之間搭建貨運(yùn)索道以運(yùn)輸物資。由于索道建設(shè)的規(guī)模要受到電網(wǎng)線路工程總體成本的控制，而且隨著環(huán)保意識的加強(qiáng)，索道建設(shè)要盡量減少對環(huán)境的破壞程度，需要綜合考慮索道建設(shè)成本和生態(tài)環(huán)境代價(jià)，以盡量低的成本實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)索道建設(shè)，而科學(xué)、合理的進(jìn)行貨運(yùn)索道規(guī)劃選線，對降低索道建設(shè)成本有很大的幫助。因此，研究如何準(zhǔn)確、快速實(shí)現(xiàn)山區(qū)輸電線路貨運(yùn)索道的規(guī)劃選線，具有重要的工程意義和社會價(jià)值。

目前，專門針對輸電線路建設(shè)工程中貨運(yùn)索道規(guī)劃選線的研究并不多。建設(shè)單位要根據(jù)施工現(xiàn)場具體情況，依據(jù)索道設(shè)計(jì)原則選擇索道路徑和標(biāo)準(zhǔn)化的索道運(yùn)輸方案[2]，可以進(jìn)行現(xiàn)場勘測以了解局地的地形地貌，通過圖紙繪制實(shí)現(xiàn)索道路徑規(guī)劃，但實(shí)地勘測會受到現(xiàn)場環(huán)境條件的限制，成本高風(fēng)險(xiǎn)大，而且不便于進(jìn)行索道數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)管理。地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System ，GIS）技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于輸電線路工程建設(shè)過程中[3-7]，而且在電網(wǎng)的運(yùn)行管理[8]、電網(wǎng)安全巡檢[9]、數(shù)據(jù)管理[10]等方面都得到了應(yīng)用，利用GIS技術(shù)可以為索道選線的實(shí)際操作提供輔助性決策[11]。三維GIS對客觀世界的表達(dá)更加真實(shí)，具有地理信息全面、可視化效果好等特點(diǎn)，為山區(qū)輸電線路工程的貨運(yùn)索道規(guī)劃選線提供了理想的方式。

三維GIS是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，利用圖形圖像技術(shù)將遙感影像、高程等空間信息結(jié)合文字注記，為地理空間信息展示提供更加豐富、逼真的平臺，使人們將抽象難懂的空間信息可視化和直觀化，從而做出準(zhǔn)確而快速的判斷。本文研究利用三維GIS技術(shù)，結(jié)合山區(qū)輸電線路工程貨運(yùn)索道規(guī)劃選線的具體需求，建設(shè)一個(gè)可以準(zhǔn)確、快速進(jìn)行索道規(guī)劃選線的軟件系統(tǒng)，為輸電線路工程建設(shè)提供輔助服務(wù)。

1 業(yè)務(wù)需求分析

1.1 貨運(yùn)索道規(guī)劃選線要求

在進(jìn)行輸電線路的貨運(yùn)索道規(guī)劃選線時(shí)，要充分考慮經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境方面的成本，設(shè)計(jì)出的貨運(yùn)索道既要滿足施工建設(shè)過程中物料運(yùn)輸?shù)男枨?，還要對周邊的生態(tài)環(huán)境破壞程度達(dá)到最低，同時(shí)經(jīng)濟(jì)成本要控制在一定范圍內(nèi)。因此，通過對各施工標(biāo)段輸電線路附近的地形、地貌特征分析，根據(jù)所要運(yùn)送物資的重量，選擇相應(yīng)的索道類型和支架類型，進(jìn)行索道路徑選線，并依據(jù)索道類型的單位造價(jià)，計(jì)算出各施工標(biāo)段的貨運(yùn)索道參考建設(shè)成本，為工程施工提供參考。

1.2功能需求分析

系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能應(yīng)包括：基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)的三維可視化展示、三維飛行漫游瀏覽、三維空間測量、線路和桿塔信息的查詢和定位；系統(tǒng)的專業(yè)功能包括：索道選線繪制、索道數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)管理、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出、索道專題圖繪制。由于索道的繪制是針對輸電線路的桿塔局部區(qū)域進(jìn)行的，對基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的精度和過程參數(shù)的計(jì)算準(zhǔn)確度要求較高，因此需要有高效、完善的數(shù)據(jù)管理和統(tǒng)計(jì)分析體系。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1總體設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)主要是面向輸電線路工程的各施工標(biāo)段，為了保障系統(tǒng)具備良好的可移植性，能夠快速向各施工單位分發(fā)，系統(tǒng)總體構(gòu)架采用客戶端+Access數(shù)據(jù)庫的單機(jī)結(jié)構(gòu)模式。工程基本信息、索道參數(shù)數(shù)據(jù)存儲在本地?cái)?shù)據(jù)庫中，工程影像、DEM數(shù)據(jù)、線路交叉跨越矢量數(shù)據(jù)采用瓦片金字塔的形式存放在軟件緩存目錄下，實(shí)現(xiàn)快速、靈活的單機(jī)運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)采用組件模式開發(fā)，每個(gè)功能模塊是一個(gè)獨(dú)立插件。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

2.2功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)針對輸電線路工程的三維可視化查詢與測量、線路桿塔信息的查詢統(tǒng)計(jì)、索道規(guī)劃設(shè)計(jì)、索道信息管理統(tǒng)計(jì)、專題圖制作等業(yè)務(wù)，建立一個(gè)便捷、穩(wěn)定的信息管理與專題業(yè)務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，為輸電線路工程施工單位提供專業(yè)化的貨運(yùn)索道規(guī)劃選線業(yè)務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)可將索道規(guī)劃選線的專業(yè)功能分為以下3個(gè)模塊：

（1）工程信息管理。將線路桿塔按照從大到小的層級關(guān)系組成工程管控列表樹，用戶通過對列表樹的點(diǎn)擊操作，可以查看該施工標(biāo)段的基礎(chǔ)信息和目標(biāo)桿塔的設(shè)計(jì)參數(shù)，并通過雙擊節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)標(biāo)段和目標(biāo)桿塔在三維場景中的快速定位。

（2）索道規(guī)劃選線。針對當(dāng)前的施工標(biāo)段，在三維環(huán)境下繪制出服務(wù)于線路桿塔施工的索道線路，索道需要有類型、服務(wù)桿塔號等參數(shù)信息，并通過三維計(jì)算獲取該條索道的所有拐點(diǎn)處的坐標(biāo)和高程信息、索道沿線的海拔最值和沿線的坡度情況、索道總體水平距離等相關(guān)信息，并且可以對現(xiàn)有索道進(jìn)行編輯操作。

（3）索道信息管理。對當(dāng)前施工段所屬的索道信息按照列表樹的形式展示，通過對列表樹的操作進(jìn)行索道刪除和參數(shù)信息查詢，能夠?qū)λ鞯肋M(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，計(jì)算每種類型的條數(shù)和總長度，支持系統(tǒng)內(nèi)外部索道數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出，可以制作索道的專題圖。

3軟件實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

3.1基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

根據(jù)各個(gè)施工標(biāo)段的線路覆蓋范圍，按照20公里的線路走廊寬度選擇分辨率為5米的衛(wèi)星影像和30米的DEM數(shù)據(jù)并處理成瓦片金字塔，然后將0.43米的航片和10米的DEM分別處理成瓦片金字塔，系統(tǒng)采用四叉樹索引讀取瓦片并在三維場景中疊加顯示。線路的交叉跨越矢量數(shù)據(jù)在ArcGIS中切割成瓦片，疊加在三維平臺的影像之上顯示。

3.2系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用環(huán)境

系統(tǒng)采用微軟VS 2010開發(fā)平臺和C#語言進(jìn)行組件式開發(fā)，工程信息用access數(shù)據(jù)庫存儲，利用三維Globe平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)加載展示和功能開發(fā)。工程信息數(shù)據(jù)庫、索道數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)和三維模型存放在系統(tǒng)指定目錄下，系統(tǒng)直接訪問本地目錄讀取并加載數(shù)據(jù)。

3.3系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)

3.3.1工程信息查詢

系統(tǒng)從工程信息數(shù)據(jù)庫中讀取線路標(biāo)段及桿塔信息，按照線路-標(biāo)段-桿塔的層級所屬關(guān)系形成列表樹，標(biāo)段和桿塔級別的節(jié)點(diǎn)中隱含了該節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)信息，桿塔節(jié)點(diǎn)具有右鍵菜單事件。用戶右鍵桿塔可以查看目標(biāo)桿塔的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過雙擊節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)標(biāo)段和桿塔在三維場景中的快速定位。

3.3.2索道選線

用戶可以在三維場景中對桿塔周邊的地形地貌進(jìn)行識別分析，根據(jù)具體需求繪制不同類型的索道，繪制過程中可以通過暫停/繼續(xù)菜單控制繪制進(jìn)程。繪制索道時(shí)首先在三維場景中生成臨時(shí)的索道線幾何圖形，并在后臺以坐標(biāo)集合的形式臨時(shí)存儲索道的拐點(diǎn)坐標(biāo)，在繪制完成并確認(rèn)保存之后將索道拐點(diǎn)坐標(biāo)存入Access數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)再從數(shù)據(jù)庫中獲取索道拐點(diǎn)坐標(biāo)，依次生成索道拐點(diǎn)序列。根據(jù)索道所屬類型設(shè)置線路顏色，根據(jù)索道支架類型選擇對應(yīng)的拐點(diǎn)圖標(biāo)，在三維場景中繪制出索道幾何圖形。

系統(tǒng)提供對區(qū)域內(nèi)多條備選索道方案進(jìn)行比對，選擇既能夠滿足物料運(yùn)輸需求并且建設(shè)成本又相對較低的索道路徑作為最優(yōu)索道路徑。系統(tǒng)可以對現(xiàn)有索道數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除和編輯操作，通過鼠標(biāo)在三維場景下選中索道進(jìn)行拐點(diǎn)的增加、刪除、移動操作，實(shí)現(xiàn)索道的幾何特征編輯，并能夠?qū)崿F(xiàn)索道上料點(diǎn)和下料點(diǎn)的調(diào)整。在索道的屬性界面中實(shí)現(xiàn)對該索道類型、服務(wù)桿塔等屬性信息的編輯，完成索道路徑的優(yōu)化，如圖3。

3.3.3索道信息管理

用戶可以將數(shù)據(jù)庫中以拐點(diǎn)坐標(biāo)形式存在的索道數(shù)據(jù)與Excel文件和矢量shapefile文件進(jìn)行互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)外部數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出。索道數(shù)據(jù)按照列表樹形式展示，用戶可以在列表樹進(jìn)行刪除、信息查詢和定位。系統(tǒng)對索道按照類型進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，分析每種索道類型的條數(shù)、總長度以及修筑成本。在索道參數(shù)界面可以查看索道的剖面圖、基本信息、索道沿線的坡度最值和海拔最值、索道長度等信息，并能夠查看和導(dǎo)出索道的分段信息。通過對已繪制索道的參數(shù)分析，審核該條索道的選線是否能夠滿足索道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和物料運(yùn)輸需求。針對某一區(qū)域的索道信息，以三維場景為底圖，索道數(shù)據(jù)為專題，制作索道專題圖。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)基于單機(jī)模式的三維地理信息系統(tǒng)架構(gòu)，建立輸電線路貨運(yùn)索道規(guī)劃選線的三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對索道的選線繪制、存儲和三維可視化管理、統(tǒng)計(jì)分析、專題圖制作。系統(tǒng)具備較高的可移植性，便于施工單位實(shí)地勘測與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的同步進(jìn)行，采用組件式開發(fā)，業(yè)務(wù)模塊可以與其他系統(tǒng)整合，系統(tǒng)功能具有良好的伸縮性和重用性，提高了系統(tǒng)的開放性。同時(shí)，充分利用三維數(shù)據(jù)的空間特性，提高了選線結(jié)果的準(zhǔn)確性。

該系統(tǒng)下索道選線的準(zhǔn)確度受制于所采用的DEM和影像分辨率，分辨率越高，索道選線的結(jié)果就越準(zhǔn)確。同時(shí)，系統(tǒng)下一步需要結(jié)合輸電線路索道選線和施工應(yīng)用的更深層次需求，針對輸電線路施工過程中的運(yùn)輸需求，建立整條輸電線路工程的運(yùn)輸管理查詢功能，為工程建設(shè)的運(yùn)輸保障提供更豐富的工具。

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