王 濤 鄧晨成 劉志松

1.武漢供電設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430000

2.國(guó)網(wǎng)武漢供電公司，湖北 武漢 430000

隨著改革開(kāi)放的不斷深入，國(guó)家越來(lái)越重視電網(wǎng)工程建設(shè)，尤其關(guān)注山區(qū)或經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)輸電線路的覆蓋率。但在實(shí)際電網(wǎng)建設(shè)中，面臨著高海拔、偏遠(yuǎn)高寒、山區(qū)、地形較為復(fù)雜地區(qū)的建設(shè)難題。在初期勘測(cè)人員對(duì)于整個(gè)過(guò)程至關(guān)重要，要對(duì)所有因素進(jìn)行綜合考慮分析，實(shí)地反復(fù)地勘測(cè)、繪圖、計(jì)算，為施工設(shè)計(jì)方案提供準(zhǔn)確可靠的參考資料。傳統(tǒng)的勘測(cè)主要靠人力，不僅成本高、效率低，且信息獲取不夠精準(zhǔn)。而采用輔助手段如信息技術(shù)開(kāi)展勘測(cè)，能夠獲取精準(zhǔn)信息資料，GIS技術(shù)現(xiàn)階段已在電網(wǎng)工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用，因此，基于GIS進(jìn)一步研究三維輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有重大意義。

1 分析業(yè)務(wù)與技術(shù)的需求

1.1 業(yè)務(wù)

基于GIS輸電線路工程中的三維輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可以在整個(gè)輸電網(wǎng)工程建設(shè)的不同施工階段，對(duì)區(qū)域中工程建設(shè)情況呈現(xiàn)出三維的效果。因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中引進(jìn)三維輔助系統(tǒng)十分必要，以分辨率較高的遙感影像為載體、融合DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)綜合管理輸電線路區(qū)域的信息可視化展示。系統(tǒng)中須配置相應(yīng)功能，如瀏覽測(cè)量三維空間、查詢管理工程信息、運(yùn)輸?shù)缆芬?guī)劃及輔助施工管理等功能。同時(shí)，三維可視化產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)并且在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行三維測(cè)繪、計(jì)算等，其中對(duì)于數(shù)據(jù)信息的加載速度及計(jì)算精裝度要求嚴(yán)格，需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理計(jì)算系統(tǒng)。

1.2 技術(shù)

1.2.1 輸電線路初期設(shè)計(jì)

輸電線路建設(shè)過(guò)程主要包括初期和施工兩個(gè)階段的設(shè)計(jì)。首先，初期設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際情況，對(duì)區(qū)域中線路選擇、確定的輸電線路規(guī)劃方案進(jìn)行分析及優(yōu)化。選擇輸電線路對(duì)于初期設(shè)計(jì)極其重要，只有選擇最優(yōu)線路，才能保障工程的質(zhì)量、運(yùn)行穩(wěn)定及建設(shè)投資等[1]?，F(xiàn)階段初期設(shè)計(jì)是根據(jù)地形地勢(shì)圖來(lái)選擇線路，確定路線后才到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地勘察、測(cè)繪、計(jì)算等，雖然這種方法具有一定的可行性，但在實(shí)際工作中仍存在一些不足：①由于區(qū)域地形地勢(shì)圖繪制時(shí)間長(zhǎng)，內(nèi)容不能及時(shí)更新，對(duì)于施工期間該區(qū)域的地貌及水文并不能準(zhǔn)確反映出來(lái)，地圖和實(shí)際工作存在誤差。②地形地勢(shì)圖是根據(jù)區(qū)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(shì)圖可視效果較差，可讀取到的內(nèi)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(shè)計(jì)輔助運(yùn)輸路線時(shí)，地勢(shì)、斷面等信息無(wú)法從地圖上直接獲取，不能確保桿塔排位的質(zhì)量。前期設(shè)計(jì)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(duì)桿塔進(jìn)行排位及校準(zhǔn)，存在航拍覆蓋面積小、造價(jià)較高等弊端，不利于初期設(shè)計(jì)。

1.2.2 輸電線路初期設(shè)計(jì)中應(yīng)用三維GIS技術(shù)

我國(guó)的GIS起步較晚，但發(fā)展勢(shì)頭迅猛，現(xiàn)階段GIS在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。目前，三維GIS系統(tǒng)還處于不斷發(fā)展完善階段，最具有代表性的是三維數(shù)字地球技術(shù)（Skyline），三維數(shù)字地球技術(shù)的應(yīng)用使得線路選擇及規(guī)劃可視化成為現(xiàn)實(shí)，憑借三維數(shù)字化顯示技術(shù)，利用遙感航測(cè)儀數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)等可以構(gòu)建出真實(shí)世界的三維場(chǎng)景。

實(shí)際工作中選擇線路周圍的地形地貌特征通過(guò)三維可視化進(jìn)行具體形象的展示，主要構(gòu)成的軟件有3種。一是Terra Builder，主要是將大量的遙感航測(cè)影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)及矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸納，創(chuàng)建形成較為精準(zhǔn)的三維模型地形數(shù)據(jù)庫(kù)。二是Terra Explorer，它是一個(gè)桌面工具應(yīng)用程序，不僅能讓用戶瀏覽分析空間數(shù)據(jù)，還能進(jìn)行編輯，添加三維的物體、路徑、場(chǎng)所及地理信息，能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用三維模型原理形成可視化的三維場(chǎng)景。通過(guò)Terra Explorer和Terra Builder共同創(chuàng)建的地形數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，并直接在網(wǎng)絡(luò)上接入GIS層，支持三維場(chǎng)景的查詢、瀏覽及測(cè)量等功能。三是Terra Gate，發(fā)布地形數(shù)據(jù)庫(kù)的服務(wù)器及展示三維地形，設(shè)置權(quán)限允許用戶經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)地形數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪問(wèn)。協(xié)同發(fā)揮主要的作用下最終生成三維圖像，利用系統(tǒng)的主要功能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)展示。3種軟件能夠協(xié)同發(fā)揮作用生成三維圖像，最終為輸電線路初期設(shè)計(jì)提供參考，輔助輸電線路完成設(shè)計(jì)。

2 基于GIS的輸電線路三維輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 整體設(shè)計(jì)

基于GIS的輸電線路三維輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)產(chǎn)生及獲取、數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)應(yīng)用等方面，其中，數(shù)據(jù)的產(chǎn)生及獲取能夠直接獲取到輸電線路建設(shè)施工現(xiàn)場(chǎng)的地形地貌、水文、地質(zhì)等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)服務(wù)則能夠?qū)ο嚓P(guān)搜集獲取到的數(shù)據(jù)完成存儲(chǔ)后進(jìn)行共享，用戶能夠?qū)@得的數(shù)據(jù)和場(chǎng)景之間完成交換，互相連接，最終滿足輸電線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用接入到GIS中的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的地形地貌進(jìn)行場(chǎng)景模型構(gòu)建，并將形成的模型數(shù)據(jù)成功輸入到電網(wǎng)管理系統(tǒng)中，最終完成輸電線路的三維輔助設(shè)計(jì)及總體構(gòu)架[2]。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

輔助系統(tǒng)中需要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理，應(yīng)用相關(guān)軟件來(lái)完成功能構(gòu)建，數(shù)據(jù)庫(kù)在實(shí)際應(yīng)用中要對(duì)其進(jìn)行科學(xué)合理的劃分，最大化減少繁雜流程。輸電線路設(shè)計(jì)通常有兩類：空間地理數(shù)據(jù)和輸電線路模型數(shù)據(jù)。空間地理數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)面向于地質(zhì)層、地形層、建筑物層及城市層等相關(guān)的施工環(huán)境特征，要設(shè)計(jì)矢量數(shù)據(jù)模型、數(shù)字高程模型、點(diǎn)線面及柵格數(shù)據(jù)模型；輸電線路模型主要是一些金具及附件、架空線指標(biāo)、桿塔規(guī)格等較為基礎(chǔ)的信息，設(shè)計(jì)編碼檢索、關(guān)系數(shù)據(jù)模型等。在兩類共同作用下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分層管理，應(yīng)用GIS系統(tǒng)能將空間性質(zhì)特點(diǎn)展現(xiàn)出來(lái)，如地形信息、線路信息、設(shè)備信息等，確保數(shù)據(jù)完整和準(zhǔn)確。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)要確保較好完整性及擁有良好的性能，輔助施工及調(diào)查系統(tǒng)功能主要包括4個(gè)方面，將對(duì)該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中為制訂、調(diào)整及優(yōu)化輸電線路施工方案提供優(yōu)質(zhì)專業(yè)的調(diào)查業(yè)務(wù)服務(wù)。

2.3.1 工程信息管理

工程信息管理采用層級(jí)管理方法構(gòu)建相關(guān)的體系，用戶查詢工程信息時(shí)，根據(jù)實(shí)際需要點(diǎn)擊相關(guān)的桿塔列表體系，系統(tǒng)根據(jù)點(diǎn)擊提供相關(guān)參數(shù)，就能將桿塔的具體位置在三維場(chǎng)景中展現(xiàn)出來(lái)。工程信息管理主要是將獲取的數(shù)據(jù)及規(guī)劃的信息進(jìn)行有效管理，將現(xiàn)階段的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)信息及數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)進(jìn)行充分利用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的專業(yè)化系統(tǒng)化管理，同時(shí)還具備數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、參數(shù)查詢、桿塔定位等操作。

2.3.2 三維工具

三維工具應(yīng)用在三維系統(tǒng)模型中，借助三維工具能對(duì)三維模型中的點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢，實(shí)時(shí)了解實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)信息，該工具的應(yīng)用能夠?qū)⒕€路覆蓋的區(qū)域范圍以三維實(shí)景的形式展現(xiàn)出來(lái)，尤其是三維的地形地貌特征[3]。利用三維測(cè)算需要用附帶傳感器的設(shè)備，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的輸電線路用三維工具展開(kāi)測(cè)算完成設(shè)定，通過(guò)瀏覽得到相關(guān)數(shù)據(jù)資料，為下一步線路的設(shè)計(jì)及規(guī)劃提供便利。2.3.3 道路管理

在輸電線路建設(shè)方面，需要根據(jù)區(qū)域的地址地勢(shì)、道路及建設(shè)條件明確實(shí)際道路的類型、寬度、長(zhǎng)度等信息。結(jié)合數(shù)據(jù)、實(shí)際的道路狀況及桿塔對(duì)于輔助輸電線路的道路進(jìn)行規(guī)劃。

2.3.4 索道管理

結(jié)合輸電線路建設(shè)施工的標(biāo)準(zhǔn)及要求，利用輔助器對(duì)選擇最優(yōu)的索道線路及規(guī)劃，繪制確定的索道線路。對(duì)此，需要將索道線路的坡度、高程等基礎(chǔ)信息，完成繪制索道規(guī)劃設(shè)計(jì)圖，導(dǎo)入到三維模型，還能夠?yàn)楣こ虒?shí)際建設(shè)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(shè)計(jì)的輸電線路三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)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(guī)劃線路

通過(guò)輸電線路三維輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)平臺(tái)能對(duì)實(shí)際施工區(qū)域的地理數(shù)據(jù)資料進(jìn)行獲取，且根據(jù)獲得的實(shí)際數(shù)據(jù)資料將輸電網(wǎng)線路地貌周圍的地形特征及水文信息通過(guò)三維可視化形式顯示，三維可視圖對(duì)大致的線路進(jìn)行初步規(guī)劃有輔助的作用。同時(shí)在數(shù)據(jù)平臺(tái)中能對(duì)采集、定位等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取更加準(zhǔn)確，而應(yīng)用三維圖更能了解施工現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)展?fàn)顩r及實(shí)際的參數(shù)，應(yīng)用矢量數(shù)據(jù)能確保三維圖形和實(shí)際的情況相符合。

3.1.2 編輯輔助線路路徑

在三維輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，結(jié)合工程要求及實(shí)際具體狀況提供路徑方案是多樣化的，這時(shí)要根據(jù)選擇的方案對(duì)相應(yīng)的特殊點(diǎn)及危險(xiǎn)源等信息可進(jìn)行收集。對(duì)比分析不同的路徑方案，將最終得出的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估分析，尤其是特殊點(diǎn)及危險(xiǎn)源等，在評(píng)估及對(duì)比中需要進(jìn)行采集及完善相關(guān)的信息。

3.1.3 空間分析輔助線路

將空間分析技術(shù)引入設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，該技術(shù)能夠?qū)Ρ确治鲚o助線路不同方案，根據(jù)地物情況對(duì)規(guī)劃方案可行性及安全可靠性進(jìn)行分析，進(jìn)而確定最優(yōu)的路徑方案。該技術(shù)的應(yīng)用是確保輸電網(wǎng)路線設(shè)計(jì)規(guī)劃方案更加符合路線的真實(shí)狀況，相對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)及輸電網(wǎng)線路規(guī)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(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用路徑專題圖制圖輔助設(shè)計(jì)，確定最優(yōu)的路徑及規(guī)劃后，系統(tǒng)能對(duì)CAD格式的線路專題圖直接導(dǎo)出，其中包括影像參數(shù)、高程及矢量數(shù)據(jù)等，該過(guò)程的完成主要建立在前期一切準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上。因此，前期的準(zhǔn)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(yàn)

在確定輸電線路的基礎(chǔ)上，三維數(shù)據(jù)能夠根據(jù)相關(guān)理論知識(shí)及實(shí)際需求進(jìn)行桿塔排位。此時(shí)根據(jù)跨越區(qū)域的具體狀況明確桿塔的塔位、塔高、塔形等基礎(chǔ)參數(shù)，進(jìn)而系統(tǒng)能提供線路施工的工程成本預(yù)算及評(píng)估科學(xué)性。實(shí)時(shí)顯示出桿塔、樁位、底線、跨越、導(dǎo)線等參數(shù)的基礎(chǔ)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)桿塔排位的可視化，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)手工操作桿塔排位，如插入、移動(dòng)、修改及刪除等。該系統(tǒng)在應(yīng)用的過(guò)程中還能根據(jù)絕緣串、桿塔地基、縱橫面的比例等對(duì)可應(yīng)用的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)能提供耐張段擋距、典型擋距等實(shí)際信息輔助桿塔排位，使其排位更加科學(xué)合理符合實(shí)際情況。同時(shí)，桿塔排位的最終結(jié)果也能通過(guò)三維進(jìn)行修改，和三維場(chǎng)景一致并實(shí)時(shí)更新，桿塔排位結(jié)果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后在真實(shí)場(chǎng)景中完成設(shè)計(jì)及校驗(yàn)，確保輸電網(wǎng)線路建設(shè)的精準(zhǔn)度，減少煩瑣的流程、節(jié)約時(shí)長(zhǎng)、節(jié)省大量人力財(cái)力，使得工作效率顯著提升。對(duì)線路完成調(diào)整及桿塔排位優(yōu)化后，系統(tǒng)將導(dǎo)出最終的輸電線路設(shè)計(jì)圖，提供輸電線路建設(shè)工程施工階段的三維模型，顯示出輸電線路建設(shè)中的桿塔、導(dǎo)線、絕緣子等參數(shù)數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)信息還能導(dǎo)出指導(dǎo)輸電線路施工。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上，基于GIS的輸電線路三維輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠輔助輸電線路初期及施工階段的設(shè)計(jì)，對(duì)其中提供功能及服務(wù)進(jìn)行不斷的完善，進(jìn)一步發(fā)揮出系統(tǒng)在輸電線路中存在的價(jià)值，提升工作效率。