基于航测技术的线路三维实景设计平台研究

余婧峰 尹磊

摘 要：本文阐述了三维实景架空输电线路设计平台在优化输电线路设计中的具体技术流程。通过空三加密技术恢复三维实景立体模型，在实景模式下开展线路的初期大方案比选、后期优化排塔，对整体线路设计起到的优化作用。此实景线路设计平台实现了塔杆平断面与线路路径图地联动修改，达到工期缩短、人工成本降低，最终提升设计的整体质量。

关键词：三维实景 摄影测量技术 路径优化设计

中图分类号：P231 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（a）-0077-03

随着全数字航测技术在电力行业应用中的不断深入，基于航测技术展开的各项电力设计优化方案正在逐步被普及，架空输电线路优化选线设计便是其一。以航空、航天摄影测量技术为支撑，在实景三维模式下比选出输电线路的优化路径方案，准确反映出线路设计范围内的房屋、公路、水系等地表信息，最终实现精确架空输电线路平断面地形的获取及电力塔杆的合理排位。此项研究的开展能极大地削减了传统线路外业勘测作业的工作量，并将以往难以实现的线路多方案比选在真实的三维环境下变为了现实。总体而言，此研究能提升线路勘测设计的总体质量，缩短勘测设计的周期，减轻外业工作的工作强度，从而降低工程的整体造价。

1 全数字航测三维实景优化选线技术简介

全数字化航空摄影测量系统是借助卫星、飞机、GPS（全球定位系统）等高新测绘手段，通过专业的航测数据处理工作站系统，将多源影像资料（如航片、卫片、遥感片等）生产为二维平面数字化产品或三维数字化立体模型等多种衍生数字化产品。

三维实景优化选线技术最早来源于美国军方海拉瓦（HALAVA）系统[1]。此优化选线设计方式能辅助线路工程的勘测设计，不仅能做到线（路径）位（塔位）结合，使路径方案得到优化，达到塔杆的优化排位和方案的比选，进而形成有足够深度的施工图资料及概算资料，为提高工程质量，降低工程投资、缩短工程建设周期提供了技术支持。该技术的应用，可全面实现勘测设计一体化，达到输电线路设计的安全可靠、经济合理、资源节约、环境友好。

2 三维实景输电线路优化设计应用

三维实景架空线路优化设计研究是在数字航测技术构建的三维立体地表模型基础上实现的。参与设计的各专业人员在真实三维环境下开展线路设计，能够直观、准确地观看到当前地表的真实信息，使路径方案建立在“全局化、立体三维化、数字化”的决策基础上，得到设计优化、路径合理的架空线路设计方案。具体而言，整个实景线路设计平台分为三维立体模型构建-线路方案优化设计-成果校验提交三个大板块（见图1）。

2.1 三维立体模型构建

（1）收集航飞数据。

按照线路设计可研及初步设计阶段的设计依据，在1∶50000地形图上布设出线路的航飞航带，依据地形图中标注出航带中心线起止经纬度。依照1∶10000比例尺沿线路路径走向进行带状航空摄影，航片带宽在2～3 km范围间。

（2）像控点布设及外业调绘。

一般情况下，像控点的布设原则为每景影像4～9个点。当采用沿路径两侧方法时，每景影像不少于6个点。像控点布设需均匀，相邻的点间距以1.5 km为宜，并且相邻航带间不得少于两个公共像控点。

（3）空三加密及三维立体模型构建。

结合航拍公司提供的航空相机信息，专业技术人员采用裸眼3D的观测方式，实现外业像控点坐标信息向航空影像上的准确转点，从而得到构建三维立体实景模型所须的内方位三参数、外方位七参数。随后，在全数字航测工作站系统上构建航带测区、添加航带间的连接点，引入空三加密内外方位信息，将所有航空影像恢复到在地球地理空间中的真实坐标方位[2]。最终，进行影像间的相对定向与绝对定向，创建出地理坐标真实的三维实景立体模型。空三加密示意图见图2。

2.2 架空线路方案优化设计

（1）初期路径方案三维实景比选。

在科研及设计的初期阶段，线路、电气、地质专业三方人员与航测专业人员相配合下，在全数字航测工作站上进行路径大方案的三维实景比选。选线时，勘测设计人员戴上专业的三维立体眼镜，可以在全数字航测工作站屏幕上看到真实的现场立体模型，视野范围广阔。实景立体模型不仅可以显示出地面上任意点的真实地理坐标、高程值，还能获取点与点之间的真实距离、坎与坎之间的相对高差等实地信息。选线过程中，设计人员通过观察线路沿线的实地状况，按照路径长短、地质情况稳定、跨越点最佳、交通方便四大因素，结合收资和协议情况，合理地避让线路设计沿线的城乡开发区、自然风景保护区，采矿场以及军事和民用重要设施（如飞机场、导航台、无线电发射台[3]。最终，各专业人员结合多方面综合因素，在三维实景环境下比选出最为优化的初期输电线路路径大方案。初期路径大方案比选示意图详见图3。

此外，专业人员还可以通过全数字航测工作站对立体模型进行高程值内插运算处理，从而快速地得到一个航带范围内的大场景数字地表概略模型。导入路径大方案所确定的转角塔坐标信息，全数字航测工作站能够自动从大场景地表模型中提取出线路沿线的概略地形断面图。此概略断面图能够大致地显示出设计线路沿线地形地貌的整体走向，为送电线路的电线选择、杆塔规划和工程概算提供基础资料。电气专业人员在此概略断面图上进行预排塔，可以提供出符合实际情况的材料量和工程量，为工程决策和招投标服务创造有利的技术条件。

（2）全数字航测系统精化平断面测绘。

此项工作由航测专业人员佩戴专业立体观测眼镜在全数字航测工作站上完成。通过中期的现场勘测，线路人员将精确的转角塔坐标信息反馈给航测内业作业员。航测人员利用手轮、脚盘等外部测图设备，根据现场实勘获取的转角塔坐标信息，在三维实景立体模型上精确地提取出线路中线、左右边线、风偏线所在位置的精确地形信息及高程数据。线路平断面立体测量实景图见图4。

平断面地形图的测绘，大大减少了人工的野外劳动强度，同时也尽可能地降低了线路行进方向上植被的砍伐[4]。此地形剖面数据交接于电气专业人员后，可用于线路定线时的准确塔杆排位。在提取断面信息的同时，航测人员会相应地勾画出线路范围内所涉及的河流水系、房屋城镇、农田林场等地物要素，便于进行进一步更为合理的局部改线调整，使得线路的走向尽可能地回避村庄、规划区、采石场、自然保护区等重点地物类型，减少线路沿线房屋拆迁转移的工作量，有效地保护线路沿线的生态环境。

（3）基于精化平断面地形数据的塔杆排位。

在完成了线路精化平断面地形数据的量测后，航测人员会将成果数据与电气、线路专业人员进行交接。电气、线路专业人员获取此精化路径平断面数据后，可以在其上进行电力杆塔的优化排位，使杆塔的布设位置更加经济、更加合理。依据此精化平断面地形数据，线路设计人员在进行塔杆排位时就更为准确直观、有理可循。结合前一步获取的线路沿线地物要素信息（房屋、公路、自然保护区等），线路设计人员能够对沿线的微地形、微气候、相对高差进行判断，准确获取线路至沿线房屋的距离、交叉跨越角度等信息，合理划分冰区，最终在较大范围内达到电力塔杆布设方案的优选，做到“瞻前顾后、左顾右盼”，从而达到“线（路径）中有位（塔位）、以位正线”的线路设计原则[5]。塔杆优化排位示意图详见图5。

（4）线路全线三维实景漫游。

通过全数字航测工作站对三维实景立体模型进一步编辑，能够得到每一景立体模型的衍生数字化成果产品：数字高程地表模型（DEM）、数字正摄影像（DOM）。航测人员将每一景立体模型的数字高程地表模型、数字正摄影像进行分幅拼接，获得架空输电线路全线的大场景数字高程地表模型、数字正摄影像图数据。将二者配准、叠加，最终创建线路全线大场景立体实景模型。三维漫游模型实景图详见图6。

基于全数字航测工作站的三维线路实景漫游平台，将大场景立体模型于线路全线坐标数据进行叠合，产生三维实景架空线路漫游模型。在三维实景架空线路漫游模型中，线路上的各个铁塔被建模，以实物的形象架设在大场景地理模型上。设计人员可以通过调整视线角度、视角高度等参数，360°地观看每个铁搭在三维实景环境中的真实架设情况。此外，三维线路实景漫游平台提供线路实景漫游功能。通过设置漫游的飞行高度和相机视线角度，漫游平台会自动按线路路径逐塔位的漫游飞行，使线路设计人员对全线路的塔杆整体排位、架设情况进行一次可视化、近距离的实景观看。三维实景漫游功能将线路设计成果由二维的平面图纸变为了三维的实景观看，使得设计成果更为直观具体。设计人员结合三维漫游中的实景观看情况，可以对线路的最终设计成果进行整体的感知。如遇到与设计初衷不一致的塔杆塔位，可以进行进一步的细部改线微调。

3 成果校验及产品提交

通过采用三维实景架空线路优化选线平台，全阶段能够获得的数字化成果产品如下：

（1）三维实景立体模型及数字化地表模型；（2）航空影像路径方案图；（3）1∶5000、1∶10000正摄影像线路路径图；（4）优化路径平面图及转角塔基三维坐标；（5）线路精化平断面图；（6）房屋分布图、跨越房屋统计表及房屋航空影像截图；（7）线路沿线大场景立体实景模型；（8）三维实景架空线路漫游模型。

4 结论

应用三维实景架空线路设计平台进行线路的全周期设计，能辅助架空输电线路的优化设计，研究的具体效益如下：

（1）合理缩短路径全线长度，配合优化排位，可减少杆塔的使用数量，进而减少钢材量，降低工程的整体投资。

（2）线路勘测设计模式由室内全数字航测工作站替代了传统的室外实地选线，降低了勘测设计人员的劳动强度。通过路径的三维实景比选，路径方案切实可行，达到缩短工期、提高工效的目的。

（3）选择路径时能够直接观察到线路沿线的真实地形及森林覆盖情况，采取必要的跨域、避让方案，减少了林木的砍伐，有效地保护了生态环境。有效地避让房屋，减少了房屋的拆迁量。

（4）成果资料可为数字化线路提供基础数据，也可为线路后续的施工改造及运行维护（如，冰区改造、故障抢修等提供快捷的服务）。

综上所述，全数字化航空摄影测量系统是对航天摄影、GPS全球卫星定位系统等多种现代化新兴测绘手段的高度集成，形成了一套适用于输电线路设计的完整生产作业流程，在线路设计路径优化、精化平断面测绘等方面较之传统的勘测手段有显著提高。这一技术在电力设计行业内的逐渐普及，将彻底解决传统线路勘测中常见的资料时效性过差、测量作业工期漫长、大跨越高海拔地区数据采集困难、线路沿线环境保护不力等问题，对提高勘测设计质量，最终达到安全可靠、经济合理、资源节约型、环境友好型电力工程，具有显著的社会经济效益。

参考文献

[1] 黎智，龚学海.海拉瓦技术在输电线路优化设计中的应用[C].贵州省电机工程学会2009年优秀论文集，2009（11）.

[2] 黄群，王锦超，徐忠明.VirtuoZo-AAT空三加密中的应用技巧[J].电力勘察设计，2010（3）.

[3] 汤坚.特高压架空输电线路二三维交互优化选线技术的研究与系统设计[J].电网技术，2012（24）.

[4] 张力，杨战辉.用VirtuoZo数字摄影测量工作站生产DEM、DOM的主要技术问题探讨[J].电力系统自动化，2010（7）.