三维数字地形图在电力工程设计中的应用

田晓艳 余继兴

1 引言

我国电力工程项目的投建日益受到重视，工程质量方面的要求逐渐提高，以适应时代的发展需求。原有工程设计方法、设计平台等，逐渐难以提供方便精确的信息表达，因而影响了电力工程的设计效果。而三维显示技术的发展，为电力工程设计中存在的此类问题得到了有效解决，能够利用仿真立体模拟的方式，让客户直观地看到设计方案效果图，从而提升设计质量和数据科学化管理。

2 三维数字地形图的基本概念

2.1 3D DTM 的概念

在三维数字地形图（3D DTM）也属于线划地形图，其工作原理是利用三维离散点，来表现地物、地貌的空间状态、方位、形状等，将地形地物以三维空间的模式体现出来，其中所有对于地物地貌的特征，都是三维呈现，用X、Y 轴表示地物地貌投影于水平面的具体位置，而使用Z 轴代表其高程高度。

2.2 3D DTM 的特征

三维数字地形图所具有的特征包括以下方面：①3D DTM 不是纸质的，而是由数字、电子的形式体现；②该地形图可以精确反映出地物的立体形态，还可以呈现出制图区域地表的高低起伏；③该地形图一般是按照1：1 的比例来绘制地物位置、大小及高程、高度等信息；④3D DTM 是使用三维离散点来表示地形、地貌特征，以及地物的立体形态矢量图；⑤3D DTM 所反映出的空间地理信息通常是非常精确且详细的，实际所使用的比例尺、空间分辨率）等，包括1：500（或0.05m）、1：1000（或0.1m）和1：2000（或0.2m）。

3 三维数字地形图的应用现状

3.1 3D DTM 发展现状

目前，3D DTM 已经被应用于电力工程的项目设计实践中，用于进行工程的多视点表达（见图1），在实际应用中，该技术能够针对立体路径，合理选择辅助电线网点的杆塔设置，提高电网的线路规划准确性，加强工程的环保力度，节约建设成本。基于以上重要优势，3D DTM 大大提升了对立体空间的测量、表达质量，从而为工作人员对于地图的立体分析、认知水平等提供重要依据。

图1 三维地形图的多视点表达

一些发达国家的电力产业中，3D DTM 已经在电力设计中得到为了良好的应用，且积累了非常重要的应用经验。我国3D DTM 技术也开始向着激光三维扫描等高科技的方向发展，将各个不同领域的相关技术综合起来，应用于各个不同领域。20 世纪末，我国已经构建了比例1：25 万的地形图数据库，其中包括的内容众多，例如DEM、大地控制数据、行政地名、水湖系统等，所有的数据信息量达到13.5GB，且均为三维的电子地形图场景。相较于传统使用的平面电子地图，基于3D DTM 技术所测绘出来的地形图，能够三维地描绘社会自然、人文景观，逼真直观，对于自然物体的模拟形象到位，尤其是其中的道路交通等方面，具有显著的应用价值。

3.2 电力工程设计中3D DTM 的应用需求

对于电力工程的设计，地形图测绘是重要环节，实际开展工作的过程中，首先包括对于方案可行性的研究、工程方案的初步设计，以及施工图设计等。

3.2.1 可行性研究

可行性研究阶段的主要任务，是以地形图为依据，调整规划工程的整体设计方案，及时发现其中不利于方案落实的影响因素，从而判断并论证方案的可行性。在实际开展可行性研究时，首先要明确方案设计原则，然后对工程进行具体的规划和布置，再基于大比例尺的地形图，初步拟定方案中对于生产生活、休闲区等部分的规划，粗略预估所需要的占地面积、房屋的拆迁量等问题。

3.2.2 初步设计

设计方案的初步设计，对于局部建筑物、基础设施等的规划设计，需要建立于具有更大比例尺和精密度的地形图上。只有以初步设计成果为基础进行优化，才能够达到施工图成熟设计要求，并补充测量地形图范围外的部分内容，从而完善测量工作，确保地形图的精确程度，为工程量计算提供科学参数。

3D DTM 的应用，为工程设计人员提供了重要的技术支持，是他们能够绘制出具有极强真实感和操作性的建筑模型，实现了设计图的可视化。此外，3D DTM 还具备了为工作人员提供查询、分析、计算等基础功能。目前的高电压等级电线网络工程往往成本较高，例如110kV 的线路工程建设中对于电线网络的设计环节，由于送电线路的设计合理优化，将直接影响到工程的运行顺利及投资额度问题，因此至关重要。其中对于线路路径的选择和设计，就需要准确了解当地的地形地貌情况、道路交通状况以及水文气象等基本地质条件，而3D DTM 技术则有效发挥了其准确采集相关信息的作用。

4 3D DTM 在电力工程设计中的实际应用

4.1 卫星影像立体模型构建

3D DTM 的实际应用往往会涉及卫星影像立体模型的构建问题，所以，工作人员首先需要转换TM、Spot、DEM 等卫星影像数据，其中的DEM 数据大多是军队标准格式，因此在对其进行转换时，需要结合DEM 军标格式的特征，编制格式转化程序，从而确定相关指标参数。另外，工作人员在开展影响模型的匹配及相对/绝对定向作业时，应当按照以下步骤进行：手工选择基本匹配点—自动剔除粗差—人工补充同名点—以模型自动相对定向为基础，进行模型外方位元素的计算。

卫星影像三维模型的建立过程较为复杂，从原始数据采集直至最终成型，加之关联DEM、正射影像、电网铺设线路平断截面等信息，其数据分析。转换过程繁复，具体如图2 所示。

图2 卫星影像三维模型建立流程图

4.2 电气网络线路正射影像路径图设计及制作

设计路径图的主要目的，在于完善路径信息，并保持与三维数字地形图的一致。而在实际运用相关的制作软件时，工作人员将会面临的主要问题包括以下两个方面：

（1）相关数据的有效存储。在电力工程进行线路路径图的设计时，往往需要涉及较为庞大的数据信息，因此，需要以适当预估作为基础，确保设计工作的正常开展，而工作人员则应当注意对所使用硬件的及时优化与整理，并尽可能地扩展数据的存储空间；另外，在运用软件的过程中，需要尽量避免盲目操作。

（2）图象、参数处理。部分工作人员对于相关软件不够熟悉，操作也不够熟练，软件与模型之间的关系也不够明确，应当通过实验的方式，将所涉及的各类数据参数进行比对，从而确定最优参数值；另外，只有保证软件和设备具有良好处理能力，才能够保障图像的最终处理效果。

4.3 卫片正射影像图质量及后续处理分析

专题图属于一种影像式产物，如果想要体现出该图在视觉感官上具有的优势，工作人员应当针对形成的专题图，进一步采取系统化的处理。在此过程中，较为常用的软件有Envi、ImageXuite和Photoshop 等，这些软件的应用都可以有效辅助工作人员实施对专题图匀光、边缘增强和滤波的处理工作，从而提高专题图的影像质量和清晰程度，良好的专题图甚至能够与航片的清晰度相媲美。

实践表明，以卫片为基础，工作人员依据电力工程的线路路径设计，所作出的漫游显示往往会出现一定程度的失真，这将会导致电力工程的线路路径设计中，一些细节方面的问题难以得到及时的处理。同时，由于卫片漫游的视点较高，对于电力工程线路设计的整体轮廓、结构等方面问题，能够做出相应的反应，从而争取到采取补救措施的机会。

4.4 三维模型的构建与线路漫游的实现方式分析

①就设备的配置和软件选择方面，为了使电力工程线路设计能够实现无阻碍漫游，要求计算机的中央处理器其主频控制在2G 以上，内存应当在512M 以上，同时还需要具备支持3D 功能的显卡；②就数据组织层面，对于模型的建立和产品的生成来说，线路测区的DEM 格式数据与正射影响拼接数据都是基本参考；③就漫游场景构建方面，工作人员需要利用DEM 格式数据、三维模型、正射影像数据等，将3DBrowser 模块作为载体，才能够恢复现实场景，从而完成线路漫游。

5 结语

由此可见，3D DEM 势必会在更多的工程设计中，得到广泛应用，发挥重要的地形测绘效用。随着计算机技术的进一步发展，以及卫星立体影像数据资料应用的逐渐普及，三维数字地形图的应用成本也将会逐渐降低，满足大众的应用标准，帮助工程设计大大提高工作效率，增强在电力工程设计中的应用精度与自动化水平。

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