三维GIS辅助山区输电线路货运索道选线系统设计

李攀 李志斌 谢芳毅 尉涛 司海青

摘要：针对山区输电线路工程建设中货运索道规划选线的需求，研究基于三维GIS软件平台设计组件式的索道选线系统，以高分辨率的遥感影像和高程数据为支撑，借助于计算机模拟的三维空间信息进行索道路径选线，实现在三维场景下对输电线路的信息查询、索道规划选线和管理以及索道专题图制作。经过施工单位的应用后表明，系统具有良好的稳定性、伸缩性和重用性，降低了索道选线的工作量和成本，能够为山区输电线路索道的规划选线提供有力的帮助。

关键词：三维GIS 山区 输电线路 索道选线

中图分类号：TM723 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）05-0000-00

近年来，随着我国电网建设工程的快速发展，输电线路工程路径走廊逐步向边远地区和山区覆盖，山区输电线路建设工程需要面临高海拔、地势险要、交通困难的问题，尤其是在西部地区还要经过无人山区，交通运输及其不便，而输电线路工程建设过程中的铁塔、导线、基础设施等物资重量很大，输电线路材料运输面临困难，复杂的地形地决定了采用常规的人力运输和汽车运输难以达到目的。索道架设灵活方便，可以运送大量的物料，在地形地势复杂的山区和人力畜力难以到达的地区，越来越多的采用索道运输技术[1]，因此可以在道路与电网线路施工点之间搭建货运索道以运输物资。由于索道建设的规模要受到电网线路工程总体成本的控制，而且随着环保意识的加强，索道建设要尽量减少对环境的破坏程度，需要综合考虑索道建设成本和生态环境代价，以尽量低的成本实现货运索道建设，而科学、合理的进行货运索道规划选线，对降低索道建设成本有很大的帮助。因此，研究如何准确、快速实现山区输电线路货运索道的规划选线，具有重要的工程意义和社会价值。

目前，专门针对输电线路建设工程中货运索道规划选线的研究并不多。建设单位要根据施工现场具体情况，依据索道设计原则选择索道路径和标准化的索道运输方案[2]，可以进行现场勘测以了解局地的地形地貌，通过图纸绘制实现索道路径规划，但实地勘测会受到现场环境条件的限制，成本高风险大，而且不便于进行索道数据统计管理。地理信息系统（Geographic Information System ，GIS）技术已经广泛应用于输电线路工程建设过程中[3-7]，而且在电网的运行管理[8]、电网安全巡检[9]、数据管理[10]等方面都得到了应用，利用GIS技术可以为索道选线的实际操作提供辅助性决策[11]。三维GIS对客观世界的表达更加真实，具有地理信息全面、可视化效果好等特点，为山区输电线路工程的货运索道规划选线提供了理想的方式。

三维GIS是在计算机硬、软件系统支持下，利用图形图像技术将遥感影像、高程等空间信息结合文字注记，为地理空间信息展示提供更加丰富、逼真的平台，使人们将抽象难懂的空间信息可视化和直观化，从而做出准确而快速的判断。本文研究利用三维GIS技术，结合山区输电线路工程货运索道规划选线的具体需求，建设一个可以准确、快速进行索道规划选线的软件系统，为输电线路工程建设提供辅助服务。

1 业务需求分析

1.1 货运索道规划选线要求

在进行输电线路的货运索道规划选线时，要充分考虑经济、生态环境方面的成本，设计出的货运索道既要满足施工建设过程中物料运输的需求，还要对周边的生态环境破坏程度达到最低，同时经济成本要控制在一定范围内。因此，通过对各施工标段输电线路附近的地形、地貌特征分析，根据所要运送物资的重量，选择相应的索道类型和支架类型，进行索道路径选线，并依据索道类型的单位造价，计算出各施工标段的货运索道参考建设成本，为工程施工提供参考。

1.2功能需求分析

系统的基础功能应包括：基础地图数据的三维可视化展示、三维飞行漫游浏览、三维空间测量、线路和杆塔信息的查询和定位；系统的专业功能包括：索道选线绘制、索道数据统计管理、数据导入导出、索道专题图绘制。由于索道的绘制是针对输电线路的杆塔局部区域进行的，对基础地理数据的精度和过程参数的计算准确度要求较高，因此需要有高效、完善的数据管理和统计分析体系。

2 软件设计

2.1总体设计

由于本系统主要是面向输电线路工程的各施工标段，为了保障系统具备良好的可移植性，能够快速向各施工单位分发，系统总体构架采用客户端+Access数据库的单机结构模式。工程基本信息、索道参数数据存储在本地数据库中，工程影像、DEM数据、线路交叉跨越矢量数据采用瓦片金字塔的形式存放在软件缓存目录下，实现快速、灵活的单机运行。整个系统采用组件模式开发，每个功能模块是一个独立插件。系统总体框架图如图1所示。

2.2功能设计

系统针对输电线路工程的三维可视化查询与测量、线路杆塔信息的查询统计、索道规划设计、索道信息管理统计、专题图制作等业务，建立一个便捷、稳定的信息管理与专题业务规划系统，为输电线路工程施工单位提供专业化的货运索道规划选线业务运行系统。根据系统的功能结构可将索道规划选线的专业功能分为以下3个模块：

（1）工程信息管理。将线路杆塔按照从大到小的层级关系组成工程管控列表树，用户通过对列表树的点击操作，可以查看该施工标段的基础信息和目标杆塔的设计参数，并通过双击节点实现标段和目标杆塔在三维场景中的快速定位。

（2）索道规划选线。针对当前的施工标段，在三维环境下绘制出服务于线路杆塔施工的索道线路，索道需要有类型、服务杆塔号等参数信息，并通过三维计算获取该条索道的所有拐点处的坐标和高程信息、索道沿线的海拔最值和沿线的坡度情况、索道总体水平距离等相关信息，并且可以对现有索道进行编辑操作。

（3）索道信息管理。对当前施工段所属的索道信息按照列表树的形式展示，通过对列表树的操作进行索道删除和参数信息查询，能够对索道进行分类统计，计算每种类型的条数和总长度，支持系统内外部索道数据的导入和导出，可以制作索道的专题图。

3软件实现及应用

3.1基础地理数据准备

根据各个施工标段的线路覆盖范围，按照20公里的线路走廊宽度选择分辨率为5米的卫星影像和30米的DEM数据并处理成瓦片金字塔，然后将0.43米的航片和10米的DEM分别处理成瓦片金字塔，系统采用四叉树索引读取瓦片并在三维场景中叠加显示。线路的交叉跨越矢量数据在ArcGIS中切割成瓦片，叠加在三维平台的影像之上显示。

3.2系统开发应用环境

系统采用微软VS 2010开发平台和C#语言进行组件式开发，工程信息用access数据库存储，利用三维Globe平台进行数据加载展示和功能开发。工程信息数据库、索道数据库、基础地理空间数据和三维模型存放在系统指定目录下，系统直接访问本地目录读取并加载数据。

3.3系统主要功能实现

3.3.1工程信息查询

系统从工程信息数据库中读取线路标段及杆塔信息，按照线路-标段-杆塔的层级所属关系形成列表树，标段和杆塔级别的节点中隐含了该节点对应的坐标信息，杆塔节点具有右键菜单事件。用户右键杆塔可以查看目标杆塔的设计参数，通过双击节点实现标段和杆塔在三维场景中的快速定位。

3.3.2索道选线

用户可以在三维场景中对杆塔周边的地形地貌进行识别分析，根据具体需求绘制不同类型的索道，绘制过程中可以通过暂停/继续菜单控制绘制进程。绘制索道时首先在三维场景中生成临时的索道线几何图形，并在后台以坐标集合的形式临时存储索道的拐点坐标，在绘制完成并确认保存之后将索道拐点坐标存入Access数据库中，系统再从数据库中获取索道拐点坐标，依次生成索道拐点序列。根据索道所属类型设置线路颜色，根据索道支架类型选择对应的拐点图标，在三维场景中绘制出索道几何图形。

系统提供对区域内多条备选索道方案进行比对，选择既能够满足物料运输需求并且建设成本又相对较低的索道路径作为最优索道路径。系统可以对现有索道数据进行删除和编辑操作，通过鼠标在三维场景下选中索道进行拐点的增加、删除、移动操作，实现索道的几何特征编辑，并能够实现索道上料点和下料点的调整。在索道的属性界面中实现对该索道类型、服务杆塔等属性信息的编辑，完成索道路径的优化，如图3。

3.3.3索道信息管理

用户可以将数据库中以拐点坐标形式存在的索道数据与Excel文件和矢量shapefile文件进行互转换，实现系统内外部数据的导入导出。索道数据按照列表树形式展示，用户可以在列表树进行删除、信息查询和定位。系统对索道按照类型进行分类统计，分析每种索道类型的条数、总长度以及修筑成本。在索道参数界面可以查看索道的剖面图、基本信息、索道沿线的坡度最值和海拔最值、索道长度等信息，并能够查看和导出索道的分段信息。通过对已绘制索道的参数分析，审核该条索道的选线是否能够满足索道建设标准和物料运输需求。针对某一区域的索道信息，以三维场景为底图，索道数据为专题，制作索道专题图。

4 结语

本系统基于单机模式的三维地理信息系统架构，建立输电线路货运索道规划选线的三维设计系统，实现对索道的选线绘制、存储和三维可视化管理、统计分析、专题图制作。系统具备较高的可移植性，便于施工单位实地勘测与计算机辅助设计的同步进行，采用组件式开发，业务模块可以与其他系统整合，系统功能具有良好的伸缩性和重用性，提高了系统的开放性。同时，充分利用三维数据的空间特性，提高了选线结果的准确性。

该系统下索道选线的准确度受制于所采用的DEM和影像分辨率，分辨率越高，索道选线的结果就越准确。同时，系统下一步需要结合输电线路索道选线和施工应用的更深层次需求，针对输电线路施工过程中的运输需求，建立整条输电线路工程的运输管理查询功能，为工程建设的运输保障提供更丰富的工具。

参考文献

[1]肖宇.输电线路工程索道运输方式费用探讨[J].电力勘测设计，2015（10）：76-80.

[2]国家电网公司基建部.国家电网公司输电线路工程货运架空索道运输标准化手册[M].北京：中国电力出版社，2010.

[3]刘宜灼.SkyLine支持下的电力选线三维系统的设计与实现[J].地理空间信息，2010，08（5）：24-26.

[4]孙宏.基于GIS技术的超高压送电线路路径优化-以乌海500kV变电站至乌海北500kV变电站送电线路为例 [D].呼和浩特：内蒙古师范大学，2010.

[5]陈海鹏，冯飞.基于3维GIS的输电线路辅助初步设计系统实现[J].北京测绘，2013（5）：67-69.

[6]景钦刚.基于GIS的三维输电线路规划设计系统的研究[J].电力建设，2008，29（6）：35-38.

[7]付仲良，秦菡，刘震.GIS技术支持下的电力智能选线[J].测绘地理信息，2015，40（03）：80-82.

[8]文斌，齐清文，马新辉.基于ArcIMS的跨平台输电管理WebGIS系统[J].测绘通报，2007（11）：61-64.

[9]翟雪奎，张轶.智能电网输电安全巡检系统的设计与开发[J]. 地理信息空间，2014，12（1）：44-45，55.

[10]陈亮，殷博，单宝麟 等.电网GIS全过程管理及数据获取技术研究[J].测绘通报，2015（10）：118-121.

[11]许丰思.GIS分析在山岳型风景区索道选线中的应用[D].北京：北京林业大学，2011.