基于GIS的输电线路三维辅助设计系统的研究

王 涛 邓晨成 刘志松

1.武汉供电设计院有限公司，湖北 武汉 430000

2.国网武汉供电公司，湖北 武汉 430000

随着改革开放的不断深入，国家越来越重视电网工程建设，尤其关注山区或经济落后地区输电线路的覆盖率。但在实际电网建设中，面临着高海拔、偏远高寒、山区、地形较为复杂地区的建设难题。在初期勘测人员对于整个过程至关重要，要对所有因素进行综合考虑分析，实地反复地勘测、绘图、计算，为施工设计方案提供准确可靠的参考资料。传统的勘测主要靠人力，不仅成本高、效率低，且信息获取不够精准。而采用辅助手段如信息技术开展勘测，能够获取精准信息资料，GIS技术现阶段已在电网工程建设中广泛应用，因此，基于GIS进一步研究三维辅助设计系统具有重大意义。

1 分析业务与技术的需求

1.1 业务

基于GIS输电线路工程中的三维辅助设计系统，可以在整个输电网工程建设的不同施工阶段，对区域中工程建设情况呈现出三维的效果。因此，在实际的设计中引进三维辅助系统十分必要，以分辨率较高的遥感影像为载体、融合DEM 数据进而实现综合管理输电线路区域的信息可视化展示。系统中须配置相应功能，如浏览测量三维空间、查询管理工程信息、运输道路规划及辅助施工管理等功能。同时，三维可视化产生大量数据并且在一定的范围内进行三维测绘、计算等，其中对于数据信息的加载速度及计算精装度要求严格，需要强大的数据管理计算系统。

1.2 技术

1.2.1 输电线路初期设计

输电线路建设过程主要包括初期和施工两个阶段的设计。首先，初期设计根据现场勘测数据与实际情况，对区域中线路选择、确定的输电线路规划方案进行分析及优化。选择输电线路对于初期设计极其重要，只有选择最优线路，才能保障工程的质量、运行稳定及建设投资等[1]。现阶段初期设计是根据地形地势图来选择线路，确定路线后才到现场进行实地勘察、测绘、计算等，虽然这种方法具有一定的可行性，但在实际工作中仍存在一些不足：①由于区域地形地势图绘制时间长，内容不能及时更新，对于施工期间该区域的地貌及水文并不能准确反映出来，地图和实际工作存在误差。②地形地势图是根据区域的特征按照一定的比例缩小后绘制的，受到范围影响地形地势图可视效果较差，可读取到的内容有限，尤其是等高线、高程、距离等信息获取及判断有一定难度。③在设计辅助运输路线时，地势、断面等信息无法从地图上直接获取，不能确保杆塔排位的质量。前期设计中需要从立体模型中获取线路的平面图，再利用CAD绘图软件对杆塔进行排位及校准，存在航拍覆盖面积小、造价较高等弊端，不利于初期设计。

1.2.2 输电线路初期设计中应用三维GIS技术

我国的GIS起步较晚，但发展势头迅猛，现阶段GIS在各领域广泛应用。目前，三维GIS系统还处于不断发展完善阶段，最具有代表性的是三维数字地球技术（Skyline），三维数字地球技术的应用使得线路选择及规划可视化成为现实，凭借三维数字化显示技术，利用遥感航测仪数据、数字高程数据、三维数据等可以构建出真实世界的三维场景。

实际工作中选择线路周围的地形地貌特征通过三维可视化进行具体形象的展示，主要构成的软件有3种。一是Terra Builder，主要是将大量的遥感航测影像数据、高程数据及矢量数据进行整理归纳，创建形成较为精准的三维模型地形数据库。二是Terra Explorer，它是一个桌面工具应用程序，不仅能让用户浏览分析空间数据，还能进行编辑，添加三维的物体、路径、场所及地理信息，能对数据进行分析，利用三维模型原理形成可视化的三维场景。通过Terra Explorer和Terra Builder共同创建的地形数据库进行连接，并直接在网络上接入GIS层，支持三维场景的查询、浏览及测量等功能。三是Terra Gate，发布地形数据库的服务器及展示三维地形，设置权限允许用户经过网络对地形数据库进行访问。协同发挥主要的作用下最终生成三维图像，利用系统的主要功能系统实现展示。3种软件能够协同发挥作用生成三维图像，最终为输电线路初期设计提供参考，辅助输电线路完成设计。

2 基于GIS的输电线路三维辅助系统设计方案

2.1 整体设计

基于GIS的输电线路三维辅助设计系统主要包括数据产生及获取、数据服务、数据应用等方面，其中，数据的产生及获取能够直接获取到输电线路建设施工现场的地形地貌、水文、地质等数据。数据服务则能够对相关搜集获取到的数据完成存储后进行共享，用户能够将获得的数据和场景之间完成交换，互相连接，最终满足输电线路设计标准。应用接入到GIS中的数据来对施工现场的地形地貌进行场景模型构建，并将形成的模型数据成功输入到电网管理系统中，最终完成输电线路的三维辅助设计及总体构架[2]。

2.2 数据库设计

辅助系统中需要设计数据库管理，应用相关软件来完成功能构建，数据库在实际应用中要对其进行科学合理的划分，最大化减少繁杂流程。输电线路设计通常有两类：空间地理数据和输电线路模型数据。空间地理数据的设计面向于地质层、地形层、建筑物层及城市层等相关的施工环境特征，要设计矢量数据模型、数字高程模型、点线面及栅格数据模型；输电线路模型主要是一些金具及附件、架空线指标、杆塔规格等较为基础的信息，设计编码检索、关系数据模型等。在两类共同作用下对数据进行分层管理，应用GIS系统能将空间性质特点展现出来，如地形信息、线路信息、设备信息等，确保数据完整和准确。

2.3 系统功能设计

设计系统要确保较好完整性及拥有良好的性能，辅助施工及调查系统功能主要包括4个方面，将对该系统在实际应用中为制订、调整及优化输电线路施工方案提供优质专业的调查业务服务。

2.3.1 工程信息管理

工程信息管理采用层级管理方法构建相关的体系，用户查询工程信息时，根据实际需要点击相关的杆塔列表体系，系统根据点击提供相关参数，就能将杆塔的具体位置在三维场景中展现出来。工程信息管理主要是将获取的数据及规划的信息进行有效管理，将现阶段的数字化、网络信息及数据库等技术进行充分利用，实现数据信息的专业化系统化管理，同时还具备数据的储存、参数查询、杆塔定位等操作。

2.3.2 三维工具

三维工具应用在三维系统模型中，借助三维工具能对三维模型中的点位数据进行实时查询，实时了解实际现场基础信息，该工具的应用能够将线路覆盖的区域范围以三维实景的形式展现出来，尤其是三维的地形地貌特征[3]。利用三维测算需要用附带传感器的设备，根据预先设计的输电线路用三维工具展开测算完成设定，通过浏览得到相关数据资料，为下一步线路的设计及规划提供便利。2.3.3 道路管理

在输电线路建设方面，需要根据区域的地址地势、道路及建设条件明确实际道路的类型、宽度、长度等信息。结合数据、实际的道路状况及杆塔对于辅助输电线路的道路进行规划。

2.3.4 索道管理

结合输电线路建设施工的标准及要求，利用辅助器对选择最优的索道线路及规划，绘制确定的索道线路。对此，需要将索道线路的坡度、高程等基础信息，完成绘制索道规划设计图，导入到三维模型，还能够为工程实际建设提供参考。

3 选择辅助输电线路可行性路径

3.1 选择输电线路的可行性路径

基于GIS，设计的输电线路三维设计系统能辅助选择输电线路的可行性路径，具体流程如下。

3.1.1初步规划线路

通过输电线路三维辅助设计系统的数据平台能对实际施工区域的地理数据资料进行获取，且根据获得的实际数据资料将输电网线路地貌周围的地形特征及水文信息通过三维可视化形式显示，三维可视图对大致的线路进行初步规划有辅助的作用。同时在数据平台中能对采集、定位等基础数据获取更加准确，而应用三维图更能了解施工现场的开展状况及实际的参数，应用矢量数据能确保三维图形和实际的情况相符合。

3.1.2 编辑辅助线路路径

在三维辅助设计系统中，结合工程要求及实际具体状况提供路径方案是多样化的，这时要根据选择的方案对相应的特殊点及危险源等信息可进行收集。对比分析不同的路径方案，将最终得出的结果进行评估分析，尤其是特殊点及危险源等，在评估及对比中需要进行采集及完善相关的信息。

3.1.3 空间分析辅助线路

将空间分析技术引入设计系统中，该技术能够对比分析辅助线路不同方案，根据地物情况对规划方案可行性及安全可靠性进行分析，进而确定最优的路径方案。该技术的应用是确保输电网路线设计规划方案更加符合路线的真实状况，相对于系统设计及输电网线路规划意义重大[3]。

3.1.4 可行性线路图绘制

基于GIS，在输电线路三维辅助设计系统中采用路径专题图制图辅助设计，确定最优的路径及规划后，系统能对CAD格式的线路专题图直接导出，其中包括影像参数、高程及矢量数据等，该过程的完成主要建立在前期一切准备的基础上。因此，前期的准备工作及信息搜集与分析极其重要，必须予以高度重视。

3.2 杆塔排位校验

在确定输电线路的基础上，三维数据能够根据相关理论知识及实际需求进行杆塔排位。此时根据跨越区域的具体状况明确杆塔的塔位、塔高、塔形等基础参数，进而系统能提供线路施工的工程成本预算及评估科学性。实时显示出杆塔、桩位、底线、跨越、导线等参数的基础信息，进而实现杆塔排位的可视化，同时也能实现手工操作杆塔排位，如插入、移动、修改及删除等。该系统在应用的过程中还能根据绝缘串、杆塔地基、纵横面的比例等对可应用的数据进行合理设计。该系统能提供耐张段挡距、典型挡距等实际信息辅助杆塔排位，使其排位更加科学合理符合实际情况。同时，杆塔排位的最终结果也能通过三维进行修改，和三维场景一致并实时更新，杆塔排位结果达到标准后在真实场景中完成设计及校验，确保输电网线路建设的精准度，减少烦琐的流程、节约时长、节省大量人力财力，使得工作效率显著提升。对线路完成调整及杆塔排位优化后，系统将导出最终的输电线路设计图，提供输电线路建设工程施工阶段的三维模型，显示出输电线路建设中的杆塔、导线、绝缘子等参数数据，同时数据信息还能导出指导输电线路施工。

4 结 语

综上，基于GIS的输电线路三维辅助设计系统能够辅助输电线路初期及施工阶段的设计，对其中提供功能及服务进行不断的完善，进一步发挥出系统在输电线路中存在的价值，提升工作效率。