输电线路工程三维地理信息平台的研究及应用

张 瑞，陈晓龙

(中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063)

0 引言

我国电力行业自2010年开始积极推进三维数字化技术，宁东—山东±660 kV直流输电工程建设中首次提出了“三维数字化移交”的新思路[1]，电网设计逐步从二维向三维数字化过渡。2018年7月发布的《国家电网有限公司关于全面应用输变电工程三维设计及建设工程数据中心的意见》中，要求35 kV及以上变电站及输电线路工程要全部采用数字化设计，并于2020年底具备数字化移交条件[2-3]。自此之后，三维数字化设计开始全面推广。

现阶段，传统三维地理信息数据生产手段繁杂、格式迥异，数据成果形式与要素属性结构亦不能满足电网地理信息数据移交的要求。于是迫切需要建立三维地理信息数据交互体系，利用数据交互体系处理平台整合多源异构数据，实现可视化效果好、图属一体化强、分析功能完善的三维地理信息平台[4-6]。

本文搭建输电线路三维地理信息一体化平台，其基于输电线路工程地理信息数据和属性信息，通过多源数据融合、多级分层瓦片金字塔、三维可视化技术、视图操作一体化技术、数字化交互设计技术，清晰表达三维地理信息的复杂空间关系，实现三维立体场景搭建，输出电网工程地理信息数据数字化移交的经典数据格式，并具备多种数据格式转换的功能，支撑三维数字地理信息数据在输电线路工程全流程、全产业链中的应用。

1 平台系统架构和功能设计

1.1 平台设计总体架构

平台采用完全自主知识产权的核心3D引擎，同时提供软件开发工具包用于二次开发，其基于海量地理信息数据和高效的分布式数据管理，建立一个三维交互式现实环境，是一种自下而上的层次型软件体系结构，其总体架构如图1所示。

图1 平台总体架构图

平台的四层体系结构充分体现了平台结构的系统性，其在满足安全性的前提下，保证良好的可拓展性。

1.2 平台功能架构

输电线路三维地理信息一体化平台的功能架构如图2所示，其主要功能包括以下8个模块：多源数据融合、三维选线、杆塔排位、通道清理分析、数据组织管理、三维界面编辑功能、空间量测及分析、成果移交，籍此优化勘测专业技术手段，方便输电线路勘测设计的交互与协调作业。

图2 平台功能设计

2 平台功能特点

2.1 平台数据集成度高

本平台以数据管理为基础，以工程项目为基本单元实现数据统一管理，采用四叉树和动态调度技术，为输电线路工程多专业数据的统一存储、重复利用和数字化移交提供完备的平台支撑，达到各专业数据之间的高度集成和高效利用。

测量专业集成数据包括海量DEM、DOM、激光点云、倾斜三维模型、矢量数据以及基础地理信息单体模型等；岩土专业集成数据包括不良地质带数据、地震带区域数据、矿产厂区数据等；水文气象专业集成数据包括重点水文数据和气象专题图数据等；对于电气和结构专业，集成数据包括电网专题数据、输电线路通道专题数据以及电网信息模型(grid information model，GIM)模型等。

各专业数据的统一化管理也为实现成果自动化、集约化生产奠定了基础，尤其是面对多次路径方案修改时，利用平台的自动化处理功能，可快速完成各专业数据的重新整理和数据成果的快速生产。

2.2 三维可视化的快速表达

针对数据量庞大的高分辨率DOM和DEM，平台利用金字塔瓦片结构和多细节层次(levels of detail，LOD)技术实现数据的快速访问和显示。

金字塔瓦片结构是根据区域的形状和范围将DOM和DEM按照一定的规则进行多级网格划分，形成数字金字塔，实现显示结构的优化，从而达到太字节(terabyte，TB)级别的影像存储和快速浏览，加载三维设备和地理信息模型，在保障显示精度的同时，又可显著提升显示速度[7]。

LOD技术采用的是视点相关技术，对应于不同的范围采用差异化分辨率的地理数据[8]。这一手段可实现大规模场景的实时渲染，可简化场景的复杂度，进而减少图形实时显示的失真率。

2.3 二、三维窗口联动

平台三维视窗为用户提供了灵活的二维模式和三维模式的切换和双屏显示的二、三维模式联动控制。

基于要素矢量化数据和外业调绘数据，平台可实现房屋、林区以及低等级线路交叉跨越的电杆及点线的简单几何体自动建模，进一步打通二、三维一体通道。

二、三维选线和杆塔排位后，一体化平台实时呈现塔位，基于选线和排塔结果可联动显示断面线、塔基断面和杆塔成果表，同时自动生成房屋分布图、林木调查表和交叉跨越统计表，便于塔位调整。

2.4 成果输出

基于外业调绘对航测内业成果进行修正后，自动生产标准格式的通道路径地形图、平断面图、杆塔成果表、塔位地形图、塔基断面图、房屋分布图、林木调查表等成果。如遇路径方案的修改，也只需将改线部分的矢量信息录入，即可同步生产各项测量成果。不仅省去了传统模式下定线定位初期反复提资的过程，还提高了测量终勘及改线中成果生产的效率。

2.5 三维成果展示

平台基于三维地理信息场景、线路通道模型场景、线路本体三维模型及相对空间位置关系，通过“搭积木”的方式进行整合并实现三维成果的展示[9]。

1)三维地理信息场景

基于统一的平面坐标系统和高程系统，将三维地理信息数据在平台上进行展示，提供各成果的查询、检索和统计功能。

2)线路通道模型场景

基于倾斜摄影三维模型和路通道房屋、林区及低等级线路简单几何体模型，同时提供外部精细化模型接口。

3)设计杆塔组模型搭建

杆塔排位确定后，基于设计数据和杆塔组模型库(通用模型库、金具绝缘子串组件库、杆塔库、基础库等)，对每一基杆塔组模型以杆塔为基准进行组装，根据杆塔模型原点的经纬度和高程信息，结合设计的杆塔空间变换矩阵位置和姿态，将杆塔组模型进行转向调整并放置于三维地理信息场景中。

4)导地线模型搭建。

基于导地线型号参数库，根据导地线的外径尺寸和导线地线两端的挂点信息，形成导地线的三维模型搭建，同时根据变换矩阵信息放置间隔棒等三维模型。

平台根据用户指定路径进行三维漫游和视频录制，浏览线路沿线情况，也可根据分析统计数据，辅助对线路路径方案的经济性、合理进行评审。

2.6 三维地理信息数据数字化移交

平台可自动生成常规应用的各项标准格式的图件和通道信息统计表，同时提供数据格式转换和扩展数据接口，保证移交数据的可移植性。

3 工程应用

3.1 工程概况

以上海市某220 kV线路工程为例介绍输电线路工程三维地理信息平台的实际应用。该工程示例段长度为4.8 km，线路沿线地势平坦，河网密布，道路纵横交错，村落较多，建筑较为密集。外业基于无人机低空倾斜摄影测量和无人机激光扫描，获取了空间分辨率为3.0 cm的倾斜模型、影像分辨率5 cm的DOM数据、格网间距1 m的DEM数据和点云密度124点/ m2的激光点云数据，同时外业进行了调绘和终勘定位测量。

3.2 路径优化

在平台上基于DEM和DOM创建三维立体场景，通过二、三维视图协同，借助三维测量、缓冲分析、房屋拆迁统计及林木砍伐统计等辅助功能，分析建筑区和林区对输电线路的影响，同时捕捉影响路径走向的不良地质区、保护区、规划区等避让点。通过平台的联动窗口，同步显示三维立体场景及选线后的平断面图，达到选线方案和方案断面的交互，从而实现路径方案的优化。图3为路径优化选线界面。

图3 路径优化选线界面

本工程路径优化选线后与初选路径相比减少了2基塔位，路径长度缩短了520 m，房屋拆迁面积减少1 240 m2，林木砍伐面积减少1 600 m2，避让高频全向信标导航台1处。路径优化后线路走向更加合理，不但降低了工程成本，还减少了房屋拆迁和林木砍伐量，起到了很好的经济效益和社会效益。

3.3 线路通道清理统计

线路通道清理统计主要包括房屋拆迁统计、林木砍伐统计和交叉跨越统计。基于矢量化数据和录入的属性数据可自动化生产房屋、林木和线路交叉跨越的简单几何体模型。图4为线路通道简单体几何模型。

图4 线路通道简单体几何模型

线路受风偏影响，越靠近档距中间，导线摆动幅度越大，拆迁范围也越大。平台考虑动态拆迁线的影响，结合录入的房屋用途、房屋层数、林木树种、林木密度等属性信息，统计的房屋拆迁量和林木砍伐量较传统固定拆迁线的统计量更为准确合理。基于检索条件的通道分析统计如图5所示。

图5 基于检索条件的通道分析统计

经平台统计影响路径的房屋面积为79 115 m2，林木统计量为1 656棵，10 kV及以下低等级线路交叉跨越58根，10 kV以上高等级交叉跨越3根，与技经专业最终统计量对比，数据准确，满足设计要求。

3.4 三维展示

基于电气和结构专业的排杆信息，在三维地理信息场景、线路通道模型、设计杆塔组模型和导线地线模型的搭建下，实现三维成果展示、漫游，如图6所示。

图6 杆塔模型三维展示

3.5 扩展数据成果输出

平台除按设计所需提供标准格式图表外，应业主要求将通道地理数据、地下管线数据和专题数据转换至所需的SHP文件格式，满足数据入库管理，具体输出样式如图7所示。

图7 平台格式转换输出样式

基于平台的自动化专题图输出和专业数据管理能力，进行地理信息数据整理和统计具有明显优势，提高了输电线路成果输出效率。

4 结语

输电线路三维地理信息一体化平台是高精度DEM、DOM、三维实景模型、三维激光点云等基础地理信息数据，结合相关专业数据的高耦合度属性，以可视化、集成化模型手段辅助各专业交互作业的管理平台，具有图属一体、统筹分析的特点，有利于路径方案的全方位优化、成果质量和生产效率的提升。同时基于三维地理信息场景以及设计共享的杆塔和导地线数据，实现设计成果的精细化数字模型。

目前，平台的优势主要侧重于输电线路的勘测设计，随着数据内容不断深挖、开发应用不断发展，三维地理信息数据在工程施工、运维管理等领域的应用也越来越广泛，功能越来越完善。未来三维地理信息数据的获取、融合、处理、成果构建等全过程中应充分考虑到各阶段的功能需求。