多源遥感影像在输电线路优化设计中的应用

姚 林，徐 春，白明启

(中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司,云南 昆明 650051)

0 引言

输电线路优化设计是指在送电线路起止点之间选出一条全面符合国家政策和设计规范要求的最优线路路径,取得经济效益和社会效益最佳的设计方案[1]。优化设计方案的合理性对输电线路的技术经济指标和施工运行条件起着重要作用[2]。通过线路路径优化设计,可以有效缩短路径长度,降低跨房拆迁与林木砍伐工作量,合理避让房屋、厂矿与不良地质带,最终达到缩短工期、节约工程投资、降低民事协调难度、提高输电线路设计质量的目的。

输电线路的优化设计依托于清晰、准确和现势性好的基础地理信息数据。近年来国民经济发展迅速,国家基础建设日新月异,现有的基础地理信息数据往往不能准确反映现实的地形、地貌信息,基础资料的可靠性、时效性严重影响着输电线路优化设计的质量和可行性。随着信息技术的发展,各种新型传感器提供了全天候的多平台、多传感器、多时相、多光谱的对地观测数据,遥感影像已经到了快速发展和广泛应用的阶段。面对数量巨大、覆盖范围广阔的遥感影像数据,如何从中提取观测数据的有效信息并在输电线路工程各个设计阶段中妥善应用,成为遥感影像应用研究的热点。

1 遥感技术的发展与特点

随着航天技术的发展和遥感观测系统性能的改进,遥感技术发展异常迅速,表现为遥感影像的分辨率不断提高和影像价格逐渐降低[3]。近年来,美国和法国相继发射了多颗具备优秀机动性能和几何定位精度的商业卫星,其影像地面分辨率达到0.3 m～0.5 m,能够识别细微地物,可以满足大部分地区1∶5 000～1∶10 000地形图测绘的要求。我国遥感卫星技术的发展也极为迅速,分辨率优于1 m的高分二号卫星发射成功,标志着我国遥感卫星进入了亚米级“高分时代”[4];高分七号卫星除具备亚米级影像分辨率外,还具有立体成像和激光测高数据获取能力,在高精度立体测绘等领域具有独特的应用优势[5];吉林一号商用卫星可以提供0.72 m分辨率的同轨立体影像和1.12 m分辨率的视频影像,采用一箭多星发射,百星飞天组网,这些都标志着我国航天遥感技术达到世界先进水平[6]。

相较于传统的航空摄影测量技术,遥感影像覆盖范围广,数据获取速度快,内符合精度高,内外业数据处理作业量少。在输电线路工程优化设计应用中,遥感技术在经济性和适用范围上有着较大优势,遥感技术与航空摄影测量技术对比情况如表1所示。

表1 遥感技术与航空摄影测量技术线路优化设计应用对比

2 多源遥感技术的应用方式

多源遥感技术的发展应用给输电线路的优化设计提供了新的技术手段,以遥感影像为基础,设计人员可直观辨别建筑物、水系、道路等地物,在输电线路优化设计中合理调整线路路径。结合专业化解译,辨识各种地理信息,特别是地形地貌、滑坡、断裂构造及岩土类型等,在设计阶段进行合理避让,保证线路设计路径优化、合理、安全。

输电线路优化设计是在三维数字摄影测量优化设计平台上进行,三维实景模型一般选用数字高程模型(DEM)和数字正射影像(DOM)通过严谨的摄影测量原理构建。遥感影像制作的DOM数据覆盖范围大、更新速度快、时效性较好;DEM数据生产方式多样,可以通过工程测量、航空摄影以及遥感影像等方法进行制作。DEM和DOM数据获取方式灵活多样,不同来源、不同精度的DEM和DOM数据可以满足线路工程不同设计阶段优化设计的需求,输电线路可以根据工程规模、特点和设计阶段灵活选取适用的数据源。针对工程不同的设计阶段,遥感影像在输电线路优化设计中的应用方式有:

1)在工程招投标阶段,可以利用奥维互动地图平台提供的遥感影像和已有的1∶50 000 DEM数据或优于30 m 的开源DEM数据构建三维模型,用于输电线路前期的路径规划和投标报价,提供直观形象的数据资料。

2)在可行性研究和初步设计阶段可以采用1 m～5 m 分辨率的遥感影像构建三维模型,生产DEM和DOM数据,完成线路路径的初步优化选线和杆塔排位,实现较为准确的路径选择和投资估算。

3)在施工图设计阶段,可以采用优于1 m分辨率的遥感影像构建三维模型,完成线路路径高质量的优化设计,并在三维实景模型上进行线路平断面图测绘和地形图测绘工作,提高线路勘测设计效率。

3 工程实例

文章以乌东德电站至白邑变500 kV线路工程施工图设计为例,在Ecan PLStation架空输电线路选线设计与平断面成图系统中实现基于遥感技术的线路路径优化设计。Ecan PLStation系统是由北京正能空间信息技术有限公司结合生产单位的实际需求开发的架空输电线路优化选线设计与平断面量测软件,可以实现线路优化设计从原始数据到成果输出的一体化作业[7]。

输电线路优化设计作业内容主要包括:数据收集与处理、三维模型场景创建、优化设计调整、成果输出展示等,输电线路优化设计的作业流程如图1所示。

3.1 工程概况

乌东德电站至白邑变500 kV线路工程是国家西电东送重点工程,其建设对增强云南电网结构安全性,满足滇中片区负荷增长对电力日益增长的需求,促进中东部绿色发展具有显著的经济、社会和环境效益。

乌东德至白邑变线路工程起于乌东德水电站,止于500 kV白邑变,线路按照两条单回路平行走线设计,线路总长度约400 km。工程线路路径的地形以山地和高山峻岭为主,地形地质条件较为复杂,海拔高、高差大,优化设计工作难度较大。

3.2 多源地理信息数据收集

结合输电线路的工程特点和优化设计的技术要求,工程充分收集国内外现有的DEM和DOM数据,从精度和实效性等方面对多源数据进行综合对比,工程选用1∶10 000比例尺的航测基础测绘数据制作优化设计的DEM成果,选用最新存档的高分二号卫星影像数据纠正融合制作优化设计的DOM成果。航测DEM数据高程精度高,能准确反映工程的地形地貌起伏状态;高分二号卫星影像分辨率高、现势性好,能准确反映工程地表覆盖地物情况。

在Ecan PLStation系统中通过数字摄影测量原理,结合收集的DEM和DOM数据构建输电线路优化设计真实、立体渲染的三维实景模型。工程充分利用航测DEM数据精度高和高分二号卫星影像更新快、分辨率高的优势,构建的三维实景模型对地表信息表达直观全面、内容丰富、纹理清晰,在保证模型精度、分辨率的同时,确保地物信息的时效性,从而更好地保证线路工程优化设计的质量。

3.3 线路优化设计

在三维实景模型地理信息数据的基础上,工程结合规划设计、国土、矿产、保护区等勘测设计收集资料,利用Ecan PLStation优化设计平台开展输电线路路径优化设计工作,对输电线路路径和杆塔位置进行反复优化调整和多方案优化比选,选取投资经济合理、运维安全方便、环境影响效果最小的线路路径。工程优化设计主要开展的工作有:

1)三维模型解译。对三维实景模型中的地形、地貌、地物情况进行专业化解译,充分了解线路工程区域的地形地貌特征和地物分布情况,标注影响线路优化设计的限定因素,设置障碍物缓冲半径。

2)调整线路路径走向。综合考虑线路地形、地物等制约因素的影响,尽量减小线路路径的曲折度,缩短线路路径长度;合理调整转角位置,减少转角数量;尽量采用直线杆塔,减少塔材使用,降低工程造价。

3)优化交叉跨越方案。根据三维模型的地形数据和勘测设计踏勘测量的输电线路交叉跨越数据,计算设计线路和跨越线路的净空距离,合理选取交叉跨越塔位和跨越点位置,保证交叉跨越方案合理可行。

4)优化房屋拆迁。线路路径尽量避开房屋密集区域,合理调整线路路径,保持对房屋的安全距离走线;当线路路径无法避让房屋时,按照“避重跨轻,避大跨小”的原则,尽量减少房屋拆迁量。

5)避让工矿设施。根据勘测设计调绘资料和三维模型影像判读工矿设施的范围和数量,线路路径保持对工矿设施的安全距离走线;避让滑坡、冲刷等不良地质区段,确保线路塔位的设计安全。

6)避让林地、耕地。线路路径尽量避开密集的林区和经济作物区,减少林木砍伐量,实现绿色设计;路径尽量避开基本农田和一般耕地,优先考虑荒地和山地走线。

7)线路路径优化设计时还应避开军事设施、城镇规划、自然保护区等限制区域,减小线路建设对当地社会环境的影响,取得设计线路社会环境效益最佳。

8)线路路径选择宜靠近现有交通设施,方便线路后期的施工运维。

乌东德至白邑变线路工程在优化设计时进行了多方案优化比选和多专业综合论证,综合选取路径长度短,房屋拆迁量少,植被砍伐少,地质、地形条件好,并对周边人文地理环境影响小的路径,选出技术性和经济性良好的设计方案。相较于初步设计阶段的线路路径,优化设计后的施工图阶段线路路径走向更加经济、合理,路径合理避让各类限制因素,路径长度缩短了5.6 km,转角塔位数量减少了10基,房屋拆迁量减少了45%。优化设计工作提高了线路工程的勘测设计质量,降低了工程造价,取得了良好的工程应用效果。输电线路优化设计工作界面如图2所示。

3.4 断面图与杆塔排位

Ecan PLStation系统利用已有的三维模型,按照设置的采样间距,自动生成线路路径走向的断面图。设计人员结合杆塔使用条件,在交互窗口中进行杆塔排位,并判断线路路径对风偏、危险点和地面的安全距离是否满足技术要求,结果如图3所示。当遇到转角位置选择不理想或杆塔使用条件超过设计要求时,设计人员结合断面图和三维实景模型,交互调整线路路径走向。完成线路优化设计和杆塔排位后,将优化设计和杆塔排位成果输出至常用的输电线路设计软件中,指导外业终勘定位工作。

3.5 线路影像路径图

线路影像路径图以二维平面图纸的形式全面展示线路路径通道中的地理信息数据特征,是输电线路野外终勘工作的重要依据,设计人员可以根据现场情况在线路影像路径图上进行线路路径的实时调整。在Ecan PLStation系统中导入优化设计的线路路径资料、野外踏勘调绘资料、等高线数据文件等,并根据需要在图上标注公里格网、高程注记和其他整饰信息后,通过纠正镶嵌制作线路影像路径图,如图4所示。

3.6 三维漫游展示

为了从宏观上直观了解线路路径走向,判断线路路径周边的环境影响,并方便线路路径的审查汇报工作,需要结合三维模型对线路路径进行三维展示。在Ecan PLStation系统中通过DEM和DOM数据创建漫游展示三维场景的地形和纹理信息,结合线路路径坐标和杆塔排位文件,实现输电线路路径的漫游展示,如图5所示。

4 结语

遥感技术给输电线路优化设计提供了一种新型的数据源,多源遥感影像的灵活选用解决了线路工程基础资料匮乏的问题,实现了输电线路在技术、经济方面的优化设计,取得了良好的经济效益和社会效益。在乌东德至白邑变线路工程应用中,优化设计工作降低了工程投资造价,提升了勘测设计的效率和质量,减小环境、气候、政治等因素对工程建设的影响,并丰富了设计成品的移交形式。