三维地理模型在电力设计中的应用研究

方 飞，黄 战，胡益明，曹 雾，时伟龙，何 岩

（1.安徽送变电工程有限公司，安徽 合肥 230000；2.安徽宏源电力设计咨询有限责任公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

在输电线路三维数字化设计中，三维地理信息数据是基础。只有基于精确、全面的三维地理信息数据，才能在三维环境中进行路径优化、杆塔设计、基础配置和施工方案策划。而构建三维地理信息数据要素主要通过地形起伏、地物的地理采集和地质勘察，对实现输电线路三维设计起着极其重要作用。

通过构建电力设计中三维地表模型，可实现：电力设计中变电站站址土方量精确计算；优化可研及初步设计阶段路径方案；为电力设计施工图预算提供数据支撑；立体展示区域地质情况信息；自动化生成相应勘察设计图纸，减少图纸差错率[1]。

1 建模

三维地表模型的构建时，主要分为数据采集（围绕地形、地貌、建筑物、道路、植被等，获取遥感影像、地形图、地质图、空间位置数据等数据信息）、数据处理和分析（主要进行空间、地形、地貌、空间关系等处理分析）、三维模型构建（基于立体绘制、数字高程模型、不规则三角网等方法构建模型）、模型渲染及可视化处理（提高模型的可视化程度，降低观察分析难度）、进行交互操作及分析（根据后续处理需要，对模型进行多视角旋转、缩放、平移等操作），共计5 个环节。

高程模型上，形成地表地形地貌的三维模型。建模通常需要运用以下两种技术。

1.1 倾斜摄影技术

倾斜摄影技术是指利用无人机，斜向拍摄地表，进而获取三维信息，流程如下：①使用无人机、飞机或卫星等载具，搭载高分辨率相机，斜向拍摄地表。相机的拍摄角度、拍摄间隔、飞行高度等参数需要根据地表的特性和模型的需求进行设定。②使用Pix4D、Agisoft 等，进行图像配准、拼接、校正等处理，生成高质量的倾斜摄影图像。③根据处理后的图像，利用图像的视差，进行三维重建，生成地表的点云数据。点云数据可以表示地表的三维形状，包括地形、建筑物、道路、植被等。④基于点云数据，构建地表的三维模型。模型可以是数字高程模型（DEM）、数字地形模型（DTM）、数字表面模型（DSM）等。模型的构建需要使用专门的软件，如ArcGIS、3DMax 等。⑤对模型进行纹理映射、光照处理等渲染，使模型具有真实感；然后通过计算机图形显示设备，实现模型的可视化[2]。

1.2 激光雷达测量系统

激光雷达测量系统（LIDAR）是一种利用光的传播和反射原理，通过发送和接收激光脉冲来测量物体距离的技术，该技术在构建三维地表模型中有着广泛的应用。该技术的应用流程如下：①激光雷达系统发射激光脉冲并接收反射回来的激光信号，通过测量激光脉冲往返的时间，可以计算出激光与物体的距离。通过这种方式，激光雷达系统可以采集到大量的点云数据，这些点云数据包含了地表的三维信息。②由于激光雷达系统采集的数据量非常大，需要经过一系列的数据处理才能应用，包括数据清洗、滤波、分类、配准等，期间可能需要使用到GIS 工具或者专用的点云处理软件。③基于处理后的点云数据，可以构建地表的三维模型。在这个过程中，可能需要插值、光滑、拟合等处理，以生成连续的地表形状。④对模型进行纹理映射、光照处理等渲染，使模型具有真实感；然后通过计算机图形显示设备，实现模型的可视化。模型的可视化可以帮助用户更好地理解和分析地表的形态、结构和变化[3]。

2 应用

通过应用无人机航测技术获取高精度、高质量地理信息数据，构建地表三维地理模型。同时将地质勘察数据输入已构建的三维地理模型中，形成集成地表及地下的三维地理信息模型。

具体的优化策略应集中在以下3 个方面：①无人机航测的质量直接影响到三维模型的精度。因此，需要根据实际需求选择合适的无人机型号和相机设备，同时，规划合理的飞行路线和高度，以确保覆盖所有需要的地区。在复杂的地形或城市环境中，可能需要进行多次飞行以获取全部数据。此外，无人机的飞行过程中可能会受到天气和环境因素的影响，因此，需要在飞行前仔细检查这些因素，并在必要时做出调整。②无人机航测得到的数据通常需要进行一系列的预处理，包括图像配准、去噪、矫正等。在这个过程中，可以利用自动化和人工智能技术来提高处理速度和质量。例如，可以使用深度学习算法来自动识别和分类地表特征，减少人工干预的需要。③在构建三维模型时，需要根据数据的特性和应用需求选择合适的模型类型和参数。同时，也需要注意模型的计算效率和存储效率，避免生成过于复杂或大型的模型。此外，可以利用现有的GIS 和三维建模软件来简化模型构建的过程。按照上述策略，可以得到复杂区域选线高清影像（图1）。

图1 复杂区域选线高清影像

2.1 优化杆塔位置

在构建三维地表模型的过程中，杆塔的位置优化是非常重要的一环。首先，通过对激光点云的处理来获取高精度的DEM（数字高程模型）和DSM（数字表面模型）。这两者都是用来表征地面形状的模型，区别在于DEM 只包含自然地貌的高程信息，而DSM 还包括了建筑物、植被等地表物体的高程信息。其次，在获得DEM和DSM 之后，可以利用摄影测量软件对影像进行正射纠正，得到高精度的DOM（数字正射影像图）。DOM 是从空中拍摄的倾斜影像经过正射纠正后得到的，它具有很高的位置精度和几何分辨率，可以清晰地显示地面物体的位置和形状。最后，在上述模型的基础上进行杆塔的位置优化。根据DEM 和DSM，可以了解地形地貌和地面物体的分布情况，从而避免在地形陡峭、植被密集或建筑物多的地方设立杆塔。另外，还可以根据DOM 来精确地确定杆塔的位置，以确保其在地面上的投影位置与实际位置一致。

2.2 估算砍伐面积

利用激光雷达点云完成地面滤波后，参考地面点按不同高度对植被进行分类处理，得到全线范围内的植被分布区域。从植被分布区中可直观地判断需砍伐植被的位置，应用面积查询工具可估计需砍伐植被的面积，从而避免了不必要的植被砍伐，减少了建设输电线路对环境的破坏。

2.3 树高、房高测量

应用激光雷达的点云数据，可以方便快捷地测量设计线路走廊内植被的高度、房屋的高度等，避免了传统航测作业中由内业人员逐点进行立体量测的烦琐过程。图2 为已完成分类的地面及不同高度植被测量。

图2 房屋自动提取统计

2.4 实时获取断面

（1）利用LIDAR 点云数据可以快速获取不同方向、不同深度的断面图，可方便地观看设计电力线与周围地物在空间上的关系，如交叉线路在高程上的差异、设计线路与走廊范围内植被的高差等，有利于设计线路及杆塔的高度。结合DSM 和DOM 得到的真实三维场景与实际的地形、地貌和地物条件相差很小，最小在厘米级。利用三维真实场景图在室内选线不受视线范围的限制，大大减少了野外选线的工作量[4]。

（2）应用无人机航测技术实现大范围基础测绘数据采集。以数字航片或卫片的外定向参数和数字地形模型（DTM）或数字地表模型（DSM）作为源数据，生产高质量的正射影像，可处理单景影像，也可同时处理测区内的多景影像。由航片自动提取DEM，利用基于要素及最小直角匹配技术生成高密度点云，从而以不同方式提取DEM[5]。

（3）通过结合传统测绘加密沿线布置控制点，保证数据质量。通过沿线布设与国家控制网联测的加密的控制点，核对及校正航测成果的准确性。

（4）将地质勘察报告中的信息要素建库并进行地质分层可视化分析。加入三维地质直观化要素，根据基于GIS 软件对地质描述附着属性，将地质勘察报告的技术参数信息图示直观化，通过点击即可了解拟立塔位置的地质信息，不用再通过原始数据来查看塔基基础配置合理性，简化设计流程。

（5）在构建的三维模型中提取属性信息，自动生成勘测图纸。通过构建的三维地理信息模型，施工图阶段勘测图纸一体化生成。可自动生成线路路径平断面图、拆房分布图以及通道清理图等施工图阶段勘察图纸。具备出图速度快，准确度高的优势，同时可根据路径优化调整，快速生产相应图纸，及以后的数字化移交[6]。

3 效果

通过构建电力设计三维地理模型的应用，实现了6个方面显著的效果。①减少外业勘测频次，缩短勘测周期。②测绘数据精度高。③勘测三维数据完整性强。④减少其他辅助信息采集任务量，如电力廊道树木数量、树种以及房屋等信息。⑤提供三维实时浏览模式。⑥在地表三维地理模型中加入了地质勘察要素，形成了勘察数据整合系统，设计人员不用在查阅繁杂的纸质资料或电子版资料，所有的地理信息要素通过三维模型即可显示属性特征[7]。

4 与同类先进成果主要技术指标对比情况

课题成果具有完全自主知识产权的“三维地表模型构建关键技术研究”，相较于国内外同行业技术，有以下方面显著优势。

4.1 数据精度高

通过高精度DOM 和DEM 基础数据的建立获取高精度的三维地形模型，精度可达到±5cm 以内，为整个设计阶段提供了全面、高精度的基础数据。

4.2 勘测三维数据完整性强

在专用的三维设计平台内实现了各专业、各设计阶段勘测资料的整合，打破了各专业资料规格、标准不统一的局面，实现了勘测专业提资“一张图”统一管理[8]。

4.3 提供三维实时浏览模式

三维场景浏览是三维地理信息系统最基本的功能，它使用户对虚拟三维虚拟场景进行全方位、多角度的观察浏览。本系统能对由地表及地上地下实体模型组成的三维场景全局或局部进行实时漫游。

5 结语

总体来说，三维地理模型在电力设计中的应用具有深远的前景和重要的价值。倾斜摄影技术和激光雷达测量系统等先进技术的应用，使得我们可以以前所未有的精度和效率获取和处理地理信息，从而构建出高质量的三维地理模型。这些模型不仅为电力系统设计提供了准确的地理数据基础，也使得设计者可以更直观、更全面地理解地形地貌和地面物体的分布情况，从而进行更科学、更合理的设计。事实上，这些技术的应用已经成功地解决了许多传统电力设计中的困难和挑战，例如杆塔位置的优化、服务范围的规划等。

尽管这些技术在电力设计中的应用取得了显著的成果，但还需要进一步研究和探索。对于倾斜摄影技术和激光雷达测量系统的改进、对于数据处理和模型构建的优化、对于模型应用的延伸等方面，仍有许多工作需要我们去做。未来，期待通过进一步的研究和实践，将三维地理模型在电力设计中的应用推向新的高度，以实现电力系统设计的更高效率、更高质量和更低成本，为社会的持续发展和人民生活的改善做出更大的贡献。