基于GIS的輸電線路三維輔助設(shè)計系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

張昊

摘要：本文主要針對GIS的輸電線路三維輔助設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析業(yè)務(wù)需求及技術(shù)需求的基礎(chǔ)上，解析基于GIS的輸電線路三維輔助系統(tǒng)設(shè)計，最終就GIS的輸電線路三維輔助設(shè)計系統(tǒng)的具體應(yīng)用過程和效果進(jìn)行分析。

Abstract： This paper focuses on the research of GIS transmission line three-dimensional auxiliary design system， analyzes the business requirements and technical requirements， and analyzes the GIS-based transmission line three-dimensional auxiliary system design. Finally， the specific application process and effect of GIS transmission line 3D auxiliary design system are analyzed.

關(guān)鍵詞：GIS;輸電線路;三維輔助

Key words： GIS;transmission line;three-dimensional aid

中圖分類號：TM75;P208 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）12-0167-03

0 ?引言

我國電網(wǎng)工程建設(shè)不斷發(fā)展與完善，輸電線路在山區(qū)以及偏遠(yuǎn)地區(qū)普及覆蓋率不斷提高。但是在輸電線路建設(shè)，尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū)、地形復(fù)雜地區(qū)的建設(shè)當(dāng)中存在極大的難題，給工程施工帶來一定的難度。對于輸電線路施工而言，在進(jìn)行施工之前必須要根據(jù)地形和水文條件制定科學(xué)的施工計劃于施工方案，另外還應(yīng)該結(jié)合地形地貌設(shè)計相應(yīng)的鐵塔、線路等來輔助大宗工程建筑物的運輸?？睖y人員在整個過程中具有重要意義，只有經(jīng)過勘測之后得到詳細(xì)、準(zhǔn)確地信息才能夠為施工提供一手資料。但是傳統(tǒng)的勘測主要依靠人力來完善，成本較高，而且獲取的信息不夠準(zhǔn)確。因此，借助信息技術(shù)來輔助施工單位勘測，獲取施工信息具有重要意義。隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于輸電線路工程輔助施工當(dāng)中，借助該技術(shù)搭建系統(tǒng)平臺，保障輸電線路施工正常進(jìn)行。

1 ?業(yè)務(wù)需求及技術(shù)需求分析

1.1 業(yè)務(wù)需求

對于基于GIS的輸電線路三維輔助設(shè)計系統(tǒng)而言，其應(yīng)該面向整個輸電線路工程施工，希望通過該系統(tǒng)時間整個輸電線路標(biāo)段內(nèi)的三維效果展示。因此，在基于GIS輸電線路三維輔助系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中必須要引入三維數(shù)字化模型，并結(jié)合DEM數(shù)據(jù)，依托高分辨率遙感影像實現(xiàn)對輸電線路地理信息的綜合管理，同時實現(xiàn)可視化展示。在該系統(tǒng)中還必須設(shè)置相應(yīng)三維空間快速瀏覽與測量功能，以及工程信息查詢、輔助施工等相應(yīng)功能。

1.2 技術(shù)需求

1.2.1 輸電線路初步設(shè)計

對于輸電線路而言，其整個線路的建設(shè)主要分為兩個階段：初步設(shè)計以及施工設(shè)計。

首先，在進(jìn)行初步設(shè)計的時候必須要結(jié)合實地勘測的數(shù)據(jù)以及實地的具體情況進(jìn)行，進(jìn)行大區(qū)域的線路選線而最終完成線路方案的整體優(yōu)化。對于初步設(shè)計而言必須要注重線路路徑選擇最優(yōu)化，才能夠保證工程質(zhì)量、運行安全以及工程建設(shè)投資等要素。在當(dāng)前的初步設(shè)計中主要通過地形圖進(jìn)行選線，在完成選線之后才會進(jìn)行現(xiàn)場勘測，但這種方式仍然具有極大的弊端：①某些地形圖由于存留時間較長，因此其并不能很好的反映施工時期的地形地貌特征;②另外對于地形圖而言可視性比較差，包括等高線、高程信息等信息不能夠直接獲得判讀;③對于路徑斷面信息，也無法直接從地圖上了解到，因此在進(jìn)行桿塔排位的時候質(zhì)量不能得到有效保障。在立體模型上提取線路路徑的平斷面圖，再用線路CAD軟件進(jìn)行專業(yè)桿塔排位與校驗。但航攝存在覆蓋范圍小、工程造價高等不利因素，對初步設(shè)計而言，不是合理的選擇。

1.2.2 三維GIS技術(shù)應(yīng)用于輸電線路初步設(shè)計分析

近年來三維GIS系統(tǒng)開始發(fā)展完善，其中典型代表是Skyline，這一技術(shù)的崛起使得線路規(guī)劃可視化成為了可能。通過利用Skyline能夠?qū)⒕€路附近的地形地貌以三維可視化的方式直觀形象的展示給用戶。Skyline主要由三個軟件構(gòu)成，包括Terra Builder，Terra Explorer和子軟件Terra Gate，不同的子軟件負(fù)責(zé)系統(tǒng)的不同功能，綜合協(xié)調(diào)作用下實現(xiàn)了三維圖像的最終生成，并通過系統(tǒng)功能進(jìn)行發(fā)布和展示。其中Terra Builder子軟件實現(xiàn)DOM數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)的打包收集整理，在此基礎(chǔ)上形成三維地形數(shù)據(jù)集。Terra Explorer的主要功能是能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，并利用三維模型原理最終形成虛擬的三維可視化場景，結(jié)合系統(tǒng)同時能夠提供三維場景的查詢、標(biāo)準(zhǔn)、瀏覽、測量等一系列功能。最終通過子軟件Terra Gate完成數(shù)據(jù)的發(fā)布和三維圖形的展示。這系統(tǒng)的綜合功能對于輸電線路而言具有重要意義，通過該系統(tǒng)能夠輔助輸電線路的設(shè)計，最終將設(shè)計的輸電線路以三維可視化的方式顯示出來，以供設(shè)計的進(jìn)一步進(jìn)行。

2 ?基于GIS的輸電線路三維輔助系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

在本基于GIS輸電線路三維輔助設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計中采用如圖1所示的系統(tǒng)構(gòu)架，一共包括獲取層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層以及應(yīng)用層四層。

在該系統(tǒng)中首先通過在獲取層來獲取施工現(xiàn)場的相關(guān)水文、地質(zhì)數(shù)據(jù)資料，然后結(jié)合GIS技術(shù)來建立施工現(xiàn)場地形環(huán)境場景模型，然后將模型和數(shù)據(jù)導(dǎo)入整個電網(wǎng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)層主要實現(xiàn)上述功能，完成相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲和共享。然后用戶能夠結(jié)合采集到的數(shù)據(jù)來完成和虛擬場景支之間的交互，最終滿足輸電線路的設(shè)計要求，實現(xiàn)輸電線路三維輔助設(shè)計功能。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

在該系統(tǒng)設(shè)計采用SQL Servel數(shù)據(jù)庫管理軟件實現(xiàn)功能，在數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)用中必須合理劃分?jǐn)?shù)據(jù)庫，盡可能的減少冗余度。

如圖2所示，輸電線路設(shè)計一般可以分為空間地理信息數(shù)據(jù)以及線路設(shè)備模型數(shù)據(jù)兩大類。

空間地理信息數(shù)據(jù)主要針對施工現(xiàn)場而言，包括施工現(xiàn)場的地形層、地質(zhì)層以及城市層和建筑物層等相關(guān)的地質(zhì)水文信息。

輸電線路設(shè)備模型一般包括架空線參數(shù)、桿塔型號等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。

對于其中的各項數(shù)據(jù)信息采用分層管理的方式進(jìn)行，通過GIS系統(tǒng)不僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)空間數(shù)據(jù)的時效性，而且還能夠保證相關(guān)數(shù)據(jù)的完整性和適用性。

2.3 功能設(shè)計

根據(jù)輸電線路工程建設(shè)的實際需要，必須要保證系統(tǒng)的完整性好而有效性，最終搭建的輔助施工調(diào)查系統(tǒng)功能圖如下所示，希望通過該系統(tǒng)能夠為輸電線路施工提供更加專業(yè)化的施工調(diào)查業(yè)務(wù)軟件服務(wù)。

系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)分為以下4個模塊：

2.3.1 三維工具

三維工具主要是基于三維系統(tǒng)模型上進(jìn)行應(yīng)用的，通過這一工具能夠?qū)崿F(xiàn)對三維模型的點位查詢，了解施工現(xiàn)場的中距離、高程等相關(guān)信息，還能夠通過該工具展示線路施工的覆蓋范圍三維實景，了解施工現(xiàn)場的三維地形地貌。在實際的輸電線路三維輔助設(shè)計當(dāng)中，首先利用帶有傳感器的相應(yīng)設(shè)備展開三維測算，按照規(guī)定的線路走廊利用三維工具進(jìn)行測算，并利用設(shè)備完成三維飛行瀏覽設(shè)置，通過三維飛行瀏覽獲得必要的數(shù)據(jù)和信息，以供規(guī)劃與設(shè)計。

2.3.2 工程信息管理

在該系統(tǒng)設(shè)計的工程信息管理中主要對線路桿塔進(jìn)行管理，采用層級管理方法建立相應(yīng)的工程管控列表樹。用戶在進(jìn)行工程信息的查詢過程中，僅僅需要按照實際需要來點擊需要的桿塔列表樹即可。然后系統(tǒng)會給出施工標(biāo)段桿塔的設(shè)計參數(shù)以及香瓜基礎(chǔ)信息，然后雙擊節(jié)點，就能夠?qū)崿F(xiàn)桿塔在三維平臺中的具體定位。在工程信息管理中主要實現(xiàn)對采集的信息以及規(guī)劃的信息進(jìn)行管理，主要信息包括桿塔參數(shù)信息以及工程進(jìn)度信息等。充分利用當(dāng)前的數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等來實現(xiàn)對信息的計算機(jī)化管理，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)儲存、查詢、定位等相關(guān)管理操作。

2.3.3 道路規(guī)劃管理

針對當(dāng)前輸電線路施工的具體要求，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶嶋H地址條件、道路條件來繪制道路路線圖，這一過程中必須對道路長度、道路類型等具體基礎(chǔ)信息給出。根據(jù)這些數(shù)據(jù)和道路情況結(jié)合桿塔具體情況來規(guī)劃輔助于輸電線路施工的道路路線，同時規(guī)劃好道路路線之后，還必須要提供相應(yīng)的編輯操作，能夠?qū)σ?guī)劃線路進(jìn)行查詢、實時更改等，同時對于規(guī)劃好的線路還能夠?qū)С觥?/p>

2.3.4 索道規(guī)劃管理

針對輸電線路施工具體要求，還應(yīng)該輔助器進(jìn)行索道路徑規(guī)劃選擇以及索道選線繪制。這一過程中需要包括索道類型信息以及索道參數(shù)等。結(jié)合三維模型，能夠展示索道沿線高程、坡度等信息，另外還能夠?qū)С鱿鄳?yīng)的專題圖。

對于基于GIS的輸電線路三維輔助設(shè)計而言，其中的道路規(guī)劃管理以及索道規(guī)劃管理是關(guān)鍵中的關(guān)鍵，充分利用整個系統(tǒng)的功能實現(xiàn)這兩個任務(wù)，不僅僅能夠完成道路路線的規(guī)劃，在完成路線規(guī)劃之后能夠給出索道規(guī)劃，這其中包括具體的規(guī)劃設(shè)計參數(shù)以供工程建設(shè)的實際需要。該系統(tǒng)在這一過程中還充分利用了三維技術(shù)、成像技術(shù)等新科技技術(shù)，能夠?qū)⒁?guī)劃圖和計劃圖以三維可視化的方式呈現(xiàn)出來，更加的具體化、形象化，能夠更加直觀的看出設(shè)計與規(guī)劃的效果，其中存在的問題也能夠更加直觀的指出，更便捷有效。

3 ?基于GIS的輸電線路三維輔助系統(tǒng)具體應(yīng)用分析

結(jié)合前面的理論基礎(chǔ)，最終搭建的輸電線路三維輔助系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺如圖4所示。其在輸電線路施工建設(shè)中的具體應(yīng)用主要如下所示。

3.1 輔助輸電線路路徑選擇

借助基于GIS的輸電線路三維輔助設(shè)計系統(tǒng)能夠完成輸電線路路徑選擇，主要按照圖5所示流程進(jìn)行。

3.1.1 線路初步規(guī)劃

根據(jù)如圖4所示的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺來獲取施工現(xiàn)場的基礎(chǔ)地理矢量數(shù)據(jù)等各項資料，并且結(jié)合這些基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)將輸電線路附近的地形地貌特征以三維可視化方式展示出來，通過此三維圖能夠輔助大范圍線路路徑的初步規(guī)劃。在圖4的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺中能夠準(zhǔn)確的采集并定位各重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，三維圖的應(yīng)用能夠更加直觀的了解輸電線路建設(shè)現(xiàn)場的具體實際情況和具體的參數(shù)，矢量數(shù)據(jù)的方法的應(yīng)用也保證了三維圖形更加符合實際情況。

3.1.2 輔助路徑編輯與地物采集

在該系統(tǒng)中，能夠根據(jù)實際工程需要以及現(xiàn)場具體情況來給出多種路徑方案，同時結(jié)合不同的方案采集相應(yīng)的特殊標(biāo)注點、危險源等地物信息。對于不同的路徑方案進(jìn)行對比分析，并根據(jù)分析給出評估結(jié)果分析，主要是分析特殊標(biāo)注點以及危險源等信息，在分析的過程中還需要進(jìn)行信息的進(jìn)一步采集與完善。

3.1.3 空間分析輔助線路方案比較

在該系統(tǒng)當(dāng)中引入空間分析技術(shù)，通過這一技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同輔助線路方案的比較，結(jié)合地物信息分析其安全性以及可行性，最終確定最科學(xué)的路徑?？臻g分析技術(shù)的引入，是能夠保證設(shè)計方案以及路線圖更加接近真實情況，對于線路規(guī)劃以及設(shè)計是有推進(jìn)意義的

3.1.4 輔助線路路徑圖制圖

在該系統(tǒng)中采用路徑專題圖制圖輔助設(shè)計，完成科學(xué)路勁該規(guī)劃之后系統(tǒng)能夠直接導(dǎo)出CAD格式的分幅路徑專題圖，同時專題圖還涵蓋了影像數(shù)據(jù)以及高程、矢量數(shù)據(jù)等。在進(jìn)行輔助線路路徑規(guī)劃是在前面所有的前期準(zhǔn)備工作基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此做好信息的采集分析與前期工作具有重要的意義，必須得到充分的重視。

3.2 桿塔排位驗證

在前面的操作之后能夠基本確定路徑，在此基礎(chǔ)上結(jié)合三維數(shù)據(jù)能夠通過系統(tǒng)裁切線路縱斷面，并以此結(jié)合專業(yè)理論和知識進(jìn)行桿塔排位。在此過程中還需要結(jié)合交叉跨越情況以及地形的實際情況來確定桿塔的實際參數(shù)，包括塔高、塔位以及塔型等參數(shù)，同時系統(tǒng)還能夠最終給出路徑的工程造價預(yù)算，對路徑進(jìn)行評估確定合理性。系統(tǒng)能夠?qū)崟r的進(jìn)行各參數(shù)和信息的顯示，包括樁位、桿塔、對地安全線、交叉跨越以及導(dǎo)線、底線等。最終桿塔的排位不僅僅可視化，而且可以進(jìn)行手工排位，進(jìn)行插、移、修、刪等操作，另外在該系統(tǒng)中還能夠完成絕緣子串長、桿塔基降、縱面橫縱比等采納數(shù)的設(shè)計。在進(jìn)行排塔的過程中該系統(tǒng)還能夠提供實時信息，包括代表檔距信息、耐張段檔距信息等。另外，最終的排位結(jié)果能夠進(jìn)行三維可視化處理，在三維場景中實時的進(jìn)行更新與同步，最終的桿塔排位結(jié)果能夠在真實地理環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計與驗證，這樣能夠保證工程建設(shè)的精度和準(zhǔn)確性，還能夠進(jìn)一步提高工作的效率。

3.3 應(yīng)用效果展示

經(jīng)過路徑優(yōu)化之后以及桿塔排位之后，系統(tǒng)能夠給出最終的設(shè)計成果圖，如圖7所示。最終給出的是輸電線路施工的三維數(shù)據(jù)模型，對于輸電線路中的桿塔、絕緣子以及導(dǎo)線等各種路線參數(shù)信息，還能夠?qū)⒏鞣N數(shù)據(jù)導(dǎo)出以供施工使用。

4 ?結(jié)論

通過融入現(xiàn)狀電網(wǎng)數(shù)據(jù)、各種輔助電力設(shè)計資料，完善輸電線路初步設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺，拓展系統(tǒng)專業(yè)功能模塊，推動系統(tǒng)應(yīng)用于施工設(shè)計等更復(fù)雜、更專業(yè)的環(huán)節(jié)，創(chuàng)造更大的應(yīng)用價值。

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