基于航空攝影的輸電線路環水保三維設計應用研究

崔艷軍，陶 剛，劉永濤

(1.中能建數字科技集團有限公司，北京 100040；2.北京洛斯達科技發展有限公司，北京 100040）

0 引言

隨著我國電力工程環保設計要求的不斷提高，線路工程環水保審批和驗收要求越來越嚴格。傳統設計一般通過文字或圖片的方式記錄成果，存在設計力度不夠，無法形象化表達設計成果等問題[1-2]，可研、初設與施工圖各設計階段環水保工程量差異較大，環水保要求落實困難，同時也給管理和審計帶來了較大壓力，而三維設計可以進行全地理信息要素展示和空間分析，也能更貼近實際、更準確進行長度、面積和體積的量測，與傳統設計方式相比較，在三維中進行環水保設計工作，可極大提升設計工作的效率，同時能滿足國家電網有限公司(以下簡稱“國家電網”)對環水?！耙凰粓D”設計工作的要求，目前三維技術在建筑、礦山等領域中應用取得不錯的效果[3]，所以進行環水保三維設計的內外部條件均已成熟。

設計人員在三維場景中開展環水保措施的專項設計，將三維設計成果移交給施工單位，可指導施工單位進行形象化施工，并協助驗收單位在驗收中核實環水保措施是否到位，強化設計、施工和竣工驗收全過程的監管，提高了線路工程各階段環水保措施的合理性與連貫性。

1 環水保三維設計平臺

1.1 工作流程

根據國家電網對環水保實施“一塔一圖”設計的相關規范和要求，建立基于航空攝影的線路工程環水保三維設計平臺(以下簡稱“三維設計平臺”)，梳理該平臺新模式下環水保措施專項設計的工作流程，主要步驟如下：

1)以衛星像片圖和地形數據構建整個線路工程的三維場景；

2)以國網.gim格式的輸電線路工程為數據源，在三維設計平臺中展示整個線路的排位成果；

3)利用高清航飛影像和高程數據在三維設計平臺上構建每基桿塔的精細化三維場景；

4)梳理環水保主要措施并進行參數化，構建標準化的環水保設計措施模型庫；

5)設計人員根據桿塔周邊的地形和環水保設計要求，進行每基桿塔的環水保措施三維設計；

6)多專業協同設計并校審環水保措施，并形成最終環水保的三維設計成果；

7)通過傾斜攝影技術獲取每基桿塔的三維場景，疊加設計階段環水保措施的三維模型，驗證設計與現場施工的偏差。

1.2 技術路線

基于三維技術和航空攝影技術研發線路環水保三維設計平臺，輔助設計人員在實際工程中開展環水保措施的專項設計作業，形成一種新的環水保設計作業模式，其工作流程如圖1所示。

圖1 適合新模式下的工作流程圖

1.3 平臺功能介紹

平臺功能如圖2所示。

圖2 平臺功能

1)桿塔三維小場景

采用三維數字化和GIS技術建立每基桿塔周邊環境的三維場景，平臺支持導入勘測地形數據和無人機航飛數據，結合每基桿塔的塔腿和基礎，構建精細化的三維小場景。

2)線路三維場景

根據國家電網線路GIM文件的組織規則，對導入的GIM線路工程文件的合法性進行校驗，然后對線路GIM文件逐級解析，由此構建線路排位的三維場景。

3)環水保措施參數庫

實現環水保措施的設計與建模，先要進行屬性的參數化，環水保措施可分為實物類和方案類2種，確定實物類措施的設計方法和方案類措施的計算法則，是參數化的關鍵；對于像擋土墻、護坡、截排水溝等實物類措施，先要建立各種措施的截圖，確定其控制尺寸，然后根據輸入的平面定位數據確定措施路徑，建立措施統計量與截面尺寸和平面路徑的函數關系形成最終參數化模型。對于余土處理、土地整治等方案類措施，需要明確措施的面積、體積等計算依據。建立措施統計量與桿塔基礎、立柱尺寸等函數關系，完成該類型的參數化。

4)三維量算

提供在三維球和環水保三維小場景進行長度、距離、面積等量算，并能夠實時計算所需工程量，為工程造價提供計算依據。

5)數據管理

對項目相關的勘測數據、航飛影像、設計參數及設計成果等按照設計的格式進行存儲，便于環水保工程最終設計成果一鍵式導出并進行數字化移交。

6)數字化移交

將環水保措施設計的成果參照國家電網線路GIM文件的方式，進行數字化移交，包括地理數據、影像數據、設計成果及三維小場景數據等。

1.4 關鍵技術

1)三維GIS技術

三維地理信息系統(geographic information system，GIS)是指能對區域空間內的對象通過X、Y、Z三個坐標軸來定義、描述、分析的GIS系統，與定義在二維平面上的對象構成的二維GIS具有完全不同的性質[4]。三維GIS特點：①空間信息的展示更為直觀，三維GIS為空間信息的展示提供了更豐富、逼真的系統，將抽象難懂的空間信息可視化和直觀化；②多維度空間分析功能更加強大。借助三維GIS技術，可以把桿塔、絕緣子串、導線和基礎等電力設備以直觀的三維形式展示出來，可以對電力要素進行量算、校驗和空間分析，提升工程環水保的設計能力。

2)航空攝影技術

航空攝影是指利用航空器安置專用航空攝影儀，從空中對地面或空中目標所進行的攝影方式。能減少野外作業量，減輕勞動強度，并且不受地理環境條件的限制，具有快速、精確、經濟等優點。通過航空攝影獲得高精度的點云、高清影像、激光雷達、傾斜攝影等數據，為對線路走廊地形、塔位小場景的高精度三維建模提供數據支撐，解決了三維場景與真實環境存在差異的問題，確保三維設計的準確性。

3)數字孿生技術

數字孿生，也稱為數字映射、數字鏡像，是指在信息化平臺內模擬物理實體、流程或者系統，類似實體系統在信息化平臺中的雙胞胎。借助數字孿生技術，可以在信息化平臺上了解物理實體的狀態和對物理實體進行控制[5]。利用數字孿生技術，根據勘測地形數據、航飛數據、桿塔、基礎等數據孿生出真實的三維塔基小場景，更好地對環水保措施進行判斷與設計。

4)特高壓數字化移交

按照國家電網基建〔2018〕585號的要求，公司新建35 kV及以上輸變電工程全面展開三維設計，因此國網經研院于2018年制定了適合輸變電工程建設、可擴展的國家電網GIM標準體系；以輸變電工程各相關信息數據為基礎[6-7]，具備完備性、關聯性、一致性、唯一性和擴展性等特點，滿足可視化、可分析、可編輯和可出圖等工程全生命周期應用需求，為三維環水保設計工作的數字化移交提供了理論依據。

2 工程實踐應用

青海750 kV輸電工程利用了該平臺提出的工作模式，以NSC Globe三維球為開發平臺，利用云端服務器數據，構建多專業協同的環水保三維設計平臺，創新實現了輸電線路的數字孿生、環水保措施三維設計、工程量估算及設計成果數字化移交等,初步實現了環水保設計由二維到三維的轉變。

2.1 資料收集整理

收集青海750 kV輸電工程的線路路徑、環水保的設計措施要求、每基桿塔的塔基地形圖和塔基斷面圖，以及相關的航飛影像數據和地形數據，并對收集的上述數據進行加工處理，為環水保三維設計做準備。

2.2 線路三維場景建立

通過NSC Globe三維球集成各種影像數據、高程數據、矢量數據以及與環水保設計相關的專題數據，建立一個真實的三維交互式現實環境。開展如下工作：①將測量現場航飛影像和DEM數據進行糾正處理；②利用三維設計平臺提供的數據處理工具將影像數據、DEM 數據及矢量數據進行裁剪、調色等處理；③將影像數據和DEM數據進行融合并進行切片，然后在三維場景中進行加載[8]。線路三維場景如圖3所示。

圖3 線路三維場景

2.3 環水保小場景建立

針對上一步建立線路的三維桿塔及其確定的長短腿和基礎數據，抽取后加載到三維小場景中，如圖4所示。根據施工圖階段地質、勘測等專業的塔基地形圖和塔基斷面圖數據及地質數據,修正小場景中桿塔的周邊地形，以此構建每基桿塔的真實三維場景，便于后期土方量的精確計算。

圖4 環水保三維小場景

2.4 環水保措施三維設計

根據要采取環水保措施的類型，從平臺已建的環水保措施參數庫選擇實物類措施，然后在三維小場景進行環水保措施的路徑定位，定位采用以中心樁為原點的局部坐標系，借助繪制工具在場景中繪制環水保具體路徑，通過措施參數設置界面逐步調整措施參數，得到一個較理想的環水保三維措施，其設置界面如圖5所示。

圖5 環水保措施設置及三維效果

2.5 環水保工程量估算

依據勘測專業的地形數據或高程點數據，構建互不重疊的不規則三角網，形成地面的數字立體模型，基于該模型計算坡面與基面之間的土體體積，即為挖方面積，以此建立與環水保措施建(構)筑物的實時映射，挖方量也隨建(構)筑物的變化而變化。依據該計算原則，根據環水保措施模型提取相關參數進行環保和水保工程量統計，如圖6所示，實現工程量的動態估算。

圖6 環水保工程量統計

2.6 環水保設計成果移交

數字化設計成果移交不同于電子化移交，整合線路工程的地理信息、工程設計信息和資料，實現對線路工程的三維再現和資料的數字化管理，滿足環水保設計要求，環水保三維數字化移交以1∶1的比例顯示真實塔基信息和環水保措施建(構)筑物的外圍尺寸，以指定的格式進行移交，包括地理信息、工程設計圖紙和設計參數等，形成國家電網要求的桿塔環水保措施“一塔一圖”成果文件。

2.7 現場設計驗收

因傾斜攝影數據比正射影像能更加真實地反映現場的三維環境，可直接進行高度、長度、面積、體積、角度和坡度等的量測，根據驗收的要求，對每基桿塔進行無人機航測[8]，將處理后的傾斜攝影數據添加到三維小場景中，并導入環水保三維設計成果，開展環水保設計工作的驗收工作，能輔助施工單位分析環水保專項設計的各項要求和落實情況，更好協助環水保三維設計的驗收工作[9-10]。其設計校驗如圖7所示。

圖7 環水保三維設計校驗

3 結論

本文開發基于航空攝影的輸電線路環水保三維設計平臺，并提出了基于此的一種新工作模式，借助三維GIS、數字孿生和航空攝影技術，通過工程環水保措施前期資料和航飛數據，構建環水保設計的三維小場景，在此環境下進行環水保的三維正向設計，在實際工程應用中的主要優點有：①采用參數化的方式實現了環水保措施的快速建模及在線編輯，實現了環水保措施的正向設計；②將設計成果以國家電網要求的設計格式進行移交，減少了設計人員對設計成果再編輯移交。

在這種工作模式下，整個過程節省了30%左右的設計交互時間，提高了工作效率。該種工作模式雖在工程中進行了試用，但距離工程設計中推廣使用還任重道遠，如環水保措施設計還未形成標準規范，環水保措施三維設計操作還較為復雜，工程量統計的算法還不夠成熟等。