基于航空摄影的输电线路环水保三维设计应用研究

崔艳军，陶 刚，刘永涛

(1.中能建数字科技集团有限公司，北京 100040；2.北京洛斯达科技发展有限公司，北京 100040）

0 引言

随着我国电力工程环保设计要求的不断提高，线路工程环水保审批和验收要求越来越严格。传统设计一般通过文字或图片的方式记录成果，存在设计力度不够，无法形象化表达设计成果等问题[1-2]，可研、初设与施工图各设计阶段环水保工程量差异较大，环水保要求落实困难，同时也给管理和审计带来了较大压力，而三维设计可以进行全地理信息要素展示和空间分析，也能更贴近实际、更准确进行长度、面积和体积的量测，与传统设计方式相比较，在三维中进行环水保设计工作，可极大提升设计工作的效率，同时能满足国家电网有限公司(以下简称“国家电网”)对环水保“一塔一图”设计工作的要求，目前三维技术在建筑、矿山等领域中应用取得不错的效果[3]，所以进行环水保三维设计的内外部条件均已成熟。

设计人员在三维场景中开展环水保措施的专项设计，将三维设计成果移交给施工单位，可指导施工单位进行形象化施工，并协助验收单位在验收中核实环水保措施是否到位，强化设计、施工和竣工验收全过程的监管，提高了线路工程各阶段环水保措施的合理性与连贯性。

1 环水保三维设计平台

1.1 工作流程

根据国家电网对环水保实施“一塔一图”设计的相关规范和要求，建立基于航空摄影的线路工程环水保三维设计平台(以下简称“三维设计平台”)，梳理该平台新模式下环水保措施专项设计的工作流程，主要步骤如下：

1)以卫星像片图和地形数据构建整个线路工程的三维场景；

2)以国网.gim格式的输电线路工程为数据源，在三维设计平台中展示整个线路的排位成果；

3)利用高清航飞影像和高程数据在三维设计平台上构建每基杆塔的精细化三维场景；

4)梳理环水保主要措施并进行参数化，构建标准化的环水保设计措施模型库；

5)设计人员根据杆塔周边的地形和环水保设计要求，进行每基杆塔的环水保措施三维设计；

6)多专业协同设计并校审环水保措施，并形成最终环水保的三维设计成果；

7)通过倾斜摄影技术获取每基杆塔的三维场景，叠加设计阶段环水保措施的三维模型，验证设计与现场施工的偏差。

1.2 技术路线

基于三维技术和航空摄影技术研发线路环水保三维设计平台，辅助设计人员在实际工程中开展环水保措施的专项设计作业，形成一种新的环水保设计作业模式，其工作流程如图1所示。

图1 适合新模式下的工作流程图

1.3 平台功能介绍

平台功能如图2所示。

图2 平台功能

1)杆塔三维小场景

采用三维数字化和GIS技术建立每基杆塔周边环境的三维场景，平台支持导入勘测地形数据和无人机航飞数据，结合每基杆塔的塔腿和基础，构建精细化的三维小场景。

2)线路三维场景

根据国家电网线路GIM文件的组织规则，对导入的GIM线路工程文件的合法性进行校验，然后对线路GIM文件逐级解析，由此构建线路排位的三维场景。

3)环水保措施参数库

实现环水保措施的设计与建模，先要进行属性的参数化，环水保措施可分为实物类和方案类2种，确定实物类措施的设计方法和方案类措施的计算法则，是参数化的关键；对于像挡土墙、护坡、截排水沟等实物类措施，先要建立各种措施的截图，确定其控制尺寸，然后根据输入的平面定位数据确定措施路径，建立措施统计量与截面尺寸和平面路径的函数关系形成最终参数化模型。对于余土处理、土地整治等方案类措施，需要明确措施的面积、体积等计算依据。建立措施统计量与杆塔基础、立柱尺寸等函数关系，完成该类型的参数化。

4)三维量算

提供在三维球和环水保三维小场景进行长度、距离、面积等量算，并能够实时计算所需工程量，为工程造价提供计算依据。

5)数据管理

对项目相关的勘测数据、航飞影像、设计参数及设计成果等按照设计的格式进行存储，便于环水保工程最终设计成果一键式导出并进行数字化移交。

6)数字化移交

将环水保措施设计的成果参照国家电网线路GIM文件的方式，进行数字化移交，包括地理数据、影像数据、设计成果及三维小场景数据等。

1.4 关键技术

1)三维GIS技术

三维地理信息系统(geographic information system，GIS)是指能对区域空间内的对象通过X、Y、Z三个坐标轴来定义、描述、分析的GIS系统，与定义在二维平面上的对象构成的二维GIS具有完全不同的性质[4]。三维GIS特点：①空间信息的展示更为直观，三维GIS为空间信息的展示提供了更丰富、逼真的系统，将抽象难懂的空间信息可视化和直观化；②多维度空间分析功能更加强大。借助三维GIS技术，可以把杆塔、绝缘子串、导线和基础等电力设备以直观的三维形式展示出来，可以对电力要素进行量算、校验和空间分析，提升工程环水保的设计能力。

2)航空摄影技术

航空摄影是指利用航空器安置专用航空摄影仪，从空中对地面或空中目标所进行的摄影方式。能减少野外作业量，减轻劳动强度，并且不受地理环境条件的限制，具有快速、精确、经济等优点。通过航空摄影获得高精度的点云、高清影像、激光雷达、倾斜摄影等数据，为对线路走廊地形、塔位小场景的高精度三维建模提供数据支撑，解决了三维场景与真实环境存在差异的问题，确保三维设计的准确性。

3)数字孪生技术

数字孪生，也称为数字映射、数字镜像，是指在信息化平台内模拟物理实体、流程或者系统，类似实体系统在信息化平台中的双胞胎。借助数字孪生技术，可以在信息化平台上了解物理实体的状态和对物理实体进行控制[5]。利用数字孪生技术，根据勘测地形数据、航飞数据、杆塔、基础等数据孪生出真实的三维塔基小场景，更好地对环水保措施进行判断与设计。

4)特高压数字化移交

按照国家电网基建〔2018〕585号的要求，公司新建35 kV及以上输变电工程全面展开三维设计，因此国网经研院于2018年制定了适合输变电工程建设、可扩展的国家电网GIM标准体系；以输变电工程各相关信息数据为基础[6-7]，具备完备性、关联性、一致性、唯一性和扩展性等特点，满足可视化、可分析、可编辑和可出图等工程全生命周期应用需求，为三维环水保设计工作的数字化移交提供了理论依据。

2 工程实践应用

青海750 kV输电工程利用了该平台提出的工作模式，以NSC Globe三维球为开发平台，利用云端服务器数据，构建多专业协同的环水保三维设计平台，创新实现了输电线路的数字孪生、环水保措施三维设计、工程量估算及设计成果数字化移交等,初步实现了环水保设计由二维到三维的转变。

2.1 资料收集整理

收集青海750 kV输电工程的线路路径、环水保的设计措施要求、每基杆塔的塔基地形图和塔基断面图，以及相关的航飞影像数据和地形数据，并对收集的上述数据进行加工处理，为环水保三维设计做准备。

2.2 线路三维场景建立

通过NSC Globe三维球集成各种影像数据、高程数据、矢量数据以及与环水保设计相关的专题数据，建立一个真实的三维交互式现实环境。开展如下工作：①将测量现场航飞影像和DEM数据进行纠正处理；②利用三维设计平台提供的数据处理工具将影像数据、DEM 数据及矢量数据进行裁剪、调色等处理；③将影像数据和DEM数据进行融合并进行切片，然后在三维场景中进行加载[8]。线路三维场景如图3所示。

图3 线路三维场景

2.3 环水保小场景建立

针对上一步建立线路的三维杆塔及其确定的长短腿和基础数据，抽取后加载到三维小场景中，如图4所示。根据施工图阶段地质、勘测等专业的塔基地形图和塔基断面图数据及地质数据,修正小场景中杆塔的周边地形，以此构建每基杆塔的真实三维场景，便于后期土方量的精确计算。

图4 环水保三维小场景

2.4 环水保措施三维设计

根据要采取环水保措施的类型，从平台已建的环水保措施参数库选择实物类措施，然后在三维小场景进行环水保措施的路径定位，定位采用以中心桩为原点的局部坐标系，借助绘制工具在场景中绘制环水保具体路径，通过措施参数设置界面逐步调整措施参数，得到一个较理想的环水保三维措施，其设置界面如图5所示。

图5 环水保措施设置及三维效果

2.5 环水保工程量估算

依据勘测专业的地形数据或高程点数据，构建互不重叠的不规则三角网，形成地面的数字立体模型，基于该模型计算坡面与基面之间的土体体积，即为挖方面积，以此建立与环水保措施建(构)筑物的实时映射，挖方量也随建(构)筑物的变化而变化。依据该计算原则，根据环水保措施模型提取相关参数进行环保和水保工程量统计，如图6所示，实现工程量的动态估算。

图6 环水保工程量统计

2.6 环水保设计成果移交

数字化设计成果移交不同于电子化移交，整合线路工程的地理信息、工程设计信息和资料，实现对线路工程的三维再现和资料的数字化管理，满足环水保设计要求，环水保三维数字化移交以1∶1的比例显示真实塔基信息和环水保措施建(构)筑物的外围尺寸，以指定的格式进行移交，包括地理信息、工程设计图纸和设计参数等，形成国家电网要求的杆塔环水保措施“一塔一图”成果文件。

2.7 现场设计验收

因倾斜摄影数据比正射影像能更加真实地反映现场的三维环境，可直接进行高度、长度、面积、体积、角度和坡度等的量测，根据验收的要求，对每基杆塔进行无人机航测[8]，将处理后的倾斜摄影数据添加到三维小场景中，并导入环水保三维设计成果，开展环水保设计工作的验收工作，能辅助施工单位分析环水保专项设计的各项要求和落实情况，更好协助环水保三维设计的验收工作[9-10]。其设计校验如图7所示。

图7 环水保三维设计校验

3 结论

本文开发基于航空摄影的输电线路环水保三维设计平台，并提出了基于此的一种新工作模式，借助三维GIS、数字孪生和航空摄影技术，通过工程环水保措施前期资料和航飞数据，构建环水保设计的三维小场景，在此环境下进行环水保的三维正向设计，在实际工程应用中的主要优点有：①采用参数化的方式实现了环水保措施的快速建模及在线编辑，实现了环水保措施的正向设计；②将设计成果以国家电网要求的设计格式进行移交，减少了设计人员对设计成果再编辑移交。

在这种工作模式下，整个过程节省了30%左右的设计交互时间，提高了工作效率。该种工作模式虽在工程中进行了试用，但距离工程设计中推广使用还任重道远，如环水保措施设计还未形成标准规范，环水保措施三维设计操作还较为复杂，工程量统计的算法还不够成熟等。