朱明接，林國輝，寧國標，宋來聰，屈振華

(清遠電力規(guī)劃設計院有限公司，廣東 清遠 511500)

0 引言

近年來，隨著無人機、航測遙感、計算機視覺等技術的發(fā)展，以無人機為遙感平臺的低空攝影測量技術已經(jīng)可以滿足大比例尺地形圖測繪精度要求[1]。該技術突破了傳統(tǒng)航空攝影測量作業(yè)周期長、天氣影響大、空域管制、費用成本高等因素的限制，已經(jīng)在電力勘測、電力巡線、風電場選址等多種電力工程中得到廣泛應用。在影像獲取方面，消費級多旋翼無人機的出現(xiàn)，使得無人機影像數(shù)據(jù)獲取變得更加便利。在影像數(shù)據(jù)處理方面，隨著航測數(shù)據(jù)處理技術的發(fā)展，特別是空中三角測量技術，利用 航 測 軟 件 (Inpho、ContextCapture、Pix4D、DPGird等)可以輕松地制作數(shù)字正射影像圖(digital orthophoto map，DOM)、數(shù)字表面模型(digital surface model，DSM)、三維模型等豐富的航測成果[2]，讓航測真正邁入大眾化、平民化時代。

平斷面圖是輸電線路設計的基礎數(shù)據(jù)，也是航測應用在線路工程中的一種成果具體形式[3]。利用航測方法快速測制平斷面圖，傳統(tǒng)作業(yè)方式是通過借助航測地面站來完成，整個過程比較繁瑣，智能化程度不夠。雖然無人機獲取數(shù)據(jù)方式越來越便利，航測數(shù)據(jù)成果越來越豐富，但是如何對航測數(shù)據(jù)成果進行深入信息提取、挖掘，快速地提取所需要的信息，并智能化成圖，充分發(fā)揮航測成果的應用價值，對于電力勘測設計人員而言仍是一個難題。

本文考慮電力線路勘測設計全過程，以AutoCAD為基礎平臺，采用VB.net和ObjectARX為二次開發(fā)語言，研究航測數(shù)據(jù)快速提取方法，實現(xiàn)利用已有的航測數(shù)據(jù)成果提取平面地物和高程信息，生成線路設計所需的平斷面圖、塔基地形圖等，從而減少工作量，優(yōu)化設計方案，提升電力勘測設計效率。

1 技術路線

電力線路勘測設計涉及到的航測數(shù)據(jù)成果主要包括DOM、DSM、數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)和數(shù)字線劃圖(digital line graphic，DLG)[4]。DEM 和 DLG 需要花費大量人工進行加工得到。在電力線路勘測設計中，通常需要測量地物、中線、邊線、風偏高程以及重要交叉跨越物。其中，重要交叉跨越一般需要采用全站儀現(xiàn)場測繪。本文研究利用DOM、DSM等航測成果，在AutoCAD平臺智能化提取平面地物、中線、邊線的高程信息等，并輸出電力線路勘測設計所需要的電子成果圖。

利用航測數(shù)據(jù)成果輔助電力線路勘測設計，以DOM、DSM、DEM等為基礎數(shù)據(jù)，基于AutoCAD和ObjectARX[5]等進行二次開發(fā)，實現(xiàn)AutoCAD中快速插入基礎數(shù)據(jù)，實現(xiàn)地物平面圖采集、高程點采集、路徑斷面、邊線、風偏等提取以及批量提取高程點等功能，繼而生成線路平斷面圖，供設計人員進行排桿及路徑優(yōu)化，最終生成平斷面圖、平面圖及塔基地形圖等，具體的技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖

2 輔助電力線路勘測設計

2.1 CAD插入影像和高程

航測成果中最常用的就是DOM和DSM。由于影像空間分辨率高，數(shù)據(jù)量大，直接插入到CAD中，會出現(xiàn)卡頓、內(nèi)存占用大的問題。針對這些問題，先對影像進行自動分幅，并生成分幅的圖框，設計人員按需框選加載影像數(shù)據(jù)，也支持指定路徑加載多個文件影像數(shù)據(jù)。CAD插入影像時，需要讀影像的定位文件(.tfw)，該文件包含橫縱方向的分辨率，左下角的X、Y坐標。對于DSM，通過定位文件可以進行2種數(shù)據(jù)之間的定位坐標索引，直接讀取該點位在DSM中的高程值。影像和高程數(shù)據(jù)加載如圖2所示。

圖2 影像和高程數(shù)據(jù)加載

2.2 平面圖繪制

目前市場上地形圖繪制軟件以CASS軟件為主，它是基于AutoCAD平臺二次開發(fā)的地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)前端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，按國家地形圖成圖規(guī)范設計，繪制成果圖形美觀，同時具備字典屬性和土石方計算、圖形坐標變換等各項地形圖應用功能，在地形圖繪制方面有著廣泛的應用。本文開發(fā)的插件可以在CASS軟件中加載和使用，輔助采集房屋、道路、河流、池塘、植被等地物平面圖，與CASS相關軟件全面兼容，有利于平面圖進一步加工和深入應用，滿足國家地形圖規(guī)范要求。

2.3 高程點、斷面、邊線采集

在電力勘測設計過程中，需要采集大量高程點，包括關鍵地物高程點、關鍵地形高程點、斷面點及邊線點。關鍵地物高程，如建筑物頂部的高程，通常地面測量人員通過測量地面點加樓層數(shù)進行估計，或者全站儀不測量，而在本軟件中可以直接單點采集建筑物頂部高程[6]。關鍵地形點，如山脊、山頂?shù)汝P鍵地物的高程點，直接單點、線或者面的方式快速提取。在采集高程之前，軟件提供影像數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)加載功能，如圖3所示。加載影像和高程數(shù)據(jù)后，可以進行高程點采集，包括單點采集高程點、批量展繪高程點、讀取文件提取高程(外業(yè)測繪)、提取路徑坐標及提取斷面邊線高程點等功能。

圖3 高程點采集功能

提取高程過程中，考慮到DSM中有植被覆蓋的情況，DSM的高程值并非地面高程值，需要減去植被高度，軟件提供減去植被高的快捷命令，提示輸出減高值，在提取高程時，從DSM獲取高程時自動減去植被高，再將高程點加入CAD軟件中。如果不需要減高，直接輸入“0”即可。

斷面高程提取，直接按線路路徑設置采集間隔，批量采集高程點，完成中線高程提取[7]。對于邊線、風偏，按特定的線段采集高程點，或者直接按線路路徑在兩邊一定的距離采集高程點，如圖4所示。

圖4 自動提取斷面高程數(shù)據(jù)

2.4 自動生成平斷面圖

根據(jù)提取的中線、邊線、風偏等高程數(shù)據(jù)，輸出到文本，并結合提供的電力桿塔(轉(zhuǎn)角)坐標數(shù)據(jù)，軟件自動整理平斷面數(shù)據(jù)。如提供的線路桿塔轉(zhuǎn)角點號及坐標為GJ1、GJ2……GJ11，軟件程序計算以GJ1～GJ2為中線，兩側各一定寬度范圍構建矩形區(qū)域，將該區(qū)域的坐標點數(shù)據(jù)歸納到GJ1～GJ2，依此，整理逐個線路耐張段之間的斷面數(shù)據(jù)，并將整理好的數(shù)據(jù)輸出到一個文本(.txt)，如圖5所示。

圖5 平斷面數(shù)據(jù)格式

將數(shù)據(jù)整理成文檔格式，并不能滿足設計排桿的要求。通過對道亨平斷面格式的解譯，軟件自動轉(zhuǎn)換道亨平斷面圖格式以及自動繪制成CAD格式，結合平面地物的數(shù)據(jù)，軟件直接完成平斷面的自動生成，如圖6所示，即為軟件自動生成的平斷面圖。

圖6 平斷面圖(CAD格式)

2.5 自動生成塔基地形圖

繪制塔基斷面圖一般過程是讀入塔位測量文本數(shù)據(jù)、計算塔位轉(zhuǎn)角度、將測量地理坐標轉(zhuǎn)換為塔位局部坐標、構建三角網(wǎng)、內(nèi)插計算相應斷面高程點坐標、繪制塔基斷面線、插入標準圖框、賦予CASS屬性等，此過程人工工作量大，步驟繁瑣。本文研究自成批量生成塔基地形圖的方法，具體思路如下。

1)將桿塔位坐標按塔位順序形成塔位坐標文本文件，轉(zhuǎn)角塔采用“J”等自定義特殊字符編號。

2)讀入塔位坐標文件，根據(jù)用戶輸入的轉(zhuǎn)角編號字母判斷轉(zhuǎn)角塔與直線塔。

3)根據(jù)讀入的塔位坐標，自動計算轉(zhuǎn)角坐標。

4)根據(jù)塔位編號與坐標，自動讀入測量或DEM提取的塔位數(shù)據(jù)，依據(jù)轉(zhuǎn)角度和塔位中心坐標，計算測量坐標與塔基局部坐標系轉(zhuǎn)換四參數(shù)，并根據(jù)四參數(shù)將測量坐標轉(zhuǎn)換為塔位局部坐標系。

5)利用ObjectARX構建高程點塊，將塔位局部坐標系下的高程展繪。

6)根據(jù)局部坐標系點構建三角網(wǎng)，將三角網(wǎng)各邊根據(jù)1∶200地形圖等高距分割，并連接繪制等高線。

7)根據(jù)地物編號，繪制常見地物。繪制過程中，將高程點、等高線、地物等賦予相應的CASS屬性。

8)根據(jù)用戶所選圖框類型，插入相應的標準圖框塊，繪制相應的文本信息。

經(jīng)過以上步驟，一幅塔基地形圖繪制基本完成。為了實現(xiàn)批量生成塔基地形圖，還需要輸入轉(zhuǎn)角ID編號，填寫CASS制圖人員和相應的日期，選擇輸電線路塔位坐標文件和塔基測量數(shù)據(jù)所在路徑，選擇修改塔基成果輸出路徑等。完畢后，點擊批量生成，實現(xiàn)塔基地形圖的快速批量繪制，自動生成的塔基地形圖如圖7所示。

圖7 程序自動繪制的單個塔基地形圖成果

3 結語

本文針對傳統(tǒng)電力勘測設計方法存在效率低、設備專業(yè)化和人員經(jīng)驗要求高等問題，提出了航測成果(DOM、DSM、DEM等)輔助電力線路勘測設計的方法，闡述了航測成果輔助電力勘測設計的全過程，讓不具備航測經(jīng)驗的設計人員、測量人員均可以方便地利用AutoCAD軟件完成地物平面信息、高程信息的快速提取，勘測階段快速完成塔基地形圖和平斷面圖的測繪。同時，本文方法顛覆了傳統(tǒng)先測繪再排桿的作業(yè)模式，設計人員可在完成勘測前的平斷面信息提取、排桿選線，待線路走向確定后，再讓勘測人員去現(xiàn)場勘測核實，大大減少改線的概率，提升勘測設計的工作效率；對已有的航測成果進行加工應用，可為線路設計單位節(jié)省大筆航測工作站軟硬件設備的費用，提高線路設計單位的效益；對于線路可研、初設、終勘等階段所使用無人機航測成果數(shù)據(jù)，本文方法節(jié)省外業(yè)費用，提高工作效率，提升電力線路設計的經(jīng)濟效益。