无人机航测数据在架空输电线路三维设计中的应用

吕严兵，方毛林

( 国网安徽省电力有限公司经济技术研究院，安徽 合肥 230022)

0 引言

近年来，国家电网有限公司(以下简称“国网公司”)高度重视三维设计和应用，大力推行输变电工程三维设计，开展了很多相关研究和试点工作。为落实“数字国网”的建设总体要求，构建全业务数据链，提升输变电工程整体设计质量，国网公司相继印发了多项关于三维设计指导文件，以及多项企业三维设计系列标准。2018 年国网公司基建部下发的《输变电工程三维设计初设评审大纲》文件中，明确提出新建35 kV 及以上输变电工程需要全面应用三维设计。

三维设计需要以高精度数字高程模型(digital elevation model，DEM)、数字正射影像图(digital orthophoto map，DOM)等航测数据为基础。目前无人机航测技术在电力勘测方面应用比较广泛，技术相对成熟，可以获取较高精度的DEM、DOM 等航测数据[2]，从而提高工程设计质量，满足三维设计需求。

1 架空输电线路三维设计概述

三维设计技术以大型数据库为核心，以高精度影像数据、DEM 数据、电网专题数据、工程勘测数据等为基础[4]，以三维精细化模型为依托，利用航测技术、三维可视化技术、虚拟现实技术和信息集成技术，结合地理信息和工程信息，通过数据驱动模型，以三维数字化的形式，整合输电线路走廊的地形地貌信息和建设过程数据，实现输电线路设计的数字化、三维可视化以及设计成品的数字化管理，同时支持与各专业设计间的无缝衔接[5]。

2 无人机航测数据精度分析

影响无人机航测数据精度的误差可分为系统误差和偶然误差，系统误差来源主要包括无人机平台本身及飞行控制技术[6]、数码相机分辨率、大气因素等，偶然误差主要因素包括相片重叠率、像控点的数量及测量精度、后处理软件成图精度等[7]。本文通过使用高分辨率数码相机、提高相机畸变参数的精度、按照一定比例尺设计相片重叠率与航高、布设数量足够且分布均匀的像控点等方法进行质量控制， 分别选取山区和平原地区作为实验区，利用无人机航测数据与实测数据进行对比，结果如表1 所示。

表1 航测数据与实测数据对比

从表1 数据对比中可以看出：①对于山区，无人机航测数据平面坐标误差较小，但高程误差较大，因此DEM 数据不宜直接用于三维设计，但可以利用DOM 数据在三维设计软件中进行选线、路径优化等操作；②对于平原地区，无人机航测数据与实测数据平面坐标校差在10 cm以内，高程校差在15 cm 以内，可以满足前期输电线路工程三维设计要求。

3 航测数据在三维设计中的应用

利用无人机航测数据在架空输电线路三维设计中的应用，主要表现在以下几点。

3.1 选线及路径优化

依据高分辨率DOM 数据和DEM 数据，可以直接在三维设计软件中利用新建路径工具进行路径方案设计，也可以利用导入路径kml 工具，对事先生成的路径进行方案优化调整。通过二、三维视图同步显示，可以查看路径方案断面走势，有效避开线路敏感点，达到路径优化效果。

3.2 绘制初步平断面图

利用三维设计软件中的添加地物工具，结合无人机航测数据，进行绘制初步平断面图，主要绘制以下几种地物。

1)道路及水系

从高分辨率DOM 数据中可以清晰判断各种类型的道路及水系，其中能识别出的道路主要有铁路、高速公路、水泥路、土路等，能识别的水系主要有河流、沟渠、湖泊、水塘等。在三维设计软件中使用添加地物工具，对道路及水系边界进行数字化，并赋予相应等级、名称等属性。

第一件事是严济慈每年都给熊家送来一袋小苹果，据说是1960年那次送苹果受到师母表扬以后养成的习惯。然而师母表扬是在三年困难时期的大背景下，并非师母嗜好小苹果。一番心意熊老夫人不好拒绝，而这样的苹果又实在不好吃，于是就把它们晒干。她喜欢做干花，将晒干的苹果和干花放在一起，用来做装饰，倒显得别有情调。

2)房屋及林木范围

结合无人机航测数据成果，不仅可以准确绘制房屋的平面位置，还能够通过房屋周边DEM 高程差值，获取房屋的高度，从而判断出房屋的层数。结合DOM 数据还可以准确绘制林木边界范围，外业通过调绘核实树种类型与生长密度，在平断面图中注记自然生长高度。

3)交叉跨越

对于110 kV 及以上的架空输电线路可以从高分辨率正射影像中清晰判断，通过连接塔基中心点绘制线路平面走向，外业使用全站仪进行线高测量，内业从三维设计软件中使用极坐标法注记交叉跨越处线高数据。对于110 kV及以下的架空线路、通讯线、地下光缆等不易从正射影像中判别的，需要导入工程勘测数据，注记跨越处高度，在三维设计软件中数字化建模。

4)风偏断面

利用高精度DEM 数据对路径优化后的线路方案进行提取中心断面点、风偏点等高程数据，生成风偏断面图。三维设计软件中利用风偏校核工具，对全线风偏断面进行自动搜索、校核，外业只需要核实对地距离或风偏距离较近的区域，可大大提高外业勘测效率及设计质量。

3.3 前期工程量估算

利用前期绘制的初步平断面图，结合外业调绘及实测数据，在三维设计软件中通过设置房屋拆迁距离，可自动统计房屋拆迁量，结合外业调绘的林木生长密度，在三维设计软件中通过设置砍伐范围，可自动统计林木砍伐量。通过统计的房屋拆迁量及林木砍伐量，方便设计人员对前期拆迁费用和砍伐费用作出更准确的估算，避免后期费用超支。

4 工程实例应用

本文依托安徽阜南—董庄220 kV 输电线路工程，可研路径总长约15 km，全线位于阜南县，属于平原地区，利用架空输电线路协同设计系统进行三维设计。外业通过使用固定翼无人机进行低空摄影测量，内业经过空三软件进行数据处理，获取沿线路中心两侧各1 km 的DOM、DEM 数据，如图1、图2 所示。

图1 DOM数据

图2 DEM数据

依据规范要求，本次航测的DOM、DEM数据地理坐标系统均采用2000 国家大地坐标系(CGCS 2000)，高程系统采用1985 国家高程基准。

利用三维设计软件中的Creator 工具，对生成的DOM、DEM 数据进行切片缓存处理，得到DOM、DEM 的缓存数据，将缓存数据导入到三维设计软件服务器中并发布，提高用户端软件加载影像和高程模型的流畅度。通过导入可研路径kml，进行路径方案优化。

利用三维设计软件中的工具，结合正射影像数据，进行绘制初步平断面图，主要对线路中心线两侧各50 m 范围内有影响的建(构)筑物、道路、河流、植被、110 kV 及以上架空线路等进行绘制，如图3 所示。

图3 部分三维成果

通过导入工程勘测数据，对低压配电线路、通讯线、地下光缆等进行三维数字化，导出二维平断面图，如图4 所示。

图4 测量平断面图

结合绘制的平断面图，使用房屋拆迁工具，通过设置走廊宽度、拆迁范围以及统计类型等参数，对沿线拆迁房屋面积进行自动统计。结合外业调绘的林木生长密度与自然生长高度，通过设置对导线距离以及对塔基基础距离，对线下树木砍伐量进行自动统计。如图5、图6 所示，本工程在可研阶段统计的房屋拆迁面积为1 140.7 m2，树木砍伐数量为3 817 棵，设计人员可根据此数据提供更准确的房屋拆迁费用和树木砍伐费用。

图5 房屋拆迁统计

图6 树木砍伐量统计

5 结语

本文首先通过分析无人机航测数据误差来源，选取山区和平原地区的航测数据与实测进行对比分析，结果表明在平原地区获取的航测数据精度较高，能够满足架空输电线路三维设计要求；其次，本文从选线及路径优化、绘制初步平断面图以及前期工程量估算三个方面，具体阐述了无人机航测数据在架空输电线路三维设计中的应用；最后结合安徽阜南—董庄220 kV 输电线路工程，使用中国电科院开发的架空输电线路协同设计系统，以高精度DOM、DEM 等航测数据为基础进行三维设计，绘制出初步平断面图，并准确统计出可研阶段房屋拆迁量和树木砍伐量。