三维GIS技术在输电线路选线中的应用
中国电力科学研究院的研究人员黄彭、金欢、马潇、房正刚、刘蕊，在2015年第3期《电气技术》杂志上撰文，结合数字高程模型、数字正射影像、地球地理信息系统的特点，利用海量数据处理技术及三维GIS技术，构建输电线路三维选线平台。通过在甘肃沙州—阿克塞（民主）330kV I、II回线路工程设计选线中的应用。
结果表明：将三维可视化技术应用于输电线路优化选线实践中，设计技术人员可清晰，逼真的看到三维输电线路场景，克服利用传统二维地形图进行输电线路选线的不足，可优化线路路径，节省线路投资，降低人员的劳动强度，最终提高线路设计质量。
输电线路设计过程中，传统的选线方法是以中、小比例尺地形图为基础进行粗选，在粗选的基础上利用现场踏勘、测量处理来达到细化、优化方案的目的。
由于我国现用的1∶10000和1∶50000地形图大都是20世纪80年代或更早测绘的，不能反映设计时的地面现状[1.2]。同时，由于地形图的不直观,幅图的大小有限,使得设计人员只能在沿线路约30km宽的范围内寻找最优线路，已不能满足电力建设的需要。如何克服利用地形图进行输电线路选线的不足，成为我国电力设计工作者关心的问题。
随着现代遥感技术的发展、多样的商业遥感图像数据的出现,使我们能够很方便地获取所需要的数据,勘测设计人员在电脑上看地面模型，就如同从空中看地面一样的方便直观，能在较大范围内对路径方案进行优选，还能看到线路与各种建筑物及公路、铁路的相对关系等，从而获得传统选线方法难以达到的效果，降低了勘测设计人员的劳动强度[2]。
1 三维可视化技术
目前,三维可视化技术已逐步应用于社会生活的各个领域，比如数字城市建设、军事应用、环境监测、风景区规划、地质和矿产活动、水文地质活动、交通监控、房地产开发、医疗救助等方面。基于OpenGL技术的OSG,Vega等三维显示平台、基于DirectX 3D技术的Quest 3D,Virtual tools,Skyline等系统平台的出现大大的推进了三维视觉仿真、虚拟现实技术的发展。
输电线路三维选线是基于三维GIS 平台，将数字高程模型、数字正射影像、三维数据模型及其它GIS 数据信息有效融合，再现输电线路电力建设环境下的真实情况。
1.1 数字高程模型（DEM）
数字高程模型是新一代的地形图，地貌和地物不再用直观的等高线和图例符号在纸上表达，而是通过储存在磁性介质上的大量密集的地面点的空间坐标和地形属性编码，以数字的形式描述[3]。
DEM以数字的形式按一定的组织结构组织在一起，表示实体地形特征空间分布的模型，是地形形状大小和起伏的数字描述。
DEM的核心是地形表面特征点的三维坐标数据和一套对地表提供连续描述的算法，最基本的DEM由一系列地面x,y位置及其相联系的高程z所组成。数学式表达如下：z=f(x,y)
x,y属于DEM所在区域。可用其0次项表示平面；用其1次项表示线性；用其2次项表示二次曲面；用其3次项表示三次曲面；用其4次项表示四次曲面；用其5次项表示五次曲面；不同的地形可选其中一个或多个描述。
地球表面的的高低起伏变化是一种连续变化的曲面，二者曲面是无法用平面地图来确切表示的。 DEM与传统地形图相比有如下特点：①容易以多种形式显示地形信息，地形数据经计算机处理后能产生比例尺、纵横断面图与立体图，而常规地图一旦制作形成，比例尺不容易改变，在绘制其他的地形图需要人工处理；②精度不会损失，没有载体变形的问题；③形象逼真。
1.2 数字正射影像（DOM）
数字正射影像是利用数字高程模型对扫描处理的数字化航空像片、遥感影像，经逐个象元进行投影差改正，再进行影像镶嵌，根据图幅范围剪裁生成的影像数据[4]。评价DOM的主要指标有：精度、清晰度和实时性等。
1）精度
在正射影像上，精度主要反映在是否存在相对之间的镶嵌误差、图幅之间的接边差是否超过一定的限度、影像是否存在局部模糊，影像是否重影、地物是否扭曲变形等问题上。常见误差来源：纠正控制点错误、DEM异常或者错误、人为选点错误或者纠正方法选择错误。
2）清晰度
清晰度包括纹理特征和光谱信息，纹理特征能正确表达土地利用类别与边界，光谱信息主要是指影像色彩接近自然真彩色。一般情况下最后得到的数字正射影像图应该色调均匀，灰度和反差适中，象元细腻、不偏色、影像的直方图尽可能成正态函数的分布，一旦影像出现偏色、锐化过度、颗粒过大等情况，通常使用Photoshop软件来调节。
3）实时性
实时性指影像所反映的信息与现在的实际情况的差异。因此在生产正射影像图时，应使用最新的卫星影像。遥感影像正射图制作流程如下图所示。
图1 DOM技术流程图
1.3 地理信息系统（GIS）
地理信息系统（ Geographic Information System, 简称 GIS）作为获取、处理、管理和分析地理空间数据的重要工具，功能主要包括数据输入与编辑、数据管理、数据操作以及数据显示和输出等。
三维GIS平台实现地上、地表、地下、水下信息一体化集成表达，解决三维CAD设计成果与三维空间信息平台无缝集成、二三维一体化等难题，已在国防军事信息化、石油石化、电力、国土测绘、数字海洋、安全应急、林业、地矿、地理教学等领域广泛应用。
本文中应用的EV-Globe平台集成最新的地理信息和三维软件技术，具有大范围的、海量的、多源的（至少包括DEM、DOM、三维模型数据和其它专题数据）数据一体化管理和快速三维实时漫游功能，支持三维空间查询、分析和运算，可与常规GIS软件集成，提供全球范围基础影像资料，方便快速构建三维空间信息服务系统，亦可快速在二维GIS系统完成向三维的扩展。
2 工程应用情况
2.1 工程概况
新建甘肃沙州—阿克塞（民主）330kV I、II回线路工程，简称沙阿I、II回线。线路起于750kV沙州变，终止于新建330kV阿克塞变。
全线分两个单回路平行架设，初步设计路径全长为72.5km，沿线地貌单元以冲洪积平原（戈壁）、沙漠丘陵为主，冲洪积平原（戈壁）在线路走径内陆形平缓、开阔，整体呈现南高北低，以缓坡状自北向南抬升，相对高差较小。
沙漠丘陵地势相对较高，地形起伏相对较大，整体呈现中间高南北两侧低，成波状起伏的风成窝状或鱼鳞状。
2.2 地理信息数据导入
地理信息数据主要为服务于架空线路路径选线的GIS地图图形化的数据，从类型上可以划分为矢量数据和栅格数据，从类别上可以划分为3种数据类别，分别是基础地理数据、电力专题数据、工程数据[5]，资源数据库如图所示。
图2 电力资源数据库图
输电线路三维路径选择从处理三维地理信息数据开始，采用数据处理工具对工程所在区域的三维地理信息数据源进行扩充。根据本工程已知坐标系信息，在数据处理设置中输入大地坐标系经纬度参数，接着对中央经线进行设置，输入对应的坐标模式、分带法的选择和中央经线[6]。打开三维数字化选线系统后，导入的影像就可以定位在GIS三维场景中。
2.3 路径优化
利用基于GIS平台的三维可视化技术、结合卫片、航片，并根据现场收资、踏勘情况，对初步设计路径方案进行优化，主要优化路段有党河水库西部段、阿克塞火车站东部~大草滩段、岔口道班S215公路东侧段，优化时考虑如下原则[7.8]：
1）综合考虑施工、运行等因素，尽量靠近公路，方便线路施工和运行。
2）有效避让房屋，优化房屋拆迁量较大的地段路径。
3）合理选择各类交叉跨越位置，公路、河流、电力线等跨越位置选择对工程造价有较大影响，应减少交叉跨越已建及待建送电线路，特别是高电压等级的送电线路。
4）充分考虑沿线地形及森林覆盖，采取跨树或避开森林的方案，减少林木的砍伐，保护生态环境。
在三维输电线路场景中，可清晰的掌握本工程线路经过地区的主要交叉跨越，弥补了传统二维地形图进行输电线路选线的不足，对线路的排塔定位起到了重要的参考作用。
3 结论
根据现场踏勘及搜资调查，利用高清晰卫片，采用航测技术、遥感技术和地理信息技术，对关键路径地段及关键塔位进行优选，得出以下结论：
1）本工程对线路局部路径进行优化，初设线路长度2×72.5km，优化线路长度2×71.8km，比原有路径缩短2×0.7km,取消转角两回线路共6个，线路经过公益林区长度减小300m。
2）在三维输电线路场景中，可清晰的掌握本工程线路经过地区的主要交叉跨越，弥补了传统二维地形图进行输电线路选线的不足，对线路的排塔定位起到了重要的参考作用。
3）三维GIS选线平台可使设计人员内业作业效率大幅提高，有利于提高设计质量，保障工程技术指标的落实。