马 超，常增亮，高兴国，李 东，肖 峰

（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013；2.武汉大学中国南极测绘研究中心，湖北 武汉 430079）

0 引言

随着电网建设工程的快速发展，电力工程外业踏勘面临着越来越多的复杂地形、交通困难等问题[1-2]。传统的电力工程外业勘测和设计分工明确，设计主要依赖于勘测数据作为支撑，勘测也需要设计数据作为工作依据。一般需要勘测设计人员共同前往现场踏勘，但往往需要内业处理才能最终确定设计或勘测数据，这样不够直观，容易造成工作反复。

随着测绘地理信息技术的不断发展，三维地理信息数据在智慧电网、智慧交通、智慧城市、园区规划、应急指挥等领域应用越来越广泛[3-4]。三维地理信息系统(geographic information system，GIS)为空间信息的展示提供了更丰富、逼真的平台，能够将抽象难懂的空间信息可视化和直观化，人们结合自己的相关经验就可以理解，从而做出准确快速判断[5-7]。

移动端设备的普及和发展，使得基于移动端的GIS也得到广泛研究。在传统的调绘模式下，需要外业人员在现场手工绘图、记录属性和照片等，内业时需要对草图进行转换处理。因此传统的工作模式存在一定的局限性，主要体现在：纸质记录易丢失、难以快速获取成果、容易产生错误和偏差、工作量大。运用移动设备在外业现场进行图形、属性、多媒体采集，并实时进行成果整编、质量检查，在提升外业数据采集效率的同时能够有效控制数据质量，实现电力线路调绘内外业一体化的工作流程。现有的移动GIS系统已逐步应用于电力线路通道障碍物调绘、特高压电力线路工程、房屋调查测量、林木调查测量中[8-9]。

目前主流的移动GIS系统大多为二维GIS产品。三维GIS以立体造型技术给用户展现地理空间现象，能够表达空间对象间的立体关系。对空间对象进行三维空间分析和操作也是三维GIS特有的功能。但相较于二维GIS，三维GIS由于复杂程度较高，因此还没有广泛统一使用的框架[10-12]。

北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统，能为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务，现已成功发射54颗卫星，其中北斗三号卫星29颗，已从服务于亚太区域逐步向服务全球转变，服务能力和水平不断提升[13-16]。

随着卫星定位技术在各个领域的广泛应用，其作业方式也发生着巨大变革，从单点定位扩展到广域差分，从事后处理到实时定位与导航，其目的是为了提高定位精度和应用范围。实时动态相对定位技术(real time kinematic，RTK)通过对接收机间和星间做差消除卫星轨道误差、大气传播延迟误差以及卫星和接收机钟差等误差源，再利用高精度的载波相位观测量，实现厘米级甚至毫米级精度的定位。

为此，本研究拟利用三维GIS技术和北斗导航定位系统，研究设计基于Android平台的电力工程外业踏勘三维辅助系统，实现踏勘和设计工作一体化，减少外业踏勘工作的反复，优化作业流程，提高工作效率。

1 总体框架设计

电力工程外业踏勘辅助系统基于Android 13.0平台和三维GIS技术，为电力工程外业踏勘选址、选线、调绘等业务提供便利支持，整体设计架构如图1所示。

图1 电力工程外业踏勘辅助系统总体设计框架

电力工程外业踏勘辅助系统包括外业勘测系统、数据管理系统和电力工程三维分析系统。其中：①外业勘测系统实现电力工程外业探勘数据数字化一体采集，服务外业人员；②数据管理系统提供项目管理、勘测数据管理和成果导出等功能，服务决策人员和设计人员；③电力工程三维分析系统提供三维模型建立展示、三维量测分析等功能，服务内业人员和设计人员。

数据管理系统可以对外业勘测系统获取的野外测量和调绘数据进行编辑、出图及设计分析等工作，辅助设计人员及时进行设计方案决策；电力工程三维分析系统可以利用外业勘测数据和内业数据建立实时三维模型，进行三维量测分析；外业勘测系统可根据数据管理系统和电力工程三维分析系统的演算结果，及时抓取数据核验正确性。三大系统之间相互协作，最终实现勘测、设计等工序内外业实时、协同、综合辅助设计目标。

1.1 外业勘测系统

外业勘测系统主要功能是进行外业勘测数据采集，具体功能模块如图2所示。该系统可以连接北斗定位设备，进行实时定位，实现塔基放样功能；加载显示天地图、百度地图、高德地图等经依法审核批准的在线地图，进行图层控制等操作；提供塔基放样、地物采集、地物编辑、草图绘制、数据导出等勘测功能。

图2 外业勘测系统主要功能模块

1.2 数据管理系统

数据管理系统的主要功能模块如图3所示。系统支持地形图、分层等值线图、参数分区图等勘测数据和卫星影像、点云、数字正射影像图(digital orthophoto map，DOM)、数字高程模型(digital elevation model，DEM)等GIS数据的加载，单次数据加载量不超过10 GB，可覆盖1 km2的站址或100 km以内的线路数据。同时提供图层管理、地图操作工具、要素标绘等基础地图功能和地理信息数据统计分析功能；提供项目管理、成果导出等辅助功能，可将野外踏勘数据导出CASS和道亨野外操作码。

图3 数据管理系统主要模块

1.3 电力工程三维分析系统

电力工程三维分析系统的主要功能模块如图4所示。该系统实现三维GIS数据的三维模型建立展示和预览功能，支持点、线、面在三维场景中的展示，能够实现放大、缩小、变换视角等功能；能够对三维GIS数据和勘察数据进行计算和分析，实现测量面积、角度、高差、平距、斜距，剖面生成、坡度计算、土方估算等功能。

图4 电力工程三维分析系统主要模块

2 系统架构设计

电力工程外业踏勘辅助系统采用4层架构模式进行建设，具体分为：硬件层、数据层、服务层和应用层，如图5所示。

图5 电力工程外业踏勘辅助平台系统体系结构图

硬件层包括定位设备和移动平台，定位设备提供定位服务，并将实时定位信息通过蓝牙传输到移动平台。

数据层主要为数据服务提供数据源，包括在线地图、勘测数据和三维GIS数据。在线地图包括天地图、百度地图和高德地图等；勘测数据包括地形图、分层等值线图、参数分区图；三维GIS数据主要包括卫星影像、点云、DOM、DEM。

服务层通过将数据层数据发布为数据服务，以服务的形式为移动终端应用系统提供各种地理信息服务的实现接口，包括定位服务、数据加载服务、空间查询服务、统计分析服务和实时调绘服务等。

应用层是系统功能载体的具体实现，提供用户操作界面，负责系统功能和数据展示。主要功能包括用户注册、用户登录、系统设置、数据导入、塔基放样、在线地图加载、地物采集、地物编辑、要素标绘、三维模型展示、三维量测分析、草图绘制、道亨联机、CASS联机和成果导出。

3 功能设计与实现

3.1 电力塔基快速放样

塔基放样是电力工程勘测中重要的环节之一。传统的塔基放样技术依赖于经纬仪和全站仪，因外业操作复杂、偶然误差大、内业解算繁琐等局限性而逐渐被基于RTK的放样技术所取代。RTK放样技术可单人作业，测量误差均匀、独立，不存在误差积累，精度高；另外在房屋较密集、通视条件较差的地区，应用RTK 定线，可减少房屋拆迁量和转角数量，加快选线速度，从而大幅度降低线路造价和补偿费用，提高工作效益并保证质量。

电力工程外业踏勘辅助平台基于便捷式RTK设备，提供线路和塔基自动化放样方法及系统，根据当前位置自动建线计算并显示放样线路坐标和极坐标等信息，实现全自动线路和塔基放样，进而可实现自动化塔基规划。放样过程中，通过选择塔位中心位置和放样半径，平台自动将塔基4个方向的塔脚点计算出来，然后依次选择脚点进行断面放样，如图6所示。放样完毕后，平台自动存储测量数据。基于本平台，只需一人便可完成塔基放样工作，大大节约了作业成本。

图6 塔基放样界面

3.2 智能化地物调绘

电力工程外业踏勘辅助平台利用便捷式RTK设备，融合智能语音识别技术，实现智能化地物调绘。测量过程中，通过蓝牙，实现APP与 RTK 设备连接，在 APP中选择地物类别，如“断面”“交叉跨越”“道路”“植被”“水系”“地下管线”“危险点”“其他地物”等，开始接收 RTK 测量的数据，将地物名称和测量数据存储在数据库，在图上绘制地物(记录数据为：地物类型、点号、X坐标、Y坐标、Z坐标、其他)。为提高外业操作人员在野外操作软件的便捷性，设置地物语言识别模块，通过语音输入地物名称，识别地物，根据地物映射表输出地物编码和结果，省去繁琐的地物文字输入和搜索输入操作，如图7所示。

图7 智能语音识别模块流程图

3.3 三维空间数据加载及量测分析

电力工程外业踏勘辅助平台能够实现三维空间数据的实时加载和分析功能。基于三维GIS技术，本平台具备数据获取、数据组织、数据操纵、数据分析和数据表现等空间数据处理功能。相比于二维GIS，三维GIS空间信息的展示更为直观，多维度空间分析功能更加强大。本平台可以实现在外业踏勘过程中对三维GIS数据(如卫星影像、点云、DOM、DEM)的实时调用(图8)和分析(图9)，如测角量距、剖面分析、土方估算等功能，实现岩土、水文图纸(如分层等值线图、参数分区图等)在APP上进行位置校准和显示，为设计提供现场参考，辅助选址选线。

图8 三维激光点云数据加载

图9 三维量测分析功能

4 结语

信息化是坚强智能电网的实施基础，构建先进的三维、动态、可视化电网管理平台，是智能电网的主要发展方向和技术发展重点之一。为了优化电力工程外业踏勘设计作业流程，减少工作反复，本研究综合利用三维GIS技术、北斗卫星导航定位技术和智能语音识别技术，开发了基于Android平台的电力工程外业踏勘辅助系统平台，集成了电力塔基快速放样、智能化地物调绘、三维空间数据实时加载及量测分析等功能，可以实现踏勘过程中直接在平台上进行测点和放样，实现现场踏勘实时调绘功能，在现场踏勘或定位过程中，进行地物调绘，实现多源三维空间数据的现场实时调用、配准和分析。

电力工程外业踏勘辅助系统实现了电力工程外业踏勘设计的一体化，为降低工程建设成本、提高工作效率提供了可行方案。考虑到电力工程外业勘测专业的复杂性，将系统平台推广应用，结合各专业踏勘具体需求，分别研究相应的数据呈现和分析方法，定制化界面和功能，简化作业流程，减少工作反复，以更好服务勘测设计外业踏勘。