基于三维GIS技术的配电线路空间距离获取方法与流程

本发明涉及配电线路数字化设计技术领域，具体涉及一种基于三维gis技术的配电线路空间距离获取方法。

背景技术

配电网工程中设备与设备、设备与地物等之间的空间距离是配电线路设计中的重要数据，空间距离精度在配电线路设计中起着关键作用，例如在配网线路钻越高压线路时往往需要较高的空间距离精度，另外随着电网电压等级的提高和规模的扩大，三维gis(地理信息系统)技术在电网中的应用越来越越广泛，对配电线路空间距离的精度要求也越来越高。然而传统设计模式下配电线路设计使用平断面图绘制导地线弧垂，通过将导地线弧垂投影到线路中心断面的方式模拟导地线，用有限个相关联的二维投影图来阐述全部的设计要求，此方式无法在二维图形中综合考虑横担宽度、风偏等因素对导地线姿态的影响，导致配电线路空间距离计算精确度不高，无法满足现有设计要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是如何提高配电线路空间距离的计算精度，基于该技术问题提供一种基于三维gis技术的配电线路空间距离获取方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

基于三维gis技术的配电线路空间距离获取方法，包括以下步骤：

1)由工测地形数据对线路走廊范围内的基础地理信息数据进行高程修正，根据高程修正后的基础地理信息数据构建出三维线路走廊数字场景；

2)根据构建的三维线路走廊数字场景，计算配电线路的空间距离。

所述基础地理信息数据采用面状存储方式，以三角网为最小数据单元，所述三角网是由连续的三角面组成，所述步骤1)具体包括以下步骤：

s11)以线路走廊内的耐张段为自然分界点将整个线路走廊切分成多个四边形；

s12)以每个耐张段内中心断面线的基础地理信息数据点为依据将该耐张段所在四边形划分成多个近似梯形；

s13)以一个近似梯形作为地形融合最小单位，获取近似梯形区域中基础地理信息数据点的高程；

s14)确定每个工测地形数据点所在的近似梯形区域，并迭代计算出工测地形数据点和工测地形数据点所在近似梯形区域的各个三角面的高程差，从计算出的高程差中找出符合地形融合方程的高程差作为工测地形数据点所在近似梯形区域的高程差修正值；

s15)根据工测地形数据点所在近似梯形区域的高程差修正值对获取的基础地理信息数据点高程进行修正，修正完成后，将修正后的基础地理信息数据点添加到线路走廊中重新构建地形，得到地势起伏无畸变的三维线路走廊数字场景。

根据工测地形数据点所在近似梯形区域的高程差修正值对获取的基础地理信息数据点高程进行修正，具体为计算出基础地理信息数据点修正后高程：

基础地理信息数据点修正后高程＝基础地理信息数据点高程-工测地形数据点所在近似梯形区域的高程差修正值。

所述步骤2)具体包括以下步骤：

s21)对线路走廊数字场景中的地面和设备模型进行三角网划分，所述三角网由连续的多个三角面组成；

s22)选取被校验物体模型，并对被校验物体模型的所有三角面按位置进行分组，每组三角面构成一个三角面组包络球；所述被校验物体模型为线路走廊数字场景中的地面或设备模型；

s23)选取校验点，计算校验点到三角面组包络球的距离，找出与校验点距离最近的三角面组；

s24)在与校验点最近的三角面组中，计算校验点到该组中每个三角面的距离，找出最短距离。

在步骤2)之后还进行空间距离和线路走廊数字场景的三维显示。

空间距离和线路走廊数字场景的三维显示具体包括以下步骤：

s31)输出整个线路走廊数字场景的三维图形，所述三维图形为三维曲面，所述三维曲面由一系列曲面片拼合而成，每个曲面片有一个唯一的法向量；

s32)确定三维图形中所有可见面，运用隐藏面消隐算法将视域外或被遮挡住的不可见面消去，将三维图形转换为透视投影图；

s33)根据曲面片的法向量计算出可见面投射至观察者眼中的光亮度大小和颜色分量，根据计算出的光亮度大小和颜色分量确定透视投影图上每一像素的灰度和颜色，最终将确定像素灰度和颜色的透视投影图在计算机上显示。

本发明具有以下有益效果：本发明通过构建精确的三维线路走廊数字场景，能够有效提高配电线路的空间距离计算精度，有效缩短空间距离校验时间。

附图说明

图1是本发明的技术路线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，基于三维gis技术的配电线路空间距离获取方法，包括以下步骤：

1)由工测地形数据对线路走廊范围内的基础地理信息数据进行高程修正，根据高程修正后的基础地理信息数据构建出三维线路走廊数字场景，即通过对基础地理信息数据进行高程修正使工测地形数据和基础地理信息数据融合，构建出地势起伏无畸变的三维线路走廊数字场景；其中

工测地形数据为人工测得的离散的点状数据，例如，使用gps、全站仪等手段获取的离散的测点数据。基础地理信息数据包括卫片数据或航片数据；其中卫片是卫星遥感图像的通称，航片泛指用航空摄影装置拍摄的各类遥感像片。

线路走廊为架空输电线路的路径所占用的土地面积和空间区域。

三维gis(地理信息系统)技术通常是以数字地球作为可视化的表现形式，多采用球面坐标系统。

其中基础地理信息数据采用面状存储方式，以三角网为最小数据单元，三角网是由连续的三角面组成，用于拟合具有连续分布的自然表面，它根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面网络。

在工测地形数据和基础地理信息数据这两种地形数据的融合过程中需要保持所有工测数据离散点的相对位置不变，以保证工测数据作为空间设计的依据，并采用插值法由工测采集的离散点高程对在线路走廊范围内的基础地理信息数据进行高程修正。步骤1)具体包括以下步骤：

s11)以线路走廊内的耐张段为自然分界点将整个线路走廊切分成多个四边形；

s12)以每个耐张段内中心断面线的基础地理信息数据点为依据将该耐张段所在四边形划分成多个近似梯形；其中，近似梯形指四边形的每个划分块的形状与梯形近似。

s13)以一个近似梯形作为地形融合最小单位，获取近似梯形区域中基础地理信息数据点的高程；

s14)确定每个工测地形数据点所在的近似梯形区域，并迭代计算出工测地形数据点和工测地形数据点所在近似梯形区域的各个三角面的高程差，从计算出的高程差中找出符合地形融合方程的高程差作为工测地形数据点所在近似梯形区域的高程差修正值；可以理解地，通过地形融合方程的校验可以排除一些与真实地形数据差别较大的数据。

s15)根据工测地形数据点所在近似梯形区域的高程差修正值对步骤s13)中获取的基础地理信息数据点的高程进行修正，修正完成后，将修正后的基础地理信息数据点添加到线路走廊中重新构建地形，得到地势起伏无畸变的三维线路走廊数字场景。

其中根据工测地形数据点所在近似梯形区域的高程差修正值对步骤s13)中获取的基础地理信息数据点高程进行修正，具体为根据以下公式计算出基础地理信息数据点修正后高程：

基础地理信息数据点修正后高程＝基础地理信息数据点高程-工测地形数据点所在近似梯形区域的高程差修正值。

其中地势起伏无畸变是指地形数据融合过程中整个线路走廊范围内的地势起伏没有畸变。

其中耐张段指两个耐张杆之间的距离。

步骤s11-s15)通过对高程差进行修正，能够实现工测地形数据和基础地理信息数据这两种不同来源的地形数据地有效融合，使得融合后整个走廊范围内的地势起伏无畸变，构建出精确的三维线路走廊数字场景。

2)根据构建的三维走廊数字场景计算配电线路的空间距离，其中配电线路的空间距离是指配电线路中任意两点的距离，例如线路设备之间的空间距离，线路设备与地面之间的空间距离等。根据构建的三维走廊数字场景计算配电线路的空间距离，具体包括以下步骤：

s21)对线路走廊数字场景中的地面和设备模型进行三角网划分，三角网由连续的多个三角面组成；

其中设备模型包括线路走廊数字场景中的导地线模型、交叉跨越物模型和其他配电设备模型；

s22)选取被校验物体模型，并对被校验物体模型的所有三角面按位置进行分组，每组三角面构成一个三角面组包络球；所述被校验物体模型为线路走廊数字场景中的地面或设备模型；

s23)选取校验点，计算校验点到三角面组包络球的距离，找出与校验点距离最近的三角面组；

s24)在与校验点最近的三角面组中，计算校验点到该组中每个三角面的距离，找出最短距离，该最短距离即为最终的配电线路空间距离。

3)三维显示，即通过算法和程序经过投影变换将具有三维坐标的物体变换至二维屏幕坐标系，获取计算机图形，将三维空间里的物体在二维计算机屏幕上显示，具体包括以下步骤：

s31)建立三维模型，输出整个线路走廊数字场景的三维图形，即数字高程模型(dem)的三维图形，所述三维图形为三维曲面，三维曲面由一系列曲面片拼合而成，每个曲面片有一个唯一的法向量；

s32)确定三维图形中所有可见面，运用隐藏面消隐算法将视域外或被遮挡住的不可见面消去，将三维图形转换为透视投影图；

s33)结合曲面片的法向量和光照模型计算出可见面投射至观察者眼中的光亮度大小和颜色分量，根据曲面片的法向量计算出可见面投射至观察者眼中的光亮度大小和颜色分量，根据计算出的光亮度大小和颜色分量确定透视投影图上每一像素的灰度和颜色，最终将确定像素灰度和颜色的透视投影图在计算机上显示。

其中光照模型指一种能逼真反映地形表面明暗、色彩变化的数学模型，逐渐计算每像素的灰度和颜色，即计算景物表面上任一点投向观察者眼中的光亮度大小和色彩组成。

三维显示能够使地形模型中的地形数据在计算机上实时地进行三维逼真显示、模拟仿真和多分辨率表达等，能够直观的显示整个三维配电线路，使得线路走廊场景在计算机屏幕上能够进行直观地三维显示，也能够直观地在计算机上显示配电线路空间距离的计算结果，便于技术人员能够快速的进行配电线路设计的调整，提高工作效率。三维gis应用领域中存在多种多样的测绘方式，不同的测绘方式所产生的数据均不相同。这些数据包括：

卫星影像数据：分为数字高程模型(dem)和数字正射影像图(dom)；其中数字正射影像图是对航空(或航天)像片进行数字微分纠正和镶嵌，按一定图幅范围裁剪生成的数字正射影像集。它是同时具有地图几何精度和影像特征的图像。

坐标信息影像、高程数据：通常为卫片或航片数据，后缀名多为geotiff、img等，这种文件内包含完整的投影信息、坐标信息。

无坐标信息影像数据：通过卫星或航飞采集的正射影像数据，不包含坐标数据，但在影像中包含公里网格交点等能够用于坐标修正的信息。

激光点云数据：采用激光雷达测量，一般设备下方的相机还能拍摄高分辨率影像。要求测量方对其进行正射影像处理，并采用geotiff格式保存，含坐标信息及投影信息。

矢量地形图：各地方测绘局一般有dwg格式的矢量地形图，保护高程点、等高线及部分房屋、道路信息等。要求dwg文件按照国家标准建立图层，不同类型的测量数据放在不同对应的图层中。并且高程点和等高线有z坐标信息。

本实施例中的基础地理信息数据可以采用上述不同的测绘方式所产生的数据中的任何一种。

在其中一个实施例中，在构建出三维线路走廊数字场景之后还对该场景中的线路设备模型进行位置调整，即将线路设备模型调整至目标位置。在线路设备模型调整至目标位置之后还可计算出调整时线路设备模型相较于另一个线路设备模型的平移值和旋转值，即从旋转和平移的角度确定调整时线路设备模型之间的相对位置变化，具体包括以下步骤：

s41)以需要确定相对位置变化的两个线路设备模型中的一个设备模型作为第一设备模型，另一个作为第二设备模型，在第一设备模型和第二设备模型上各选取一个连接点，调整前第一设备模型和第二设备模型上所选取的连接点坐标分别为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)，调整后第一设备模型和第二设备模型上所选取的连接点坐标分别为(x1',y1',z1')和(x2',y2',z2')；

其中x1、y1、z1分别为调整前第一设备模型上的连接点所在经度、纬度和海拔；

其中x2、y2、z2分别为调整前第二设备模型上的连接点所在经度、纬度和海拔；

其中x1'、y1'、z1'分别为调整后第一设备模型上的连接点所在经度、纬度和海拔；

其中x2'、y2'、z2'分别为调整后第二设备模型上的连接点所在经度、纬度和海拔；

s42)计算平移矢量t(xt,yt,zt),其中：

s43)计算旋转角度θ：

旋转原点o的坐标为(xo,yo,zo),其中：

则旋转前，第二设备模型相对于第一设备模型的空间姿态为p(xp,yp,zp)，其中：

旋转后，第二设备模型相对于第一设备模型的空间姿态为q(xq,yq,zq)，其中：

由点积的定义可知：p·q＝|p||q|cosθ；

由此推出旋转角度

根据计算得出的平移矢量t(xt,yt,zt)和旋转角度θ，可以使设计人员从旋转和平移的角度确定调整时第二设备模型相对第一设备模型的位置变化，更加直观。

本实施例通过工测地形数据和基础地理信息数据这两种不同来源的地形数据地有效融合构建出精确的三维线路走廊数字场景，并配合以空间距离的计算方法，能够提高配电线路的空间距离计算精度，有效缩短空间距离校验时间。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。