基于卫星遥感的电力线路设计流程

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摘 要：本文基于笔者从事电力线路勘查设计的相关工作经验,以卫星遥感技术在电力线路设计的中应用为研究对象,论文首先分析了电力线路设计的原则和方法,进而探讨了电力线路设计的方法和流程,最后,笔者结合500kV某线路设计的工程实践进行了分析,全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华,相信对从事相关工作的同行能有所裨益.

关 键 词：卫星遥感电力线路设计

中图分类号：TB21文献标识码：A文章编号：1672-3791（2013）06（b）-0099-02

现代遥感技术的发展和快捷、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,国民经济对遥感技术的需求也正随着遥感数据的普及日益增强.高分辨率商业卫星影像IKONOS,QuickBird和印度卫星IRS数据的出现,大大拓宽了遥感应用范围.现在遥感技术不但用于宏观上的定性分析,而且也可以对局部地物进行定量分析和规划.

高压电力线路设计就是按照一定的原则规划一条从电厂到变压站之间最优的输电线路.按照电力线路设计要求,设计一条优化的线路要求对线路跨区内的地貌、地物和地质情况非常了解,传统的方法要实现这点是非常困难的.遥感图像是地表的真实拷贝,具有覆盖面大、数据现势和信息直观等特点,其光谱信息可以反映地质特征,在电力线路的规划中可以起到很好的辅助作用.利用高分辨率遥感影像进行线路设计能够大大地提高线路设计的效率和质量.在高压输电线路设计工程中,地形变化相对缓慢,利用已有的DEM（数字高程模型）数据建立3维模型,进行通视性分析、弧垂分析以及受力分析,则可以大大减少成本.

1传统电力线路设计方法

高压电力线路的设计是由专业的设计人员根据一定原则选择一条最佳路径,其主要原则如下.

（1）要求线路尽可能地短、直,降低工程成本；（2）线路走向一定范围内不能有村庄和建筑物,尽量避开建筑物,减少拆迁成本；（3）线路与其他地物进行交叉跨越时需要考虑走向和跨度,减少架设成本和施工难度；（4）塔杆架设要避开一些重要的地物,如输油管道等；（5）塔杆架设处的地质条件要符合要求等.

传统的设计流程如下.

（1）设计人员在1∶5万的旧地形图上粗选.（2）根据粗选的路径到实地踏勘,如不符合要求,修改设计；（3）沿粗选的路径进行航空摄影.（4）进行航测外控测量、内业加密、选线、测量平断面、对房屋和交叉跨越进行统计等大量工作.（5）设计排定杆位.（6）现场定位、复核,然后转入设计提供施工图的内业阶段.

从上面的流程可以看出,线路设计是以空间地理信息为基础的,在传统的设计方法中是以中、小比例尺地形图为基础进行粗选,在粗选的基础上利用现势的航空像片进行摄影测量处理来达到细化、优化方案的目的.但成图时间较早的地形图缺乏现势性,不能反映设计时的地面现状,而且不直观,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.如果先对影像进行处理,用遥感影像代替地形图则可以克服地形图的不足.遥感影像比地形图更现势、直观,同时具备地形的量测能力；遥感影像幅面宽,如一景SPOT图像能够覆盖60×60km2的范围,而一景TM图像能覆盖185×185km2的范围,这样设计人员的视野更开阔,设计更合理；采用融合等特殊技术对现代高分辨率遥感影像进行处理,在地物判断能力上比航空影像更强.因此,采用遥感影像进行电力线路粗选可以达到粗选和细化相结合的目的,如果确实需要,再采用其他方式对某些专题进行细化设计,这样可以减少设计工作量和成本.

2应用遥感影像设计电力线路的方法和流程

应用遥感影像设计电力线路的流程见图1.

2.1数据预处理

数据的预处理包括遥感影像、DEM和控制点数据的预处理.在利用遥感影像之前需要对影像进行检查,确认影像的整体质量,即影像是否存在现有技术不能修正的辐射缺陷,如果是光学影像还要考虑图像上云的覆盖面积是否太大等.另外,还要根据所采用的软件的几何精纠正模型,选用适当级别的卫星影像数据产品.根据应用的需要对影像进行辐射增强等方面处理,突出感兴趣的地物特征.

2.2遥感影像精纠正

遥感影像在获取时由于搭载平台、传感器、地球曲率和地形起伏等影响往往会造成影像几何畸变,为了改正这些畸变,同时把影像纳入到特定的制图坐标系统中,就需要进行影像几何纠正.遥感影像几何纠正包括两个步骤：（1）计算新图像上相应像素的位置,一般采用已知纠正后图像的位置反算该像素在待纠正图像上的位置.（2）计算纠正后图像上像素的灰度值,如果反算到待纠正图像上的像素位置正好落在像素上,就取该像素的灰度值为纠正后图像的灰度值,否则要根据待纠正图像上的相邻像素来内插.不同类型的遥感影像采用不同的几何纠正模型,纠正模型参数需要通过控制点来精确解算,如果地形起伏比较大,同时几何精度要求又比较高,还需要通过DEM来改正地形起伏引起的投影差,以达到对遥感图像进行精纠正的目的.

2.3图像接边和镶嵌

电力线路的一个明显特点就是跨越区域成狭长条带状,常常超出一景影像覆盖的范围,这就需要对多景影像进行镶嵌处理,形成能够覆盖整个线路的大影像.在进行图像镶嵌前,为了保证不同影像之间几何位置的一致性,需要对影像进行接边处理；同时为了使得镶嵌后的影像在色调上协调一致,还要进行色调匹配处理.

2.4图像融合

不同的传感器获取的影像具有不同的特点,例如有的获取的数据的几何分辨率高,有的获取的遥感图像光谱分辨率高,光谱信息丰富等.在电力线路设计中几何分辨率和光谱信息对地物判读和地质条件解译有着重要的意义.为了综合不同影像的几何和光谱优势信息,采用图像融合技术进行处理.

图像融合就是对几何配准好的同源或非同源图像,应用一定的数学模型对相应的像素进行处理,形成一幅能够反映融合前不同图像优势信息的图像,目前常用的方法有：加权、小波变换、彩色变换,主分量变换和边缘增强等融合方法,融合方法的选用要根据应用目的和图像的具体情况来决定.2.5线路设计

经过几何纠正和融合处理后的遥感图像,不仅提供了精确的几何位置信息,同时还提供了现势、丰富的地物信息,以此为地理基础结合其他辅助信息、规范和设计人员的专业知识就可以进行线路设计.通过地物判读和地质条件分析可以确定线路的转角位置,并以矢量形式标注在遥感影像上.根据图像几何分辨率对房屋和交叉跨越进行统计和分析,从多个设计方案中优化筛选.对室内判断有疑问的地物,进行野外实地重点踏勘,然后修改、优化设计方案.为了从整体的角度来优化设计方案,将遥感影像和线路设计方案叠加在DEM上进行3维仿真模拟,沿着设计线路飞行,直观表现线路的整体情况.

3500kV某变线路设计实践

3.1工程概况

500kV某变线路东西跨越约100km,该地区地形图成图时间较早,地物更新较多,而且湖泊众多,给选线带来很大的困难.根据设计需要本项目采用2011年4月份30m和5m地面分辨率的TM多光谱影像和IRS全色影像,影像数据现势性很强,能够很好地反映地面的实际情况.收集线路区域1∶1万地形图和1∶5万DEM作为影像处理的基础数据.本次工程设计的电力线路分为东西走向的两个路径方案比选,线路东西跨越98.85km,南北跨越34.62km.使用TM影像与IRS影像进行融合获取的,几何分辨率为5m的成果影像能够进行选线.

为了与传统的选线方法进行对比,先在地形图上进行线路初选,并将其放样到遥感影像上,再根据影像上的地物状况,修改电力线路上不合理的线路转角,最终选择出一条最佳的电力输电线路.

3.2影像几何纠正

本项目中地形图是纸质的,为了方便计算机处理和提供工作效率,先把地形图进行扫描,然后对扫描后的地形图进行分块精纠正,改正地形图的几何畸变,生成数字栅格地图（DRG）,从DRG上选取控制点对影像进行几何纠正.考虑到沿线山区比较多,地形起伏比较大,为了改正影像上由于地形起伏引起的投影差,在影像几何纠正中需要采用DEM,在使用DEM数据前要对原始DEM数据进行格式转换、拼接等处理.为了改正遥感影像的几何畸变,并将其纳入到指定的制图坐标系统中,需要对遥感影像进行几何纠正处理.为了顾及地形起伏的影响,对TM数据采用结合DEM信息的多项式纠正方案；IRS卫星数据,结合其成像特点,采用项目组研制的特殊方法进行处理.

3.3接边

因为IRS影像部分区域影像质量较差.根据影像的实际质量,在IRS影像接边时作了接边区的取舍,尽量选择影像质量较好的部分.

3.4融合

为了综合IRS卫星影像高分辨率信息和TM影像丰富的光谱信息,我们采用影像融合技术进行处理,获取融合二者优势信息的高分辨率遥感图像.

根据IRS卫星图像和TM图像的特点,分别采用加权、彩色变换、主分量变换和边缘增强等融合方法.比较4种融合结果,发现边缘增强融合方法效果最佳,融合后的图像目视效果最好,颜色保持得很好.

3.5选线

经过上述处理后的遥感影像不仅具有精确的几何位置信息,而且还有丰富的地物表现信息,在此基础上结合线路设计规范和要求,进行线路设计.对线路经过区域附近的地质条件、地物和交叉跨越等进行判断、统计和分析,确定优化的转角点位置.本项目中为了充分利用遥感影像覆盖面宽的特点,本着优中选优的思想,线路分为南北两个方案,最终南方案18个转角点,北方案20个转角点.根据其他资料和初步野外踏勘结果,整个选线过程中先后进行了3次大范围的线路路径优化.图2中黑线为第3次线路设计的南北两个线路路径方案图,两线路起点和终点重合.经过实地勘测最终采用了北线路方案.（如图2）

3.6三维飞行模拟

把经过处理的遥感影像和设计的线路图叠加在相应的DEM上,用3维的方式对设计结果进行模拟.沿着线路飞行,可以直观、整体地感受到线路完成后的效果,对于线路的整体优化有着重要的参考作用.通过沿线的3维飞行,设计者能够形象具体地判断路线设计合理性.电力线路3维飞行效果如图3所示.

4结论

现代遥感技术和影像处理技术的发展,大大拓宽了遥感技术应用的范围.本文提出的应用高分辨率遥感影像进行电力线路设计方案,在500kV该变线路设计实践中取得了良好的社会和经济效益.同传统设计方法相比大幅度节省了工程成本,效率也比传统方式高得多,设计的线路也更为合理,优化效果更好.

经过处理的遥感影像光谱信息丰富,分辨率高,可以分辨出房屋、道路、河流、沟渠、池塘等大量信息,这样进行方案选择就有了科学的依据.本工程根据影像优化路径,将原来在1∶50000地形图中预先选择的路径作了较大改动,避开新增房屋多处,预计比原方案减少拆迁30%.

信息现势性是遥感影像重要的优势之一,符合地面实际情况的地理信息是我们作出正确、合理设计的基础,在线路设计时通过对线路经过区域实际情况的正确掌握,可以对交叉跨越地物进行合理的避让,减少成本和不必要的损失.在本工程中利用卫星影像判读出路径走向附近有一条长达几十公里的白色、灰色条带,根据搜集到的资料分析不是道路,可能是国家西气东输工程的管道,因此在选线时注意调整避让,在初步设计踏勘时,现场利用手持式GPS测量检查确认是天然气管道,经过调整路径成功避开.

上述分析和工

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