一种基于地形自适应构建输电线路货运索道的方法及系统
技术领域
本发明涉及输电线路工程
技术领域
，具体涉及一种基于地形自适应构建输电线路货运索道的方法及系统。背景技术
随着电网建设的迅猛发展，受线路走廓制约及环保问题影响，特高压输电线路路径越来越频繁地经过高山峻岭，特高压输电线路用大型塔材、导线及施工装备等物资运输成为亟待解决的难题，传统人力、畜力的物资运输方式已无法满足特高压输电线路施工需求。对环保的政策日益严苛，通过大量砍伐林木修建施工运输道路难以实现。架空输电线路施工专用货运索道兼顾安全、效率、经济效益和环境保护，是一种理想的物资运输方式。
传统索道路径规划工作主要包括图上选线、收集资料、现场初勘、规划方案、终勘选线、路径审定。各项工作在很大程度上依赖技术人员的经验，且需多次前往现场进行勘测，耗费大量的时间和人力，存在规划周期长、劳动强度大等缺点。索道路径规划时，需充分考虑地理信息对物资运输的科学性和经济性的影响，而路径规划涉及工程、环境、经济等多方面的空间多目标决策问题，施工技术人员难以全面把握实施。随着地理信息系统(Geographic Information System，简称GIS)的发展，其强大的地理信息分析、处理能力在城乡规划、城市管网、交通导航等领域得到广泛成功应用，近年来也开始在输电线路路径规划中开始应用，极大地提高了输电线路路径规划的效率。因此，基于GIS的输电线路货运索道路径自动规划是目前的研究热点问题，但是，由于缺乏高效的输电线路货运索道支架自动设置方法，基于高精度地理信息数据的索道路径规划的自动化缺乏足够理论依据和技术支撑，GIS在索道路径自动规划等领域内使用较少，未能充分发挥其技术作用。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供一种基于地形自适应构建输电线路货运索道的方法，包括：
基于上料点位置信息和下料点位置信息结合三维地理信息数据插值生成二维地形曲线；
在所述二维地形曲线上，基于上料点位置和下料点位置建立承载索曲线；
基于所述承载索曲线与所述二维地形曲线的干涉情况，向上和向下移动所述承载索曲线确定中间支架的位置；
基于上料点、下料点和中间支架确定输电线路货运索道。
优选的，所述基于所述承载索曲线与所述二维地形曲线的干涉情况，向上和向下移动所述承载索曲线确定中间支架的位置包括：
A1：将上料点和下料点分别作为起点和终点构建承载索曲线；
A2：判断所述承载索曲线与二维地形曲线是否发生干涉，若发生干涉，向上平移起点和终点直至所述承载索曲线与二维地形曲线仅有唯一干涉点，并在所述唯一干涉点处设置中间支架，并执行A3，否则执行A6；
A3：基于设定位移同时向下移动起点和终点，判断所述起点和终点是否回到上料点和下料点；
A4：当回到上料点和下料点时，执行A6，否则执行A5；
A5：分别在起点与起点的相邻中间支架之间，终点与终点的相邻中间支架之间建立两条承载索曲线；针对每个承载索曲线分别确定是否与所述二维地形曲线发生干涉，如果发生干涉，在最大干涉点处设置中间支架，并执行A3，否则执行A6；
A6：针对起点、终点和所有中间支架之间构成的索道承载索曲线，基于设定的支架间隔阈值和中间支架选取原则修改中间支架。
优选的，所述针对起点、终点和所有中间支架之间构成的索道承载索曲线，基于设定的支架间隔阈值和中间支架选取原则修改中间支架包括：
判断所述输电线路货运索道相邻两中间支架间的承载索曲线距离是否大于阈值，如果大于阈值则找出所述承载索曲线与二维地形曲线的最大干涉点，在所述最大干涉点处增设新的中间支架；
基于货运索道中间支架选取原则筛选多余的中间支架并删除多余支架。
优选的，所述基于货运索道中间支架选取原则筛选多余的中间支架并删除多余支架包括：
从索道起点开始，依次找出每个支架后方的、与它相距不超过设定阈值、距它最远且与它之间的承载索曲线与地形不干涉的支架，删除这两个支架中间的所有多余支架。
优选的，所述上料点位置信息和下料点位置信息结合三维地理信息数据插值生成二维地形曲线包括：
在水平面内直线连接上料点和下料点生成线段；
对所述生成线段按设定断面地形采样间隔分割成多个线段，得到分割点处的坐标；
基于所述三维地理信息数据和分割点处的坐标插值生成各分割点的高度数据；
以上料点和下料点生成的线段在水平面上的投影为横轴，垂直所述投影所在平面为纵轴，基于所述分割点的高度数据生成二维地形曲线。
优选的，所述索道承载索曲线的数学模型如下：
式中：z0表示承载索曲线上的点相对曲线起点的高度值；x0表示承载索曲线上的点相对起点的水平距离；l表示承载索曲线的终点相对起点的水平距离；C表示承载索曲线的终点相对起点的高度值；f表示承载索曲线的跨中垂度。
优选的，所述基于上料点、下料点和中间支架确定输电线路货运索道之后还包括：
基于支架设置标准对输电线路货运索道进行合理性判断。
优选的，所述合理性判断包括：
当输电线路货运索道满足所述支架设置标准时，所述输电线路货运索道设置合理，否则，设置不合理。
优选的，所述支架设置标准包括：索道的总长度不小于设定值，相邻支架跨度大于设定值，中间支架数量不大于设定值，弦倾角小于设定值。
基于同一种发明构思，本发明提供了一种基于地形自适应构建输电线路货运索道的系统，其特征在于，包括：曲线生成模块、曲线构建模块、支架设置模块和索道生成模块；
所述曲线生成模块，用于基于上料点位置信息和下料点位置信息结合三维地理信息数据插值生成二维地形曲线；
所述曲线构建模块，用于在所述二维地形曲线上，基于上料点位置和下料点位置建立承载索曲线；
所述支架设置模块，用于基于所述承载索曲线与所述二维地形曲线的干涉情况，向上和向下移动所述承载索曲线确定中间支架的位置；
所述索道生成模块，用于基于上料点、下料点和中间支架确定输电线路货运索道。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
一种基于地形自适应构建输电线路货运索道的方法，包括：基于上料点位置信息和下料点位置信息结合三维地理信息数据插值生成二维地形曲线；在所述二维地形曲线上，基于上料点位置和下料点位置建立承载索曲线；基于所述承载索曲线与所述二维地形曲线的干涉情况，向上和向下移动所述承载索曲线确定中间支架的位置；基于上料点、下料点和中间支架确定输电线路货运索道。本发明可以自动根据输入的地理信息数据、上料点位置和下料点位置，综合考虑地理信息对物资运输的影响，实现货运索道支架的自动设置，大幅度降低货运索道路径规划工作的时间和人力成本，为基于高精度数据的索道路径规划的自动化提供理论依据和技术支撑。
附图说明
图1为本发明的基于地形自适应构建输电线路货运索道的方法流程图；
图2为本发明的基于地形自适应构建输电线路货运索道的方法的具体算法流程图；
图3为本发明的上料点和下料点周围的地理信息示意图；
图4为本发明使用插值生成二维地形曲线的主要流程图；
图5为本发明基于地形自适应的货运索道中间支架自动选取原理图；
图6为本发明基于地形自适应的货运索道中间支架自动选取算法流程图；
图7本发明输电线路货运索道路径信息图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
实施例1：
一种基于地形自适应构建输电线路货运索道的方法，如图1所示，包括：
步骤1：基于上料点位置信息和下料点位置信息结合三维地理信息数据插值生成二维地形曲线；
步骤2：在所述二维地形曲线上，在上料点位置和下料点位置垂直上方建立承载索曲线；
步骤3：基于所述承载索曲线与所述二维地形曲线的干涉情况，向上和向下移动所述承载索曲线确定中间支架的位置；
步骤4：基于上料点、下料点和中间支架确定输电线路货运索道。
本发明的基于地形自适应构建输电线路货运索道的方法的具体算法流程如图2所示：
插值生成索道路径的二维地形曲线：根据索道路径的上/下料点位置和三维地理信息，采用线性插值、三次卷积插值或三次样条曲线插值等插值方式生成索道路径的二维地形曲线。
自动设置索道中间支架：根据索道路径的二维地形曲线，以及中间支架选取原则(索道承载索曲线必须高于地面，相邻支架间的距离不大于400m)，基于地形自适应法，设置索道的中间支架。
判断索道合理性：判断索道是否全部满足以下条件：总长度小于3000m、相邻支架跨距大于20m、中间支架数量不大于7个、弦倾角小于45°等。若满足，输出索道信息；否则，输出：“不适合建立索道”。
其中，步骤1具体包括：该方法能够根据如图3所示的地理信息数据、上料点位置和下料点位置，在插值生成二维地形曲线的基础上，自动设置索道中间支架，自动规划出能够将物料从上料点运输到下料点的合理索道，为货运索道的路径自动规划奠定基础。
如图3所示的输入地理信息主要包括上料点的位置、下料点的位置和它们周边的三维地理信息数据。其中，程序中所输入的上料点和下料点的位置是它们x,y方向的坐标(xs,ys)和(xx,yx)(下标s表示上料点，下标x表示下料点)；上/下料点周边的三维地理信息数据[H]M×N是一个二维数组，该数组的元素H i,j表示公路周边坐标为(xi,yj)位置处的地形高度(i＝1,2,…,M；j＝1,2,…,N；M和N分别是x和y方向的地形数据采样点数量)。插值生成索道路径的二维地形曲线：根据索道路径的上/下料点位置和三维地理信息，采用线性插值、三次卷积插值或三次样条曲线插值等插值方式生成索道路径的二维地形曲线。
本发明中使用插值生成二维地形曲线的主要流程如图4所示：
(1)生成线段：在水平面内直线连接上/下料点生成线段。
(2)分割线段：按一定间隔(二维地形采样间隔Δs)分割所生成的线段，得到分割点的x,y坐标。
(3)计算分割点高度值：根据三维地形数据和分割点的x,y坐标插值生成各分割点的高度数据，所选用的插值方法可以是线性插值、三次卷积插值和三次样条曲线插值等。
步骤2和步骤3具体包括：
自动设置索道中间支架：根据索道路径的二维地形曲线，以及中间支架选取原则(索道承载索曲线必须高于地面，相邻支架间的距离不大于400m)，基于地形自适应法，设置索道的中间支架。
具体的获得索道路径的二维地形剖面之后，需要根据地形信息和货运索道中间支架选取原则(索道索道承载索曲线必须高于地面，相邻支架间的距离不大于400m)，设置索道的中间支架。本发明提出了一种基于地形自适应构建输电线路货运索道的方法，该方法在目标二维地形的上方建立一条单跨索道承载索曲线(承载索曲线的起点和终点分别位于上料点和下料点)，然后控制索道承载索曲线起点和终点逐渐下落靠近上料点和下料点；在下落过程中，承载索曲线会与地形发生干涉(当承载索曲线与地形剖面有交点时，认为承载索曲线与地形干涉)，每当干涉发生时，在最大干涉位置为索道添加一个中间支架(最大干涉位置为二维地形与承载索曲线在地形分割点处产生最大高度差的位置)，阻止干涉发生并使得承载索曲线适应地形，直至承载索曲线起点和终点分别与上料点和下料点重合。该单跨索道承载索曲线设为抛物线，其表达式如公式(1)所示。
式中：z0表示承载索曲线上的点相对曲线起点的高度值；x0表示承载索曲线上的点相对起点的水平距离；l表示承载索曲线的终点相对起点的水平距离；C表示承载索曲线的终点相对起点的高度值；f表示承载索曲线的跨中垂度，其取值范围为0.05×l～0.08×l。
该方法的原理可以通过图5进行进一步解释：首先分别在上料点和下料点位置设置a和d两点，在这两个点之间建立索道承载索曲线，判断承载索曲线是否与地形干涉；如果不干涉，那么上料点和下料点之间只需要建立一个单跨索道即可；如果干涉，同时向上平移a点和d点，直到承载索曲线与地形之间仅有一个干涉点。然后，在该干涉点处设置中间支架b和中间支架c，并分别在a点和b点以及c点和d点之间建立承载索曲线。同时，将a点和d点向下移动一定的距离，判断a和b之间的承载索曲线以及c和d之间的承载索曲线与地形是否干涉，并分别找到最大干涉位置1和2。在此基础上，将中间支架b和c分别移动到两个最大干涉点位置，并重复在a点和b点以及c点和d点之间建立新的承载索曲线、下移a点和d点、寻找最大干涉点等步骤，直至a点和d点回到上料点和下料点，即可得到所有中间支架的位置。用这种方法生成的中间支架未考虑支架间距过大的问题，也未考虑最大干涉点与已有支架之间的索道和地形之间可能会存在干涉点的问题，因此需要对所有相邻支架之间的索道进行进一步优化。
还需要对自动生成的索道进行合理性判断判断索道是否全部满足以下条件：总长度小于3000m、相邻支架跨距大于20m、中间支架数量不大于7个、弦倾角小于45°等。若满足，输出索道信息；否则，输出：“不适合建立索道”。
输入如图3所示的地理信息数据、上料点位置、下料点位置，运行程序，自动输出如图7所示的能够将物料从上料点运输到下料点的索道路径信息。
实施例2：
本发明所提出的一种基于地形自适应构建输电线路货运索道的方法中支架设置可按在如图6所示的步骤实现：
(1)初始化承载索曲线：将上料点位置坐标赋值给点a，将下料点位置坐标赋值给点d；然后在a点和d点间建立承载索曲线并判断该曲线与地形是否干涉；如果干涉，同步向上平移点a和点d，直至承载索曲线与地形有且只有一个干涉点，将干涉点增列为中间支架并将干涉点位置坐标赋值分别给点b和点c；如果不干涉，转到第(3)步。
(2)下移点a和d，寻找中间支架：同时将a点和d点向下平移高度位移增量Δh，在a点和b点间以及c点和d点间建立承载索曲线e和f，分别判断承载索曲线e和f与地形是否干涉。如果干涉，将最大干涉点设为中间支架并将点b和点c分别移动到其所对应的承载索曲线的最大干涉点位置。然后判断点a和点d是否回到上/下料点。如果已经回到上下料点，进行下一步，否则，循环执行第(2)步。
(3)上/下料点设为支架：将上/下料点分别增列为起点/终点支架。
(4)优化跨距过大的相邻支架：在所有间距大于400m的相邻支架间增加新的支架，然后找出所有相邻支架间的承载索曲线与地形曲线的最大干涉点，增设新的支架。不断循环增设支架，直到索道的所有档距都不大于400m且所有承载索曲线与地形之间都不存在干涉点。
(5)删除多余支架：从索道起点开始，依次找出每个支架后方的、与它相距不超过400m、距它最远且与它之间的承载索曲线与地形不干涉的支架，删除这两个支架中间的所有多余支架。
实施例3：
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种基于地形自适应构建输电线路货运索道的系统，包括：曲线生成模块、曲线构建模块、支架设置模块和索道生成模块；
所述曲线生成模块，用于基于上料点位置信息和下料点位置信息结合三维地理信息数据插值生成二维地形曲线；
所述曲线构建模块，用于在所述二维地形曲线上，基于上料点位置和下料点位置建立承载索曲线；
所述支架设置模块，用于基于所述承载索曲线与所述二维地形曲线的干涉情况，向上和向下移动所述承载索曲线确定中间支架的位置；
所述索道生成模块，用于基于上料点、下料点和中间支架确定输电线路货运索道。
优选的，所述曲线生成模块包括：切面确定子模块、采样子模块、高度定位子模块和曲线生成子模块；
所述切面确定子模块，在水平面内直线连接上料点和下料点生成线段；
所述采样子模块，对所述生成线段按设定断面地形采样间隔分割成多个线段，得到分割点处的坐标；
所述高度定位子模块，基于所述三维地理信息数据和分割点处的坐标插值生成各分割点的高度数据；
所述曲线生成子模块，以上料点和下料点生成的线段在水平面上的投影为横轴，垂直所述投影方向为纵轴，基于所述分割点的高度数据生成二维地形曲线。
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
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。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
