基于三維GIS技術的輸電線路地理信息系統(tǒng)的設計與實現(xiàn).doc

摘要針對當前計算機圖形及GIS技術的發(fā)展和電力系統(tǒng)輸電線路管理需求的特點，本文以輸電線路地理信息系統(tǒng)平臺為例，研究了如何利用現(xiàn)有的數(shù)字高層模型（DEM）及相應算法實現(xiàn)海量三維地表模型的構建和如何運用設計模式的構造方法實現(xiàn)輸電設備的關聯(lián)組合等問題，并通過建立方位數(shù)據(jù)中間層的方法將地表數(shù)字高層模型、輸電設備三維模型及各類屬性信息有機的結合在一起，從而滿足了輸電線路GIS系統(tǒng)的各類維護及查詢要求，并為該平臺日后成為線路設計、培訓模擬等高層應用的平臺構建了良好的開放性框架。 1引言隨著計算機技術的飛速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS）在整個電力行業(yè)中得到了越來越廣泛的應用。將GIS引入配電管理系統(tǒng)（DMS），并與用電MIS，負荷管理及SCADA等子系統(tǒng)相結合，為各級管理人員提供一套簡單、迅速、方便的配電網(wǎng)運行管理系統(tǒng)已成為現(xiàn)代電力企業(yè)提高管理水平和工作效率的有效手段。然而，目前在電力系統(tǒng)中廣泛應用的主要還是基于二維坐標的GIS系統(tǒng)，其空間表現(xiàn)和分析能力都有很大的局限性。輸電線路是位于地理空間中的人工構建物，其線路距離長，通過地區(qū)的地理條件比較復雜，與眾多電力線路和通訊線路交叉跨越，并且通常會通過居民區(qū)、公園和其它特殊區(qū)域。輸電線路及其桿塔位置與地理空間位置密切相關，特別是在垂直方向上的層次信息尤為重要，這使得二維地理信息系統(tǒng)無法達到其管理的需求。近年來，計算機圖形學的發(fā)展和計算機硬件性能的成倍提高使得三維表現(xiàn)技術日益完善，通過這些技術，我們能夠構造更接近于現(xiàn)實的三維地表模型和各類設備模型，使得GIS系統(tǒng)從二維向三維發(fā)展。本文通過運用三維GIS技術，結合模式設計方法，提出了一種構建三維輸電線路GIS系統(tǒng)的方法，并在實際的工程中得到了實現(xiàn)。2三維輸電線路GIS系統(tǒng)的的特點及其實現(xiàn)難點相對于二維的GIS系統(tǒng)，三維輸電線路GIS在其實現(xiàn)過程中有著明顯的特點和實現(xiàn)難點，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）在三維GIS中，無論是基于矢量結構還是基于柵格結構，對于不規(guī)則地學對象的精確表達都會遇到大數(shù)據(jù)量的存儲與處理問題。在輸電線路GIS系統(tǒng)中，一條完整的線路往往要延續(xù)幾十甚至幾百公里，這使得相應的數(shù)字地面模型規(guī)模巨大，加上眾多的河流、道路、居民區(qū)等地表特征物模型和數(shù)以千萬計的輸電設備模型，導致整個三維場景結構復雜。如果沒有較好的數(shù)據(jù)模型和管理策略，系統(tǒng)難以達到預定的顯示效果，更談不上良好的交互式界面。（2）在二維配網(wǎng)GIS系統(tǒng)中，一般用點狀或線狀等抽象符號表達電力設備，無法直觀的顯示設備本身的結構和相互間的關聯(lián)；在三維GIS系統(tǒng)中，模擬真實的輸電設備（如桿塔、絕緣子、輸電線）是虛擬現(xiàn)實的基本要求，這使得模型本身會變得比較復雜，甚至要進行組合構造。以桿塔為例，不但每個桿塔的高度、塔頭有差別，而且其包含的絕緣子也會根據(jù)桿塔的類型、方位、旋轉角度甚至與其它桿塔的關聯(lián)性而有不同的表現(xiàn)方式，因此，選用合理的設計模式和組織方法來處理電力設備對象也是實現(xiàn)輸電GIS系統(tǒng)的一個重點。（3）三維輸電線路GIS系統(tǒng)是一個集數(shù)字地表模型、輸電設備模型和各類相關地理、設備信息數(shù)據(jù)的綜合管理平臺，如何將這幾類數(shù)據(jù)有機的結合在一起，以提供良好的交互式查詢和維護功能，是系統(tǒng)整體性的要求。由于當前還沒有比較成熟的三維空間數(shù)據(jù)庫技術，運用中間層技術將傳統(tǒng)關系數(shù)據(jù)庫和三維模型庫相關聯(lián)是一種可行的折中方案。3三維輸電線路GIS系統(tǒng)的構建和技術實現(xiàn)31三維輸電線路GIS系統(tǒng)的體系結構設計針對三維GIS的技術特點和輸電線路管理的基本需求，作者在參考了其它一些成品GIS軟件和輸電線路管理系統(tǒng)的基礎上，提出了該系統(tǒng)的三層體系結構，如圖1所示?；谀壳斑€沒有比較成熟的三維空間數(shù)據(jù)庫解決方案，在三維GIS系統(tǒng)中的三維模型數(shù)據(jù)（如數(shù)字地表模型、地表特征物模型及輸電設備模型等）和其在三維場景中的方位信息及相關屬性信息往往以不同的方式存儲，前者一般是文件格式，無法共享，而后者可以放在通用的關系數(shù)據(jù)庫中?？紤]到模型在場景中的變化主要是位置變化，我們?yōu)槊恳活愒O備或地物建立相應的三維模型原形，形成模型原形庫，然后在系統(tǒng)運行時為場景中要顯示的每個輸電設備或其它要參與交互操作的模型個體建立一個實例，該實例從關系數(shù)據(jù)庫中得到相應的方位信息（如桿塔底部中心的大地坐標）和設備屬性信息，并同時記錄著一個或多個指向三維模型原形庫中的模型索引，如圖2所示。這些設備或其它特征物的實例結合起來就形成了一個記錄空間和屬性數(shù)據(jù)的中間層，它緊密的聯(lián)系著模型原形和設備信息之間的關系，但又使設備的表現(xiàn)（模型顯示）和設備內(nèi)部屬性相對分離。采用這種體系結構，不但可以很好的保證交互式操作的要求，而且大大節(jié)約了存儲空間（多個實例可公用一個模型原形），使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在一定程度上可以共享（每個客戶端用戶只要擁有相同的模型原形庫，就可以根據(jù)關系數(shù)據(jù)庫中的共享信息建立對應的輸電線路GIS場景）。32三維地表的動態(tài)建模及設備模型的顯示輸電線路所在地域的地形一般比較復雜且范圍較廣，相應的地表模型需要有效的表面建模技術。針對復雜特征目標的三維表示，可以采用混合使用基于不規(guī)則三角形網(wǎng)（TIN）和方格網(wǎng)的表面描述方法。采用TIN結構，可以靈活、逼真、快速的建立具有任意邊界形狀的目標模型，這對于空間查詢和分析結果的三維表示極為重要。碎部等級（LOD）方法是一種解決大數(shù)據(jù)量三維地形顯示和管理的優(yōu)化方法，它將復雜目標以不同的質(zhì)量等級進行預處理和存儲，繪制算法根據(jù)屏幕上目標的大小來決定用哪個圖形來顯示。遠離視點的目標顯示得小且不會有質(zhì)量的可見損耗，可用極快的速度以低級的LOD方式顯示出來。運用LOD方法，我們可以在兩個方面對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行顯示優(yōu)化：一是為地形建立具有不同細致等級的DEM層次體系，用層塊行列的層次結構組成DEM數(shù)據(jù)的空間索引，它允許對數(shù)據(jù)的快速存取而不管其數(shù)據(jù)量的大小，且具有無縫性，從而保證在同一時刻構成地表模型的TIN數(shù)目為一個恒定值，最大限度的提高用戶的交互效率；二是對場景中代表輸電設備的三維模型進行分層管理：首先，利用輸電線路的松耦合性，在查詢或維護某條輸電線路時，可對屬于其它線路的設備模型進行消隱操作（跨越模型除外）；其次，可根據(jù)設備地理位置離屏幕視點的距離大小用不同復雜度的模型原形來表示設備實例，即讓各個設備實例保留幾個不同細致程度的模型原形的索引，當該設備實例距離屏幕較遠時，用簡單的模型顯示，當距離屏幕較近時，用比較復雜的模型進行顯示，這樣能夠減少許多三維場景中渲染、變換和效應的工作，提高界面的刷新速度。33設計模式在輸電設備建模中的運用設計模式是對被用來在特定場景下解決一般設計問題的類和相互通信的對象的描述，它可以使我們更加方便的復用成功的設計和體系結構1。三維輸電線路GIS系統(tǒng)中的設備實例管理是一項比較復雜的工程。從整個系統(tǒng)看，它們只是一組帶有方位坐標的點或線元素，但從設備層次的角度看，輸電設備種類繁多，而且很多設備本身是由其它種類的設備組合而成（如帶有不等數(shù)量的絕緣子的桿塔），再加上每個設備實例和其它實例具有很強的耦合性（如桿塔移動會帶動其所屬絕緣子的移動，而絕緣子的移動會改變線路走向，從而影響相鄰桿塔絕緣子的方位），使得設備層次結構復雜，如果沒有良好的設計和層次結構，相應的設備管理程序會變得復雜且難以維護。運用對象結構型模式COMPOSITE（組合），我們可以用樹形結構來表示輸電設備的層次關系和相互關聯(lián)，如圖3所示。該模式使得單個設備和組合設備的使用接口具有一致性，不但保證了整個設備對象層次清晰，而且可方便地加入新的電力設備層，而不用改動已有的用戶接口程序。另外，我們還用工廠方法（Factory Method）的模式設計方法來定義各種不同桿塔模型的模板，使用戶可以方便的加入各類單回路或雙回路的塔型。對于設備實例在三維場景中的模型顯示，也可通過代理（Proxy）模式將模型顯示與對象實體分離，這也體現(xiàn)了整個系統(tǒng)中間層的概念。4三維輸電線路GIS系統(tǒng)實現(xiàn)的功能及其特點三維輸電線路GIS系統(tǒng)結合了虛擬現(xiàn)實和GIS的技術特點，使用戶可以在三維的空間中認識和管理輸電系統(tǒng)，它不但包含了二維GIS的AMFM等基本功能，也使得一些依賴于高層信息的查詢和管理功能成為可能，其主要功能如下：（1）將目標范圍內(nèi)的地表特征和輸電網(wǎng)用三維模型形象化，并提供斷面圖、桿塔定位圖和三維立體模型圖；在三維場景中可進行漫游、縮放、旋轉及飛行等操作；（2）多方式方便快捷地查詢?nèi)我惠旊娋€路的有關數(shù)據(jù)資料，包括線路的電壓等級、連接方式、起止點、回路數(shù)、路徑長度、導線型號等設備屬性，并可直觀地在三維場景中顯示耐張段；（3）多方式方便快捷地查詢輸電線路任一桿塔的空間位置及其單線圖、結構圖、桿塔材料表等信息，可查看實物圖象及相關文檔；（4）結合對應的二維GIS系統(tǒng)，可在三維和二維系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)互動，即通過二維圖上的精確定位來實現(xiàn)桿塔、線路等設備管理和維護；（5）通過飛行或漫游，查詢線路經(jīng)過的跨越物，并對跨越物進行統(tǒng)計和管理；（6）通過模擬淹沒，可查詢洪水災害對輸電線路設備的影響；（7）可對線路運行與檢修的技術資料進行功能強大的管理，查詢線路運行管理的有關規(guī)程規(guī)定、技術生產(chǎn)指標圖表、線路維護、檢修技術記錄等，形象地提供歷史上發(fā)生事故的類型、次數(shù)和位置等信息；（8）能選出最佳搶修路線，標注上山路口，以便盡快恢復供電。5實例運用作者用本文研究的幾個主要技術方法，結合軟件工程的基本思想，開發(fā)了一套基于三維GIS技術的輸電線路管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括的區(qū)域范圍將近500平方公里，地表模型用數(shù)字地圖生成，并將河流、湖泊、公路、居民區(qū)等地表特征物以面的形式覆蓋在數(shù)字地表模型上。系統(tǒng)在運行初期只包含了一條含60多個桿塔的輸電線路，但其提供相應功能使用戶可以任意增加其它的輸電線路。通過在現(xiàn)場的實際運用，該系統(tǒng)可以在中等硬件水平的PC電腦上較好的實現(xiàn)各項交互功能，完成系統(tǒng)理論上應提供的功能。該GIS系統(tǒng)的全景圖如圖4所示。6總結與展望本文根據(jù)三維GIS的技術特點和輸電線路管理的需求，通過合理的利用三維模型構建和模式設計方法，提出了一種基于三維GIS技術的輸電線路地理信息系統(tǒng)的設計方案和實現(xiàn)方法，并在輸電管理系統(tǒng)中得以實現(xiàn)。由于本系統(tǒng)采用合理的軟件體系和模塊化設計模式，將來也可以方便的成為維修模擬培訓、雷電區(qū)域分析和輸電線路設計等高層應用軟件的數(shù)據(jù)平臺。隨著計算機圖形技術的飛速發(fā)展和硬件水平的不斷提高，三維GIS將是整個電力行業(yè)GIS的發(fā)展方向。我們生活在一個充滿三維物體的三維世界中，只有基于三維的GIS系統(tǒng)才能讓人們更加直觀、形象的認識和理解地理和設備信息，從而提高管理水平和工作效率。參考文獻1Erich Gamma，Richard Helm，Ralph Johnson，John VlissidesDesign PatternsM北京：機械工業(yè)出版社（China Machine Press），20002Rick Germ，GertVan Maren