三維GIS技術(shù)在輸電線路可視化展示平臺中的研究

1、    三維gis技術(shù)在輸電線路可視化展示平臺中的研究    楊珂+吳發(fā)獻+楊先進+齊輝摘 要：在國家電網(wǎng)的信息化飛速發(fā)展的帶領(lǐng)下，輸電線路需求的迅速增長，三維gis技術(shù)作為一種能夠更加真實的再現(xiàn)輸電線路及其相關(guān)附屬設(shè)備的顯示技術(shù)，在電力行業(yè)具有廣泛運用。該文以輸電線路可視化展示平臺為例，研究如何利用現(xiàn)有的數(shù)字高程數(shù)據(jù)模型（dem）及相關(guān)算法實現(xiàn)海量三維地表模型的構(gòu)建和展示，并且通過建立數(shù)據(jù)中間層的方法將數(shù)字高程模型，輸電設(shè)備的三維模型及各類屬性信息有機結(jié)合在一起，從而實現(xiàn)輸電線路可視化展示平臺的各類維護及查詢要求。關(guān)鍵詞：輸電線路 三維gis 三維模型

2、：p208 ：a ：1674-098x（2017）01（a）-0039-03現(xiàn)今，電力系統(tǒng)的發(fā)展越來越高端，輸電線路電網(wǎng)也越來越繁密，電力設(shè)備的相關(guān)應(yīng)用也越來越復(fù)雜，但是為了促進科學(xué)化管理，gis技術(shù)在電力行業(yè)的大范圍發(fā)展中得到了廣泛應(yīng)用，特別是三維gis這一關(guān)鍵技術(shù)。輸電線路的各種交叉與重疊等復(fù)雜狀況以及輸電線路是位于地理空間中的人為建物，其線路距離長，通過地區(qū)地理環(huán)境較為復(fù)雜，與其他電力線路和通信線路有交叉跨越，并且會通過一些其他的特殊區(qū)域。輸電線路桿塔的位置與其所在的地理位置有著密切關(guān)系。為了更加直觀展現(xiàn)出輸電線路的全貌二維gis的應(yīng)用已經(jīng)不能滿足需求了，這種情況下二維gis的發(fā)展受到了

3、限制，而三維gis卻能夠明確直觀表達與再現(xiàn)。該文通過運用三維gis技術(shù)，結(jié)合模式設(shè)計方法，提出了一種構(gòu)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)。1 三維gis技術(shù)概述及其應(yīng)用現(xiàn)狀三維gis技術(shù)是gis技術(shù)的一個新興的發(fā)展方向。三維gis起源于二維gis技術(shù)。由于人們所生活的環(huán)境是一個三維空間，二維gis是簡單將投影與二維平面的模型，其本質(zhì)就是抽象的符號化系統(tǒng)。在描述人們所生活的空間中存在缺陷。恰好三維gis克服了這一缺陷。其以立體的展現(xiàn)形式技術(shù)給體驗者展現(xiàn)真實的地理空間現(xiàn)象，能夠清晰表達空間對象的平面關(guān)系。對空間對象進行三維空間分析、操作也是三維gis特有的功能。三維gis技

4、術(shù)的出現(xiàn)將gis技術(shù)推向了一個新的高度，應(yīng)用的范圍也越來越廣泛。從三維gis技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)角度來看，目前三維gis技術(shù)的發(fā)展主要有以下幾種趨勢。（1）應(yīng)用范圍從三維可視化領(lǐng)域向三維地理信息展示發(fā)展。這一特點與二維gis管理一樣，都是從可視化角度出發(fā)，其目的是將地理數(shù)據(jù)變?yōu)榭梢姷牡乩硇畔?。?）管理模式從分散數(shù)據(jù)庫向系統(tǒng)集成拓展。三維gis存儲與管理海量的空間信息和屬性信息，基于分散的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理，將三維可視化與三維空間對象相耦合，從而形成系統(tǒng)集成。目前，國內(nèi)外還沒有成熟完整的三維gis平臺，與三維gis技術(shù)相關(guān)的系統(tǒng)大多數(shù)集中在可視化方面。2 三維gis技術(shù)在輸電線路展示平臺中應(yīng)用到的主要

5、技術(shù)在輸電線路展示平臺中三維gis技術(shù)的應(yīng)用還需要結(jié)合相應(yīng)的電力通訊技術(shù)、全景可視化技術(shù)與計算機科學(xué)技術(shù)。正是因為這些技術(shù)的綜合性應(yīng)用，才使得三維gis技術(shù)中的某些關(guān)鍵技術(shù)得到可靠應(yīng)用。其中主要的技術(shù)有：空間索引與數(shù)據(jù)組織、多源化的數(shù)據(jù)庫集成與管理、海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)、影像金字塔技術(shù)等。具體闡述如以下幾點。2.1 空間索引和數(shù)據(jù)組織由于輸電線路所處的空間、地質(zhì)、地貌環(huán)境不同，所以輸電線路的分配也是不同的。采用靈活的三角網(wǎng)在地理建物的展示中顯得尤為重要。采用這樣的三角網(wǎng)可以更加方便快捷的建立所需目標(biāo)模型，也可以按照一定的比例在復(fù)雜的地形下架設(shè)輸電線路。2.2 多元化的數(shù)據(jù)庫集成與管理在三維模型數(shù)據(jù)

6、庫里的集合圖形與影像數(shù)據(jù)等其他數(shù)據(jù)通常是需要很多字節(jié)的，但是數(shù)據(jù)的字節(jié)越多就會造成數(shù)據(jù)量的龐大，因此，這就需要對這些數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理與優(yōu)化。在三維gis技術(shù)里面數(shù)據(jù)的管理是一項非常重要的技術(shù)。對數(shù)據(jù)庫的管理主要分為兩個方面的管理，分別為空間數(shù)據(jù)庫和oracale數(shù)據(jù)庫。2.3 海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)根據(jù)現(xiàn)有的經(jīng)驗與實踐結(jié)果表明，限制海量三維數(shù)據(jù)處理技術(shù)的因素主要有兩大方面，分別是幾何數(shù)據(jù)與紋理數(shù)據(jù)的龐大、地物數(shù)據(jù)種類繁多。根據(jù)這種技術(shù)的限制因素來講，這種技術(shù)主要運用有三個方面以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時三維漫游。（1）多級紋理交換技術(shù)。紋理貼圖對于三維場景的真實重現(xiàn)起著舉足輕重的作用。正射影像、房屋墻壁等都是使

7、用紋理貼圖實現(xiàn)的。一般來說，在三維場景中，紋理圖像的數(shù)據(jù)要占該場景所有數(shù)據(jù)量的90%甚至更多，如果解決好了紋理數(shù)據(jù)的問題，海量數(shù)據(jù)場景的管理和漫游問題也就迎刃而解。為了解決以上問題，采用“多級紋理交換”技術(shù)。該技術(shù)主導(dǎo)思想如下：將場景中使用到的紋理拼合成為大小一致的紋理塊；為每塊紋理生成5個細節(jié)等級的紋理，分別為0、1、2、3、4，其中1級紋理通過0級紋理1/4壓縮得到，2級紋理通過1級紋理1/4壓縮得到，依次類推；在顯示每個物體之前，計算該物體最終在屏幕上成像的大小，并以此決定該使用那一級的紋理；在內(nèi)存中建立紋理緩沖池，使用lru算法進行紋理塊的調(diào)度，確保使用頻率高的紋理調(diào)度次數(shù)盡可能少。（

8、2）多級幾何模型技術(shù)。大范圍三維場景包含眾多的頂點、頂點索引、三角形等幾何信息，一個50 km×50 km、間距為10 m的dem，僅網(wǎng)格點就要占據(jù)600m的空間。如此大的數(shù)據(jù)量，如果不作任何優(yōu)化，任何3d加速卡都無法實現(xiàn)實時渲染，更不用說高速漫游。lod（多級幾何模型技術(shù)）正是為了解決這一問題而出現(xiàn)的算法。lod的核心思想如以下幾點。將dem分塊；對于每塊dem，根據(jù)不同的閾值，抽取其中的關(guān)鍵點構(gòu)造三角網(wǎng)以生成不同細節(jié)等級（lod）的幾何模型；dem邊界上，各個細節(jié)等級的幾何模型使用相同的邊界信息；在渲染的時候，根據(jù)dem塊與視點的距離確定應(yīng)該使用哪一個細節(jié)等級的幾何模型。 （3）

9、數(shù)據(jù)分塊管理技術(shù)。大范圍場景的三維模型包含很多地物，對場景中的所有地物進行碰撞檢測、紋理調(diào)度等操作需要耗費大量時間，給提高場景漫游速度造成了障礙。解決該問題的途徑之一是對地物（包括地表數(shù)據(jù)）進行分塊，每塊自成一體，碰撞檢測等耗費cpu時間較多的操作均以“塊”為單位進行，這樣可以極大提高程序執(zhí)行效率。2.4 影像金字塔技術(shù)影像金字塔技術(shù)指的是在保持影像數(shù)據(jù)質(zhì)量毫發(fā)無損的前提下實現(xiàn)影像快捷提取與顯示，影像金字塔技術(shù)有壓縮無損壓縮和非壓縮兩種方案并同時支持文件和數(shù)據(jù)庫兩種存儲方式。通過影像金字塔技術(shù)多幅影像可以拼接成一個連續(xù)、無縫和無損的海量影像層。金字塔技術(shù)的基本原理是將d維數(shù)據(jù)空間分割為2d個金

10、字塔的集合，并提供了d維數(shù)據(jù)點到1維金字塔值的一一映射。這些值通過一種有序的一維索引結(jié)構(gòu)存儲和訪問。金字塔方法分割空間數(shù)據(jù)分為兩步：第一步，將數(shù)據(jù)空間劃分為2d個金字塔，這些金字塔以數(shù)據(jù)空間的中心（0.5，0.5，0.5）為頂點，以數(shù)據(jù)空間的（d-1）維表面作為基座。第二步，每個金字塔劃分多個平行于基座的部分，每個部分對應(yīng)于b+樹的一個數(shù)據(jù)項。3 三維gis技術(shù)在輸電線路展示平臺中的應(yīng)用3.1 模型間無縫連接隨著三維gis技術(shù)研究的不斷深入和實踐工作的不斷深入，三維gis技術(shù)在電力行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，在電力行業(yè)中最典型的應(yīng)用就是對輸電線路的三維場景建模，主要針對地物和設(shè)備，例如：建筑物、輸電桿

11、塔、樹木、絕緣子等其他電力設(shè)備，三維gis技術(shù)比較關(guān)注的是建筑物的外部結(jié)構(gòu)和形態(tài)，而不是內(nèi)部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因為畢竟是為了是用戶更加真實的再現(xiàn)輸電線路現(xiàn)場的場景。因此，選用cgs（結(jié)構(gòu)實體幾何法）模型類對地面模型進行描述。（如圖1）由于地形形態(tài)是一個連續(xù)的空間層面的曲面，而非人們所說的平面，因此，如果不對cgs模型進行任何處理，建筑物底面與地形表面處相交的部分就會存在裂縫，會影響整個平臺的可視化效果，看起來不真實，進而影響空間分析。由于tin可以以不同層次的分辨率來描述地形表面，對于粗糙不平底面的描述極具有優(yōu)勢，根據(jù)實踐的要求，可以將tin模型與cgs模型結(jié)合使用，從而實現(xiàn)模型間的無縫連接。3.2

12、 三維場景的顯示、查詢和空間分析利用三維gis技術(shù)強大的空間檢索與分析功能為輸電線路展示平臺提供了有力的技術(shù)可行性支持。顯示功能支持實現(xiàn)：可以顯示整個三維場景并且可以在其中進行漫游、縮放、旋轉(zhuǎn)以及飛行瀏覽等操作，顯示整條輸電線路包括導(dǎo)線、桿塔模型、絕緣子并且可以直觀顯示出線路的耐張段情況，可以沿著線路進行飛行模擬直觀展示線路的交叉跨越情況。查詢功能支持實現(xiàn)：在三維場景中可以快速查詢?nèi)我粭l線路及其相關(guān)屬性數(shù)據(jù)，包括線路的電壓等級、回路數(shù)、導(dǎo)線型號、桿塔的空間位置、絕緣子、金具等設(shè)備的信息?？臻g分析功能支持實現(xiàn)：淹沒分析，土石方體積計算、兩點通視分析、弧垂分析等功能。4 影響三維gis技術(shù)發(fā)展的因

13、素影像三維gis技術(shù)發(fā)展的因素分為促進與抑制兩個方面。（1）促進發(fā)展的因素有以下幾點。二維gis技術(shù)已經(jīng)擁有比較成熟的理論與技術(shù)，而且應(yīng)用到各行各業(yè)各領(lǐng)域。計算機科學(xué)技術(shù)的成熟與發(fā)展。為三維gis技術(shù)提供了堅實的理論基礎(chǔ)?？臻g數(shù)據(jù)庫與面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫的研發(fā)已經(jīng)進入商業(yè)化階段。（2）抑制發(fā)展的因素有以下幾點。由于遙感，數(shù)字測量技術(shù)發(fā)展的局限，三維gis地理數(shù)據(jù)的廉價獲取還相當(dāng)困難。三維gis技術(shù)所需要的數(shù)據(jù)量遠遠高于其他系統(tǒng)，目前海量數(shù)據(jù)的處理技術(shù)還處于初級階段，這就對三維gis技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了一定限制。三維gis技術(shù)的核心是三維空間數(shù)據(jù)庫，而三維空間數(shù)據(jù)庫的核心是數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計和三維數(shù)據(jù)模型，在

14、這方面缺少統(tǒng)一且權(quán)威的理論認(rèn)證?，F(xiàn)階段空間分析還處于二維分析階段，并非真正實現(xiàn)了三維的控件分析，且處于起步階段，這也是三維gis技術(shù)發(fā)展所面臨的問題之一。5 結(jié)論與展望三維gis技術(shù)和傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合而發(fā)展起來三維地理信息系統(tǒng)是，它除了擁有空間信息的分析、處理和組織功能等地理信息系統(tǒng)基本功能外而且有虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以直觀、真實反映事物的優(yōu)勢。輸電線路是電力系統(tǒng)重要的組成部分，具有明顯的地理特征等特點，因此，適合使用地理信息技術(shù)進行管理。將三維gis技術(shù)融合到輸電線路的管理中建立具有輸電線路特色的數(shù)據(jù)組織平臺不但解決二維地理信息系統(tǒng)無法解決一些輸電線路具有的特點，可為輸電線路的設(shè)計、施工和運維等工作提供良好的支持與服務(wù)。該文對三維gis技術(shù)在應(yīng)用過程中所涉及到的幾種技術(shù)進行闡述，發(fā)現(xiàn)這幾種技術(shù)對平臺所運用到的數(shù)據(jù)具有一定的整理作用。綜上所述，三維gis技術(shù)在輸電線路建設(shè)中的應(yīng)用，為輸電線路的管理、基礎(chǔ)設(shè)計修建、擴建與決策提供有力的信息支持。參考文獻1 唐躍中.數(shù)字化電網(wǎng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究d.浙江大學(xué)，2010.2 楊旭升，盛萬興，王孫安.多agent電網(wǎng)運行決策支持系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究j.電力系統(tǒng)自動化