二三維一體化的電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)建設(shè)

【摘要】 電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)在傳統(tǒng)二維以及三維地理信息系統(tǒng)已有的空間查詢、分析、展示功能的基礎(chǔ)上，通過對緊密型二三維一體化方法的研究，實(shí)現(xiàn)了二三維一體化的電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)建設(shè)，在二三維一體化的場景下，提供真實(shí)模擬電網(wǎng)場景、設(shè)備管理、變電站機(jī)器人巡檢、城市模型渲染、氣象信息展示等應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 二三維一體化 電網(wǎng)應(yīng)用 地理信息系統(tǒng)

Abstract：Based on existing spatial queries and analysis and display function of the traditional 2D and 3D Grid Geographic Information System， through the study of closely the type of 2D and 3D integration method， achieved Integration Construction of 2D and 3D Grid Geographic Information System. In the scene of 2D and 3D integration， Grid Geographic Information System provided the applications that contain real scene simulation grid， equipment management， substation inspection robot， city model rendering， meteorological information display and so on.

Keywords：2D and 3D integration； grid applications； geographic information system

一、前言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，面對越來越密織的電網(wǎng)，復(fù)雜的電力設(shè)備，時(shí)刻變化的負(fù)荷信息，以及人們對供電質(zhì)量、環(huán)保、電力市場化體制改革等問題的日益關(guān)注，傳統(tǒng)電網(wǎng)管理方式已經(jīng)很難滿足電網(wǎng)的建設(shè)和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求，電力規(guī)劃、運(yùn)行、營業(yè)部門必須對極其龐大繁雜的信息進(jìn)行采集、存儲、分析和快速處理。近幾年，國內(nèi)各省網(wǎng)公司和直屬單位的“SG186”一體化企業(yè)級信息集成平臺建設(shè)已陸續(xù)完成，為建設(shè)“縱向貫通、橫向集成”的數(shù)字化信息化電網(wǎng)奠定了重要基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)改造和發(fā)展的合理規(guī)劃，提高電能的質(zhì)量和供電可靠性，提高電力設(shè)備運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性，需要進(jìn)一步深入應(yīng)用現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)和地理信息技術(shù)用于電網(wǎng)管理，將各種圖形、地圖、數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一共享。

傳統(tǒng)電網(wǎng)技術(shù)的不斷完善和新電網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，給電網(wǎng)管理帶來了新的挑戰(zhàn)。如何處理復(fù)雜數(shù)據(jù)、增強(qiáng)應(yīng)急響應(yīng)能力、提高服務(wù)質(zhì)量，已成為管理者越來越重視的問題。借助于三維地理信息技術(shù)的日趨成熟，建設(shè)基于三維信息平臺的二三維一體化電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)，在三維場景中一體化真實(shí)模擬電網(wǎng)場景、設(shè)備管理、變電站機(jī)器人巡檢、城市模型、氣象信息展示等，正成為提高電網(wǎng)運(yùn)行水平、保障運(yùn)行質(zhì)量和效率的趨勢。

二、二三維一體化關(guān)鍵技術(shù)

二三維一體化電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)借助二維GIS的空間查詢、分析、統(tǒng)計(jì)功能，三維GIS漫游、模型渲染、三維分析等功能，突破了空間信息在二維平面上抽象表現(xiàn)，為用戶創(chuàng)建一個(gè)直觀的、帶地理參考的、精確的三維數(shù)據(jù)場景，將分析結(jié)果經(jīng)過后臺運(yùn)算后再在三維客戶端進(jìn)行表現(xiàn)，為信息判讀和空間分析提供更好的工具，為電網(wǎng)運(yùn)營、設(shè)計(jì)提供更直觀的平臺。

目前大部分二三維結(jié)合GIS系統(tǒng)以松散型為主，即將二三維子系統(tǒng)集成于同一個(gè)系統(tǒng)中，二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)分別在二維窗口和三維窗口中獨(dú)立渲染，子系統(tǒng)之間通過接口和協(xié)議進(jìn)行通信。實(shí)現(xiàn)緊密型的二三維一體化系統(tǒng)，必須突破二三維的低水平結(jié)合，即由二維GIS提供數(shù)據(jù)及各種服務(wù)，由三維系統(tǒng)實(shí)時(shí)渲染其自身的數(shù)據(jù)以及二維系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。其中的核心問題是如何在三維系統(tǒng)中渲染二維數(shù)據(jù)。通常二維系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)無法在三維系統(tǒng)中直接渲染，將二維數(shù)據(jù)作為一個(gè)圖層以紋理的形式疊加到三維地形表面是解決此問題的一條途徑，而實(shí)現(xiàn)二維圖層的實(shí)時(shí)快速渲染是其關(guān)鍵。本平臺針對此問題提出了基于LOD的二維圖層與三維地形疊加的渲染構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)了二三維渲染的同步。

在Windows操作系統(tǒng)中，二維應(yīng)用程序通過GDI調(diào)用硬件設(shè)備驅(qū)動程序接口（DDI）渲染，其渲染構(gòu)架可以抽象為下圖中的左虛線框部分，即系統(tǒng)經(jīng)過對二維數(shù)據(jù)分析運(yùn)算、空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等操作得到最終結(jié)果數(shù)據(jù)，然后通過GDI調(diào)用相關(guān)的硬件設(shè)備接口，將結(jié)果數(shù)據(jù)以二維符號的形式輸出到顯示介質(zhì)上。而三維應(yīng)用程序則使用Direct3DAPI調(diào)用硬件設(shè)備驅(qū)動程序接口輸出三維場景，即三維地形渲染由地形渲染引擎將地形數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)經(jīng)過三維空間變換后輸入三維渲染管道中，由Direct3DAPI調(diào)用相關(guān)的硬件設(shè)備接口進(jìn)行場景渲染。由于地形及其影像紋理的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出硬件的處理能力，因而渲染高質(zhì)量的地形需要高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。通常使用LOD模型組織數(shù)據(jù)，根據(jù)一定的規(guī)則簡化被渲染目標(biāo)，渲染時(shí)根據(jù)被渲染目標(biāo)相對于觀察者（鏡頭）的距離選擇不同的細(xì)節(jié)程度渲染，越近則細(xì)節(jié)程度越高。基于LOD的地形渲染構(gòu)架如下圖右虛線框部分所示，渲染引擎通過LOD規(guī)則選取那些可見部分的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕笊傻匦雾旤c(diǎn)數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)輸出到硬件設(shè)備的渲染管道中，由圖形顯卡進(jìn)行最終的輸出和渲染。

由于二維應(yīng)用程序與三維應(yīng)用程序采取不同的技術(shù)構(gòu)架，因此二者的渲染不能直接結(jié)合。但可以將二維系統(tǒng)的輸出作為三維系統(tǒng)的輸入，由三維渲染引擎將二維圖層疊加到三維地形上，從而實(shí)現(xiàn)二三維系統(tǒng)渲染的有機(jī)結(jié)合。基于LOD二三維疊加渲染的工作流程下圖中間部分所示：三維地形引擎根據(jù)LOD規(guī)則向二維系統(tǒng)發(fā)出紋理請求；二維系統(tǒng)將指定范圍內(nèi)的地圖輸出為一張圖片，返回到三維系統(tǒng)中；三維系統(tǒng)以紋理的形式將返回的圖層圖片疊加到地形表面上。緊密型二三維結(jié)合系統(tǒng)構(gòu)架將二維系統(tǒng)作為三維系統(tǒng)的一個(gè)圖層來渲染。二維系統(tǒng)為三維系統(tǒng)提供紋理服務(wù)及其它服務(wù)，三維系統(tǒng)向二維系統(tǒng)發(fā)出紋理、空間查詢、空間分析等請求。二維系統(tǒng)接收到參數(shù)后，調(diào)用相應(yīng)的方法，并將結(jié)果返回到三維系統(tǒng)，由三維系統(tǒng)負(fù)責(zé)渲染；二維系統(tǒng)也可以保留自己的界面，實(shí)現(xiàn)二三維聯(lián)動和對比。

在數(shù)據(jù)統(tǒng)一方面，平臺通過對二維GIS空間數(shù)據(jù)引擎進(jìn)行拓展，增加高度信息字段，使空間數(shù)據(jù)引擎同時(shí)支持二維視圖和三維視圖的功能需求，將二維和三維數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行存儲和管理，同時(shí)在.NET窗口嵌入二維GISCOM組件，實(shí)現(xiàn)二三維同時(shí)顯示。這樣充分利用二維的數(shù)據(jù)資源和三維的可視化效果與分析功能，在數(shù)據(jù)源統(tǒng)一的前提下實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的二三維一體化協(xié)同設(shè)計(jì)。

總之，在本平臺的設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中，主要從以下兩個(gè)方面著手進(jìn)行研究。

2.1數(shù)據(jù)存取方式的統(tǒng)一

二維地理信息系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，積累了大量的數(shù)據(jù)資源，電力系統(tǒng)中用到的各類專題圖都已二維的形式存儲。要充分利用原有的數(shù)據(jù)資源，平臺必須要兼容二維的數(shù)據(jù)格式，同時(shí)為了保證數(shù)據(jù)的唯一性和準(zhǔn)確性，二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)必須存在同一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)來源。為了達(dá)到這樣的目的，本平臺設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲與讀取的接口，并對原有的二維數(shù)據(jù)表進(jìn)行擴(kuò)展，加入了存儲高程的字段，使二維的數(shù)據(jù)與三維的數(shù)據(jù)進(jìn)行兼容。

2.2數(shù)據(jù)展示效果的統(tǒng)一

在二三維一體化的設(shè)計(jì)中，二維視圖和三維視圖要做到緊密的統(tǒng)一。二維和三維窗口都可以通過比例尺和地圖中心點(diǎn)來定位，但是由于三維窗口中使用的數(shù)據(jù)為WGS84地理坐標(biāo)，原始數(shù)據(jù)沒有經(jīng)過投影，而是渲染過程中動態(tài)投影，因此二維與三維的投影必須保持一致才能使二維和三維視圖的對象形狀、大小完全相同。由于二維和三維使用的同一套數(shù)據(jù)，所以二維的原始數(shù)據(jù)也是未經(jīng)投影的地理坐標(biāo)，所以二維窗口也要動態(tài)投影。

三、系統(tǒng)主要功能應(yīng)用

3.1無人機(jī)巡線

系統(tǒng)提供飛機(jī)巡線模擬仿真功能，為真實(shí)的無人機(jī)巡檢提供支撐。用戶可直接在三維場景中規(guī)劃無人機(jī)巡檢線路，設(shè)置航線類型（左單邊航線、右單邊航線、閉合航線），根據(jù)結(jié)果生成無人機(jī)飛行路線，同時(shí)支持巡檢路徑的導(dǎo)入導(dǎo)出。提供對需要模擬飛行的線路的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，對完成參數(shù)設(shè)置的線路進(jìn)行巡線模擬飛行，對接入的真實(shí)無人機(jī)飛行線路進(jìn)行飛行回放。（圖6）

3.2變電站巡檢

實(shí)現(xiàn)試點(diǎn)變電站的機(jī)器人在線監(jiān)控，監(jiān)控的內(nèi)容主要包括以下內(nèi)容：變電站機(jī)器人是面對變電站一次設(shè)備進(jìn)行檢測，主要包括紅外熱像儀、可見光攝像機(jī)、拾音器等檢測系統(tǒng)，獲取紅外熱圖、可見光圖片、音頻、錄像等原始數(shù)據(jù)。針對原始數(shù)據(jù)依據(jù)變電設(shè)備巡檢規(guī)范、紅外測溫導(dǎo)則，對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行識別、診斷分析，產(chǎn)生測溫?cái)?shù)據(jù)、刀閘分合、開關(guān)分合、儀表讀數(shù)、異物破損狀態(tài)、音頻狀態(tài)，將數(shù)據(jù)提供給生產(chǎn)系統(tǒng)和綜合自動化系統(tǒng)。

系統(tǒng)為機(jī)器人系統(tǒng)提供運(yùn)動同步展示和缺陷告警的顯示，提供機(jī)器人行走道路、機(jī)器人?？奎c(diǎn)、機(jī)器人充電室等示意模型。以不同視角（機(jī)器人視角、區(qū)域視角、全景視角）進(jìn)行三維顯示，一次設(shè)備模型根據(jù)實(shí)際的分合狀態(tài)進(jìn)行展示，同步展示機(jī)器人采集的數(shù)據(jù)。（圖7）

3.3氣象信息展示

根據(jù)接入的實(shí)時(shí)性氣象數(shù)據(jù)、災(zāi)害性天氣，地質(zhì)災(zāi)害、森林火險(xiǎn)、精細(xì)化數(shù)據(jù)，臺風(fēng)、雷電等重大災(zāi)害性、關(guān)鍵性、轉(zhuǎn)折性天氣等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，在圖形中以不同的狀態(tài)符號進(jìn)行顯示展示，內(nèi)容主要包括以下內(nèi)容：氣象信息預(yù)報(bào)的展示，主要以文本或以圖片的方式按照不同時(shí)間段等的形式進(jìn)行預(yù)報(bào)展現(xiàn)。不同災(zāi)害性天氣如森林火險(xiǎn)、地質(zhì)災(zāi)害等天氣狀況按危害等級程度不同進(jìn)行顏色渲染，并將不同的預(yù)報(bào)預(yù)警以區(qū)域范圍的形式展示，為做好預(yù)警和應(yīng)急保障，為電網(wǎng)重要線路走廊提供預(yù)警研判支撐。高溫、暴雪、暴雨等災(zāi)害性天氣將依據(jù)氣象災(zāi)害可能造成的危害程度、緊急程度和發(fā)展態(tài)勢，分別發(fā)布不同級別的預(yù)警信號信息。（圖8）

3.4三維電網(wǎng)分析

（1）電網(wǎng)設(shè)備淹沒分析

通過指定區(qū)域和水淹高度實(shí)現(xiàn)水體淹沒的分析及模擬；通過指定區(qū)域和水淹高度計(jì)算得到水淹范圍，依據(jù)水淹范圍計(jì)算水體體積；通過指定區(qū)域和水淹高度計(jì)算得到水淹范圍，依據(jù)水淹范圍快速查詢范圍內(nèi)的變電站，輸電線路桿塔等電力設(shè)施。

（2）線路緩沖區(qū)分析

通過指定線路和參考分析圖層，設(shè)置緩沖區(qū)半徑、分析類型（電網(wǎng)資源類型或基礎(chǔ)地理對象類型）、分析方式（包含、相交等），進(jìn)行緩沖區(qū)分析，根據(jù)緩沖區(qū)范圍分析相關(guān)內(nèi)容，將分析結(jié)果在圖形中高亮顯示；將分析結(jié)果以列表方式顯示分析結(jié)果的詳細(xì)信息；可以對分析結(jié)果進(jìn)行快速定位。

（3）線路剖面分析

自動生成指定線路的截面以及地形剖面圖，模擬實(shí)際線路弧垂；實(shí)現(xiàn)在剖面圖上任意高度和長度的測量。

（4）交叉跨越分析

指定線路和參考分析圖層，系統(tǒng)能夠自動分析出指定線路存在的交叉跨越的對象，在三維場景中高亮顯示分析結(jié)果，同時(shí)在交叉點(diǎn)提示高程差以及線的交叉角度；使用報(bào)表的形式將分析結(jié)果列出；可以對交叉對象快速定位。（圖9）

3.5二三維一體化

用戶通過二三維一體化展示功能，實(shí)現(xiàn)二維、三維之間的聯(lián)動，可以在二維和三維互相切換，二維與三維之間顯示的范圍始終保持一致。提供二三維設(shè)備相互定位的功能，二維中選擇某一電網(wǎng)設(shè)備，可以定位到三維中的該設(shè)備，在導(dǎo)航樹中選擇某一電網(wǎng)設(shè)備，可以定位到二維中的該設(shè)備，反之亦然。（圖10）

3.6輔助規(guī)劃設(shè)計(jì)

系統(tǒng)提供在三維場景中選定目標(biāo)地點(diǎn)立塔，設(shè)定桿塔屬性（高度、絕緣子類型、金具類型等）和導(dǎo)線段屬性（弧垂值、線材等），系統(tǒng)自動快速地建立仿真線路，在三維場景中正確展示設(shè)計(jì)線路的桿塔、絕緣子、金具等模型掛接關(guān)聯(lián)，根據(jù)設(shè)備類型與三維模型進(jìn)行仿真匹配。實(shí)現(xiàn)對桿塔、絕緣子、金具和導(dǎo)線庫的維護(hù)，包括基礎(chǔ)信息、設(shè)備三維模型匹配信息等，能夠?qū)U塔、絕緣子、金具以及導(dǎo)線型號進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)可以調(diào)整弧垂相關(guān)參數(shù)，根據(jù)三維選線線路路徑以及選定的設(shè)備型號，結(jié)合模型匹配及弧垂參數(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)線路的三維高效仿真。

系統(tǒng)對變電站選址提供輔助分析功能，能夠根據(jù)變電站不同電壓等級匹配不同的三維模型，根據(jù)選址位置在三維場景中自動加載顯示，根據(jù)選址原則及規(guī)劃位置，在三維場景中進(jìn)行變電站選址，選址區(qū)域?yàn)槎噙呅螀^(qū)域，選址完成后加載變電站三維模型，根據(jù)污穢區(qū)域及地質(zhì)條件對變電站選址位置進(jìn)行校驗(yàn)，同時(shí)對選址范圍內(nèi)的現(xiàn)狀輸電線路、規(guī)劃設(shè)計(jì)線路進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果在三維場景上進(jìn)行展示，并輸出統(tǒng)計(jì)報(bào)表。實(shí)現(xiàn)對選址范圍內(nèi)的土方進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為該區(qū)域內(nèi)的挖方數(shù)據(jù)和填方數(shù)據(jù)，同時(shí)用戶可以設(shè)置土方計(jì)算的高程值。（圖11）

四、結(jié)語

二三維一體化的電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)通過對緊密型二三維一體化技術(shù)的研究，構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)字化電網(wǎng)，建設(shè)開放式的、面向企業(yè)級應(yīng)用的電網(wǎng)地理信息服務(wù)平臺，提升電網(wǎng)的精益化管理水平，為各類業(yè)務(wù)應(yīng)用提供有力支撐，服務(wù)于智能電網(wǎng)的空間信息資源共享，為智能電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行提供輔助決策，為智能電網(wǎng)的自愈、可靠提供基礎(chǔ)支撐，為政府及相關(guān)部門提供電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施共享服務(wù)。

參 考 文 獻(xiàn)

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