電力GIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

施文波++俞君杰++李校驍

摘 要： 電力GIS是我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)需要使用的關(guān)鍵信息技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃、氣象、配電管理等方面。該系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)建立逼真的地理環(huán)境及重要的建筑物、桿塔、變電站等三維模型，沿布重要桿塔線路以達(dá)到建立完整的電網(wǎng)模型并實(shí)現(xiàn)空間分析功能的目的。系統(tǒng)采用Clipmap作為大規(guī)模地形渲染技術(shù)，成功地展示了高清的地理數(shù)據(jù)、模型等。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了線路、電力設(shè)備的瀏覽、編輯、管理和信息顯示輸出等功能，增強(qiáng)了信息的科學(xué)管理和綜合分析，有效地提高了電網(wǎng)的管理效率。

關(guān)鍵詞： DEM數(shù)據(jù)； 高分辨率遙感影像； 大規(guī)模地形渲染； Clipmap技術(shù)； 電力GIS

中圖分類號(hào)： TN915.853?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）21?0155?04

Design and realization of electric power GIS system

SHI Wenbo， YU Junjie， LI Xiaoxiao

（Jiangsu Electric Power Information Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210029， China）

Abstract： Electric power GIS is one of the key information technologies to satisfy the power grid construction in China， and widely used in power grid construction planning， weather， and power distribution management. The main function of the proposed system is to achieve the purposes of establishing the integrated power grid model and realizing the spatial analysis function by building the 3D model of the realistic geographic environment， the important buildings， towers， substations， and the important tower transmission line along with the construction. The Clipmap is taken as the large?scale terrain rendering technology by the system， the high definition geographic data and models are displayed successfully. The functions of browsing， editing and management of the circuit and electric power equipment， and information display output in the system are realized. The scientific management and comprehensive analysis of information are enhanced， and the management efficiency of the power grid can be improved greatly.

Keywords： DEM data； high?resolution remote sensing image； large?scale terrain rendering； Clipmap technology； electric power GIS

0 引 言

三維GIS（Geographic Information System，三維地理信息系統(tǒng)[1]）是由傳統(tǒng)的二維GIS發(fā)展而來(lái)，能夠同時(shí)表達(dá)和描述空間對(duì)象間的平面關(guān)系和垂向關(guān)系，它是將現(xiàn)實(shí)世界中獲得的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、存儲(chǔ)、編輯、查詢、模擬并輔助決策支持的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其空間坐標(biāo)都參加圖形顯示的運(yùn)算。相比于二維GIS，三維GIS在對(duì)客觀世界的表達(dá)方面能給人以更真實(shí)的感受，它以三維立體的造型技術(shù)給用戶展現(xiàn)更真實(shí)的地理空間現(xiàn)象，不僅能夠表達(dá)空間對(duì)象間的平面關(guān)系，而且能夠描述表達(dá)它們之間的垂向關(guān)系。高精度三維GIS系統(tǒng)通過(guò)建立更加逼真的地理環(huán)境，清晰的建筑物模型、桿塔、變電站等三維模型和完整的電網(wǎng)模型，并且通過(guò)加強(qiáng)空間分析功能，把電網(wǎng)和地理信息很好地結(jié)合起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)線路、電力設(shè)備的瀏覽、編輯、管理和信息顯示輸出等功能，實(shí)現(xiàn)信息的科學(xué)管理和總體分析，有效提高電網(wǎng)的管理效率，降低線路運(yùn)行維護(hù)成本。

現(xiàn)有的一些GIS軟件，如Skyline，ArcGIS等，更多的是一種通用平臺(tái)，他們對(duì)高精度三維系統(tǒng)的支持不夠，普遍存在以下問(wèn)題：高精度模型加載到場(chǎng)景后信息有丟失，無(wú)法真實(shí)地再現(xiàn)原始模型；同時(shí)在場(chǎng)景中出現(xiàn)多個(gè)高精度模型時(shí)，上述兩款軟件都會(huì)出現(xiàn)操作延遲，瀏覽不流暢，甚至出現(xiàn)軟件崩潰的情況。部分產(chǎn)品在表達(dá)線路時(shí)僅能以簡(jiǎn)單的線條展示出桿塔間的線路，無(wú)法展示線的弧度。由于這些產(chǎn)品的三維GIS引擎在表達(dá)三維模型時(shí)均不夠精細(xì)，無(wú)法滿足高精度三維電網(wǎng)建模的需求。另外，考慮到電力企業(yè)安全及相關(guān)保密數(shù)據(jù)，例如電力設(shè)備臺(tái)賬、桿塔、變電站坐標(biāo)，實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)等，這使得完全獨(dú)立研發(fā)一套三維GIS系統(tǒng)成為一種最好的選擇。

本文主要結(jié)合公司目前正在研究的三維GIS系統(tǒng)，分析了它的技術(shù)點(diǎn)、系統(tǒng)架構(gòu)及應(yīng)用情況。

1 三維GIS系統(tǒng)功能架構(gòu)

三維GIS系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)，三維GIS引擎，功能組件，二次開發(fā)接口等組成。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要由影像數(shù)據(jù)、DEM高程、矢量數(shù)據(jù)三部分構(gòu)成，數(shù)據(jù)服務(wù)根據(jù)當(dāng)前視角范圍計(jì)算出對(duì)應(yīng)的三維圖像數(shù)據(jù)并供前臺(tái)使用，它是三維GIS系統(tǒng)的底層支撐，是影響三維展示效果的關(guān)鍵因素。

系統(tǒng)采用免費(fèi)的30 m影像圖及30 m DEM高程數(shù)據(jù)作為三維GIS系統(tǒng)的粗模，對(duì)高精度地圖數(shù)據(jù)的要求是：2.5 m影像圖，30 m DEM或者0.5 m影像圖，5～15 m DEM，局部地區(qū)采用0.25 m影像圖及5 m DEM或更高精度。對(duì)地圖數(shù)據(jù)的高標(biāo)準(zhǔn)要求是為了在更為清晰、真實(shí)的地形地貌上建立電力設(shè)備模型，以達(dá)到系統(tǒng)逼真顯示的目的，同時(shí)為三維空間分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)通過(guò)計(jì)算影像數(shù)據(jù)及DEM高程數(shù)據(jù)向前臺(tái)提供相應(yīng)的場(chǎng)景圖像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將三維地理場(chǎng)景數(shù)據(jù)生成模塊與前臺(tái)渲染模塊分離，達(dá)到高內(nèi)聚、低耦合的效果，并且將生成的場(chǎng)景圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)壓縮后傳輸，所需帶寬保持在1 MB/s左右，性能足以達(dá)到系統(tǒng)需要。

三維GIS引擎支持多種數(shù)據(jù)庫(kù)，具備大規(guī)模地形渲染、碰撞檢測(cè)、特效編輯等功能，為基于三維地理數(shù)據(jù)的高級(jí)應(yīng)用提供了開發(fā)接口。

功能組件由素材庫(kù)編輯組件、線路沿布、空間分析服務(wù)等組成，它們的功能是否強(qiáng)大，取決于三維圖像引擎的水平和二次開發(fā)能力。

2 圖像引擎

2.1 大規(guī)模地形渲染

由于GIS地形及影像數(shù)據(jù)通常都十分龐大，江蘇全省的5 m數(shù)字高程容量有40 GB，0.5 m衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)容量達(dá)到5 TB，不可能全部載入內(nèi)存，需要一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)配的機(jī)制，快速地將當(dāng)前視野范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)載入，并將超出視野范圍的數(shù)據(jù)釋放。由于三維渲染的特點(diǎn)是透視效果，近大遠(yuǎn)小，即靠近視點(diǎn)的區(qū)域所占的屏幕區(qū)域大，遠(yuǎn)處所占的屏幕區(qū)域小，因此本系統(tǒng)采用Clipmap技術(shù)[2]作為地形渲染技術(shù)，以視點(diǎn)為中心向周圍發(fā)散，并隨視點(diǎn)的移動(dòng)更新每個(gè)層次的內(nèi)容。

Geometry Clipmap算法是由Losasso和Hoppe在2004年提出的基于GPU優(yōu)化的LOD算法[2]。Clipmap充分利用了GPU的批量渲染能力，系統(tǒng)將高程圖以二維紋理的形式存儲(chǔ)，直接存儲(chǔ)在顯存中，采樣過(guò)程及高程值更新直接由GPU芯片來(lái)完成。對(duì)地形數(shù)據(jù)則是把地形劃分為固定大小的塊，使用改進(jìn)的異步多線程的后臺(tái)數(shù)據(jù)載入方式，保證海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)加載，并對(duì)處于視錐體的每個(gè)地形塊建立一個(gè)四叉樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行LOD 簡(jiǎn)化。

Geometry Clipmap 算法是一種紋理結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)和渲染策略，它的結(jié)構(gòu)如圖2所示，每層紋理有最大尺寸ClipSize，Clipmap分為Clipmap Stack和Clipmap Pyramid兩部分。首先，對(duì)原始的高程大紋理創(chuàng)建Mipmap，再把每一個(gè)Mipmap層分割為大小為ClipSize的矩形網(wǎng)格。在定點(diǎn)著色器中，根據(jù)當(dāng)前像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的紋理坐標(biāo)，計(jì)算出所要采樣的紋理貼圖的等級(jí)，獲得具體的高程數(shù)據(jù)。當(dāng)視點(diǎn)移動(dòng)時(shí)Clipmap Pyramid不進(jìn)行更新，直接采樣和過(guò)濾，因?yàn)楦叱碳y理全部存儲(chǔ)在里面，需要更新的只是Clipmap stack中的紋理數(shù)據(jù)，保持其中的紋理數(shù)據(jù)與當(dāng)前的視點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。

2.2 特效編輯

系統(tǒng)的3D特殊效果主要模擬電力設(shè)置面對(duì)的特殊場(chǎng)景，如風(fēng)雨天氣、煙火、光照等，還有很多特定的效果。在場(chǎng)景中，光照的效果在很大程度上會(huì)影響到場(chǎng)景的美觀和真實(shí)性，在場(chǎng)景的設(shè)置中，添加了光照陰影工具，可以根據(jù)需求，自主設(shè)置光源的位置，光源包括點(diǎn)光源、探照燈光源、平行光源等。系統(tǒng)的難點(diǎn)在于如何優(yōu)化引擎的性能，使得系統(tǒng)能夠在最大程度上實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)光照的模擬。如果要為系統(tǒng)所有光源照向的物體表面做處理，則引擎需要非常多的資源完成光照效果，占用太多資源的后果就是系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性將受到挑戰(zhàn)。因此，本系統(tǒng)利用BSP?Portal技術(shù)[3]將參與渲染的幾何體和光源的總數(shù)量盡量降到最低，并且利用快速篩選的算法來(lái)處理動(dòng)態(tài)光源與移動(dòng)物體之間帶來(lái)的光照變化。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，光照系統(tǒng)能夠在保證圖像效果正確的基礎(chǔ)上，提高引擎的處理效率，并且達(dá)到實(shí)時(shí)渲染的效果。系統(tǒng)同時(shí)完成的還有通過(guò)粒子編輯水、火、電、霧等的特殊效果。

2.3 數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)分為柵格數(shù)據(jù)（衛(wèi)星影像、航拍圖、數(shù)字高程等）和矢量數(shù)據(jù)（區(qū)劃線、水域等點(diǎn)線表示的數(shù)據(jù)）兩種[2]。引擎支持IMG，GTiff等國(guó)際通用的GIS柵格數(shù)據(jù)格式。而數(shù)據(jù)接口采用GDAL開源GIS開發(fā)接口[4]，是目前國(guó)際上兼容性最好，支持格式最廣，運(yùn)行最穩(wěn)定，效率最高的開源GIS數(shù)據(jù)存取代碼庫(kù)。平臺(tái)直接使用測(cè)繪部門提供的原始影像文件，無(wú)需做任何后期處理，只要將文件路徑加入地形數(shù)據(jù)源隊(duì)列，即可高效地展示地形地貌。由于是直接訪問(wèn)原始影像文件，所以數(shù)據(jù)以文件形式保存，無(wú)需進(jìn)入常規(guī)數(shù)據(jù)庫(kù)；這樣節(jié)省空間，同時(shí)具有最高的訪問(wèn)效率，為Clipmap技術(shù)的動(dòng)態(tài)更新提供了性能保障。

3 功能組件

三維GIS系統(tǒng)功能組件有素材庫(kù)編輯、線路沿布、控件分析服務(wù)、地形數(shù)據(jù)維護(hù)組件等。本節(jié)重點(diǎn)介紹素材庫(kù)編輯和數(shù)據(jù)維護(hù)組件。

3.1 素材庫(kù)編輯

素材庫(kù)管理系統(tǒng)，是對(duì)平臺(tái)所需要使用的各類模型進(jìn)行管理[5]。仿真建立在仿真模型的基礎(chǔ)上，模型占據(jù)了相當(dāng)重要的一份，因?yàn)槟Ｐ秃筒馁|(zhì)的種類繁多、數(shù)量龐大，導(dǎo)致了素材庫(kù)管理的有效性直接影響整個(gè)平臺(tái)使用的合理性和簡(jiǎn)便性。所以系統(tǒng)建立一個(gè)便于管理，功能簡(jiǎn)潔的素材庫(kù)，如圖5所示。在這個(gè)素材庫(kù)管理系統(tǒng)中，有效地對(duì)素材庫(kù)進(jìn)行分類、對(duì)素材進(jìn)行管理、對(duì)素材使用最簡(jiǎn)單的方式進(jìn)行選擇。素材庫(kù)模塊的設(shè)計(jì)需要對(duì)素材正確管理。素材的正確分類和存儲(chǔ)直接關(guān)系著素材庫(kù)的管理。素材庫(kù)使用配置文件的方式按照要求進(jìn)行分類，可以分為需求給出的11類相關(guān)素材。提供所見即所得的素材庫(kù)管理和選擇界面。在素材庫(kù)的添加、刪除、修改上，直接對(duì)素材庫(kù)的配置文件進(jìn)行相關(guān)操作，同樣提供直觀界面方式，在此方式中，用戶不用面對(duì)繁瑣的配置文件和復(fù)雜的模型，直接使用界面方式對(duì)素材進(jìn)行管理。流行的模型制作工具主要是3DMAX和MAYA。對(duì)于這兩類的模型，素材庫(kù)管理提供界面可以直接使用，為了提高平臺(tái)的使用效率，還對(duì)這兩種模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化載入。

3.2 地形數(shù)據(jù)維護(hù)組件

地形數(shù)據(jù)維護(hù)模塊，即在使用真實(shí)底層數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)地形地貌進(jìn)行編輯整理。因?yàn)閿?shù)字高程數(shù)據(jù)精確度不夠，或者在某些細(xì)節(jié)部位有誤差，需要進(jìn)行局部或者大范圍的整理。在對(duì)地形數(shù)據(jù)的預(yù)想或者設(shè)計(jì)上，也需要此部分功能。該功能對(duì)地形進(jìn)行按要求修改，包括填平、升高、挖坑等一系列操作，同時(shí)還需要有可以進(jìn)行微調(diào)的工具，滿足細(xì)部要求。系統(tǒng)對(duì)地形的編輯出于兩種情況考慮：一是對(duì)已經(jīng)通過(guò)數(shù)字高程信息生成的真實(shí)地形進(jìn)行細(xì)化和修改；二是單獨(dú)創(chuàng)建一種符合展示的地形。對(duì)于這兩種情況，對(duì)編輯系統(tǒng)的要求有所不同。在第一種情況下，所有的編輯基本定義為精細(xì)編輯，屬于局部修改，在地形局部精細(xì)度不夠或者有所變差的情況下作修改。第二種是對(duì)基本數(shù)據(jù)進(jìn)行大規(guī)模修改，在這種情況下，需要原始地形，然后在此基礎(chǔ)上，對(duì)地形進(jìn)行大規(guī)模的修改，對(duì)地形起伏、地形表面材質(zhì)更改等。

4 三維GIS系統(tǒng)應(yīng)用情況及總結(jié)

公司已經(jīng)成功部署了一套三維GIS系統(tǒng)，用于展示全省500 kV線路。系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取相關(guān)500 kV桿塔坐標(biāo)、桿塔類型等信息，完成了線路半自動(dòng)沿布，目前該系統(tǒng)運(yùn)行良好。并且還沿布了特高壓交流工程的桿塔及線路，并結(jié)合二維平面GIS對(duì)工程中的重要跨越，河流湖泊及拆遷風(fēng)險(xiǎn)等進(jìn)行了展示。沿布線路如圖6所示。

隨著三維GIS系統(tǒng)功能的不斷完善，公司將不斷挖掘各類業(yè)務(wù)在此方面的應(yīng)用，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和業(yè)務(wù)融合，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的綜合展示，為公司各層面分析決策提供有力支撐，也為公司的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)工作提供可靠保障。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)電力GIS系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，將電網(wǎng)信息和地理信息進(jìn)行了有效融合，結(jié)合真實(shí)的三維地理地貌，展示了線路、設(shè)備真實(shí)所處的環(huán)境情況，為電力員工日常生產(chǎn)管理提供便捷的輔助工具，使生產(chǎn)管理更加信息化，極大地提升了電力信息化水平。

接下來(lái)的工作需要對(duì)已有的電力GIS進(jìn)行平臺(tái)化，包括：

（1） 平臺(tái)化。整個(gè)平臺(tái)在功能上劃分為三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)配置管理工具，用于對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組管理；平臺(tái)編輯端，對(duì)要展示的內(nèi)容進(jìn)行編輯；平臺(tái)展示端，結(jié)合后臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及三維展示內(nèi)容進(jìn)行展示；如此劃分將方便項(xiàng)目的實(shí)施部署。

（2） 二次開發(fā)包。平臺(tái)提供上層應(yīng)用的二次開發(fā)包，有利于平臺(tái)在不同領(lǐng)域的推廣。

（3） 支持多機(jī)渲染及幀同步。由于特定情況下需要在超高分辨率的環(huán)境下進(jìn)行展示，平臺(tái)能夠滿足多臺(tái)圖形工作站能夠共同渲染同一場(chǎng)景的需求，并且為了保證用戶與平臺(tái)互動(dòng)時(shí)響應(yīng)一致，平臺(tái)擁有多機(jī)幀同步的功能。

參考文獻(xiàn)

[1] 王繼周，李成名，林宗堅(jiān).三維GIS的基本問(wèn)題與研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003（24）：40?44.

[2] LOSASSO F， HOPPE H. Geometry clipmaps： terrain rendering using nested regular grids [C]// Proceedings of 2004 ACM SIGGRAPH. New York： ACM， 2004， 23（3）： 769?776.

[3] 宋曉宇，馮開平，許素霞.大規(guī)模室外場(chǎng)景漫游中入口問(wèn)題的研究[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)：專業(yè)版，2007（10）：28?30.

[4] 楊峰，陳立潮.基于三維GIS的海量數(shù)據(jù)可視化關(guān)鍵技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2011（7）：98?100.

[5] 朱國(guó)敏，馬照亭，孫隆祥，等.城市三維地理信息系統(tǒng)中三維模型的快速構(gòu)建方法[J].地理與地理信息科學(xué)，2007（4）：29?32.

[6] 閆俊生.三維地理信息系統(tǒng)中散亂點(diǎn)擬合曲面仿真方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（5）：118?120.