三維輸電線路GIS的構(gòu)建和技術(shù)實(shí)現(xiàn)研究

鄭浩勇++高磊

摘 要：將三維可視化GIS用于電力信息系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需要。該文探討了數(shù)據(jù)組織與空間索引方法、多源數(shù)據(jù)的集成與管理等幾種電力信息系統(tǒng)中三維GIS關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，論文初步探討了三維輸電線路GIS系統(tǒng)的構(gòu)建方法，相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：電力信息系統(tǒng) 三維GIS 關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：TM726 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（c）-0001-03

由于電力信息系統(tǒng)中的輸電線路和桿塔等設(shè)施是以三維空間形式存在的，各種線路在三維空間上存在著不同程度和方式的交叉和重疊，因此目前二維GIS對于完整地描述電力信息系統(tǒng)對象是有一定限制的。而三維GIS能以其真實(shí)可視化效果生動地再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)景觀，直觀地表達(dá)電力信息系統(tǒng)中對象同周圍地理環(huán)境在空間上的相互關(guān)系，并將有關(guān)電力信息系統(tǒng)的各種信息綜合起來，建立一個虛擬的環(huán)境，在這樣的虛擬環(huán)境中來規(guī)劃和設(shè)計(jì)電力信息系統(tǒng)中的輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)及電站等，并采用一定的突進(jìn)查詢分析相關(guān)對象的屬性信息，同時進(jìn)行相應(yīng)的專業(yè)電力分析，這是二維GIS所無法比擬的。但到目前為止，有關(guān)三維GIS在電力信息系統(tǒng)中的應(yīng)用仍處于研究和探索階段。

把三維可視化GIS技術(shù)納入到電力信息系統(tǒng)方面的應(yīng)用同時要借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、遙感技術(shù)、可視化技術(shù)、組件技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的有力支撐。這些技術(shù)將電力設(shè)備及其相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施、功能設(shè)施數(shù)字化，建立起數(shù)據(jù)庫，并通過計(jì)算機(jī)高速通信網(wǎng)絡(luò)相連接，為電力信息系統(tǒng)提供高度自動化、智能化的規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程施工、線路搶修、維護(hù)管理與統(tǒng)計(jì)分析等功能，為各相關(guān)部門提供多專業(yè)、多層次、多目標(biāo)的綜合服務(wù)。在這個過程中，有多種數(shù)據(jù)的參與，包括地形DEM數(shù)據(jù)、表現(xiàn)地表景觀的DOM、矢量數(shù)據(jù)DLG、多種地物數(shù)據(jù)、紋理、描述性文本資料，同時還有圖片、聲音和錄像等多種媒體數(shù)據(jù)，這種多源的數(shù)據(jù)需要采用一定的方法進(jìn)行集成與管理，并采用一定的數(shù)據(jù)組織與空間索引方法。對于海量的、大范圍的電力線路數(shù)據(jù)漫游，則需利用動態(tài)裝載的方式。電力信息系統(tǒng)有其自成一體的框架和體系，它不僅包含空間信息的處理與分析，而且還包括非空間信息的管理，這要求三維GIS以松散的方式去耦合，采用組件技術(shù)是一種較好的思路。

1 數(shù)據(jù)組織與空間索引方法

1.1 數(shù)字地面模型DTM

輸電線路是位于地理空間中的人工建筑物，線路距離長，通過地區(qū)地理?xiàng)l件復(fù)雜，有平地、丘陵、沼澤、森林、田地、公路、鐵路、河流、湖泊等。它與眾多電力線路、通訊線路交叉跨越，還常常通過居民地、公園、風(fēng)景名勝保護(hù)區(qū)。因此其架線構(gòu)網(wǎng)的基礎(chǔ)是三維地形的構(gòu)建。電力線的架設(shè)需要在大比例尺的地形上設(shè)計(jì)，而所要處理的大比例尺高精度地形數(shù)據(jù)又十分復(fù)雜，故可采用靈活的不規(guī)則三角網(wǎng)TIN結(jié)構(gòu)這種常用的方式來形成數(shù)字地面模型（DTM）。數(shù)字地形模型（Digital Terrain Mode，簡稱DTM），是在空間數(shù)據(jù)庫中存儲并管理的空間地形數(shù)據(jù)集合的統(tǒng)稱，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述。地形表面形態(tài)的屬性信息一般包括高程、坡度、坡向等。它是建立不同層次的資源與環(huán)境信息系統(tǒng)不可缺少的組成部分。在信息系統(tǒng)分析和評價空間信息并以此為依據(jù)進(jìn)行規(guī)劃和決策時，十分注重地表屬性的三維特征，諸如高度、坡度、坡向等重要的地貌要素，并使這些要素成為地學(xué)分析和生產(chǎn)應(yīng)用中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 不規(guī)則三角網(wǎng)TIN

不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）是數(shù)字地面模型DTM表現(xiàn)形式之一，該法利用實(shí)測地形碎部點(diǎn)、特征點(diǎn)進(jìn)行三角構(gòu)網(wǎng)?；诓灰?guī)則三角形建模是直接利用野外實(shí)測的地形特征點(diǎn)（離散點(diǎn)）構(gòu)造出鄰接的三角形，組成不規(guī)則三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)。采用TIN結(jié)構(gòu)，可以靈活、逼真、快速地建立具有任意邊界形狀的目標(biāo)模型，這對于空間查詢和分析結(jié)果的三維表示極為重要。相對于規(guī)則格網(wǎng)，不規(guī)則三角網(wǎng)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）三角網(wǎng)中點(diǎn)和線的分布密度和結(jié)構(gòu)完全可以與地表的特征相協(xié)調(diào)，直接利用原始資料作為網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)。（2）不改變原始數(shù)據(jù)和精度。（3）能夠插入地形線以保存原有關(guān)鍵地形特征。（4）能很好地適應(yīng)復(fù)雜、不規(guī)則地形，從而將地表的特征表現(xiàn)得淋漓盡致。

但是數(shù)據(jù)量大、圖形結(jié)構(gòu)復(fù)雜是采用TIN的最大困難所在，尤其是在線路較長的情況下數(shù)量更加巨大，問題更加突出，其有效的數(shù)據(jù)組織與管理自然就成了一個關(guān)鍵問題。從離散的大地點(diǎn)到DTM的生成，關(guān)鍵技術(shù)在于內(nèi)插方式的選擇。使用內(nèi)插方式的主要問題在于難以選擇合適的鄰域點(diǎn)集合以及權(quán)重的定義，特別是對于很破碎的地形情況，很容易產(chǎn)生地形失真。相比之下，TIN由于可以適應(yīng)各種數(shù)據(jù)分布，并能方便地處理斷裂線、構(gòu)造線、不連續(xù)的地表等數(shù)據(jù)，故很容易顧及地形特征進(jìn)而能生成質(zhì)量較高的DEM而備受人們的青睞。

為了提高不規(guī)則三角網(wǎng)的查尋速度，采用了分塊索引、分層的邊界框和R-trees技術(shù)用來支持快速的索引和搜索。分塊大小的確定在很大程度上也會影響數(shù)據(jù)檢索的效率。為了恰當(dāng)確定分塊大小，一般要計(jì)算三角形的平均邊長，并考慮整個區(qū)域的大小。

2 多源數(shù)據(jù)的集成與管理

2.1 多源數(shù)據(jù)的形成

利用三維可視化GIS來規(guī)劃設(shè)計(jì)和管理輸電配電網(wǎng)要涉及多種不同類型、來源的數(shù)據(jù)。首先是構(gòu)成三維景觀的基本地形數(shù)據(jù)：數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)DEM，矢量圖形數(shù)據(jù)DLG；其次是表現(xiàn)景觀的影像數(shù)據(jù)DOM；另外是多種地物信息和屬性信息，如電力線、桿塔模型、絕緣子、電站、編碼、顏色、材質(zhì)、紋理、描述性文本資料，同時還有圖片、聲音和錄像等多媒體數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的格式也各不相同：不同格式的DEM數(shù)據(jù)是一系列高程信息，地表景觀需要大量的遙感或航空影像數(shù)據(jù)，輸電線路、街道是三維線狀數(shù)據(jù)，房屋建筑為體狀地物；還有來自不同軟件制作的模型數(shù)據(jù)：如由AutoCAD得到的DXF二維矢量地物，由3DMAX得到的3DS模型數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)庫中除了管理大比例尺地形和高分別率影像數(shù)據(jù)外，三維建筑物、電力線及桿塔形狀的重建和繪制、表面性質(zhì)的描述和材質(zhì)參數(shù)都已成為數(shù)據(jù)庫的一部分。一個成熟的3D數(shù)據(jù)庫包括幾何關(guān)系數(shù)據(jù)、照片紋理和其他附加信息數(shù)據(jù)，加起來將達(dá)到幾千億個字節(jié)的數(shù)據(jù)。如果系統(tǒng)中的桿塔模型是通過3DMAX建立的3DS模型，一條線路上成千上百個模型的數(shù)據(jù)加上長大線路的影像數(shù)據(jù)常常會達(dá)到幾十甚至上百個GB。如此復(fù)雜、龐大的海量數(shù)據(jù)必須進(jìn)行有效的組織和管理。

2.2 多源數(shù)據(jù)的管理

在三維電力GIS中對于數(shù)據(jù)的管理是一個關(guān)鍵性問題。不同類型的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作上都存在很大的不同，因此必須提供不同類型數(shù)據(jù)的一體化管理。對不同介質(zhì)、不同來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理、分析是實(shí)現(xiàn)三維可視化GIS融入到電力信息系統(tǒng)的必備功能之一。

（1）空間數(shù)據(jù)庫引擎SDE。把GIS數(shù)據(jù)放在RDBMS中，但是一般的RDBMS都沒有提供GIS的數(shù)據(jù)類型（如點(diǎn)、線、多邊形以及它們之間的拓?fù)潢P(guān)系和投影坐標(biāo)等相關(guān)信息），RDBMS只提供了少量的數(shù)據(jù)類型支持： int、float、double、long、char等，一般都是數(shù)字、字符串和二進(jìn)制數(shù)據(jù)幾種。并且RDBMS不僅沒有提供對GIS數(shù)據(jù)類型的存儲，也沒有提供對這些基礎(chǔ)類型的操作（如：判斷包含關(guān)系，相鄰、相交、求差、距離、最短路徑等）。ESRI公司推出的空間數(shù)據(jù)庫引擎（Spatial DatabaseEngine，簡稱SDE）是目前國際上領(lǐng)先的GIS數(shù)據(jù)處理的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型，用以支持超大型空間數(shù)據(jù)庫管理以及在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中對多用戶并發(fā)空間數(shù)據(jù)訪問的快速訪問的快速響應(yīng)方面的應(yīng)用。SDE采用真正的客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，是高性能、面向目標(biāo)的空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并提供一系列用于管理和訪問大型分布式地理數(shù)據(jù)的功能，由一個多線程的空間數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和客戶應(yīng)用程序接口（API）組成。

（2）Oracle數(shù)據(jù)庫。傳統(tǒng)的文件管理由于在數(shù)據(jù)共享、并發(fā)控制等方面存在弱點(diǎn)，無法成為海量數(shù)據(jù)管理的主流，而數(shù)據(jù)庫的發(fā)展就成了必然的趨勢。近幾年發(fā)展起來的對象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫如Oracle對海量的空間數(shù)據(jù)管理有它獨(dú)特的優(yōu)勢。Oracle是以高級結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）為基礎(chǔ)的大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫，通俗地講，它是用方便邏輯管理的語言操縱大量有規(guī)律數(shù)據(jù)的集合，是目前最流行的客戶/服務(wù)器（Client/Server）體系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫之一。采用Oracle數(shù)據(jù)庫完成對非GIS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的管理。

3 三維輸電線路GIS系統(tǒng)的構(gòu)建和技術(shù)實(shí)現(xiàn)

基于上述關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)了基于衛(wèi)星三維影像的輸電線路綜合信息管理系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

“基于衛(wèi)星影像的電力線路三維信息系統(tǒng)”分為3個部分，包括電力線路地理綜合信息數(shù)據(jù)庫、高精度三維可視化平臺和電力線路綜合應(yīng)用服務(wù)功能模塊。系統(tǒng)的電力線路地理綜合信息數(shù)據(jù)庫主要包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫和電力相關(guān)信息數(shù)據(jù)庫?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫存儲和管理了研究區(qū)域各級分辨率的遙感圖像數(shù)據(jù)、各種比例尺的數(shù)字高程模型等基礎(chǔ)地理信息，以及電力設(shè)施三維模型數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的地理空間基準(zhǔn)下，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、一體化管理。電力相關(guān)信息數(shù)據(jù)庫存儲和管理了電力線路數(shù)據(jù)、桿塔、T接、變電站、線路周邊環(huán)境等與電力業(yè)務(wù)相關(guān)的資料數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)在基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的支撐下，以高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建研究區(qū)域高精度、大范圍的數(shù)字三維環(huán)境，并能加載建筑物和電力設(shè)施三維模型，以及各種地標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域三維仿真顯示，為電力線路業(yè)務(wù)綜合應(yīng)用提供可視化平臺。

在數(shù)據(jù)庫和可視化平臺支持下，為用戶提供多種電力線路業(yè)務(wù)綜合應(yīng)用功能模塊。用戶能對研究區(qū)域進(jìn)行線路三維巡視漫游、多種信息查詢檢索、電力輔助決策和地形量測分析。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)途徑

（1）設(shè)備的真實(shí)反映。

將電力線路上的各種設(shè)備對照圖紙，等比例建模。在系統(tǒng)中按照施工圖進(jìn)行線路架設(shè)，桿塔上的絕緣子、金具、防震錘、消雷器等的數(shù)量和位置都與現(xiàn)場一一對應(yīng)，真實(shí)反映線路情況。

（2）直觀反映交叉跨越。

由于交叉跨越點(diǎn)的線路故障具有一定的普遍性，因此針對交叉跨越的分析和統(tǒng)計(jì)尤為重要。系統(tǒng)直觀反映線路的交叉跨越以及新增的交叉跨越（包括交叉跨越下方電力線路）情況，對跨越點(diǎn)的地形地貌進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。當(dāng)發(fā)生交叉點(diǎn)跨越故障，可以在系統(tǒng)中迅速查找受影響線路和設(shè)備以及周邊情況。

（3）二維與三維切換。

系統(tǒng)將二維和三維完美結(jié)合，二維全面反映整個電網(wǎng)，三維反映局部信息。在二維中選取某條線路將直接定位到三維，直觀反映這條線路的實(shí)際情況。

（4）模型組合。

三維應(yīng)用就是對現(xiàn)實(shí)對象進(jìn)行建模，并導(dǎo)入應(yīng)用系統(tǒng)中。電力系統(tǒng)中的各種對象，不可能一一進(jìn)行建模，數(shù)量多，無法修改，如：某個桿塔上增加一個絕緣子都要重新建模。進(jìn)行模型組合，省去了建模的復(fù)雜過程。只需利用系統(tǒng)提供的功能根據(jù)實(shí)際選取需要的幾種模型組合在一起。

（5）剖面分析。

架設(shè)一條線路，需要跨越很多山川、河流。利用剖面分析功能，分析桿塔之間的跨越對象。

（6）多源、多類型、多維信息集成技術(shù)。

實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感影像、各種比例尺基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)有機(jī)集成，使區(qū)域縮放漫游中涉及到圖像和數(shù)字高程模型時，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多來源、多分辨率衛(wèi)星遙感影像和多維信息的高效率顯示。

（7）高效三維地形引擎算法的實(shí)現(xiàn)。

三維數(shù)字地形環(huán)境是承載三維電力線路信息，進(jìn)行區(qū)域三維地理環(huán)境生成和顯示的基礎(chǔ)。針對三維環(huán)境仿真的特殊要求和地形數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用了一種符合生理視覺特征的全新地形模型表示方法——LOD模型，依據(jù)視線的視向、視閾及其場景離視點(diǎn)的遠(yuǎn)近來決定場景中地形塊的繪制分辨率，提高顯示效率的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了大范圍地形的實(shí)時動態(tài)交互顯示。

（8）基于Google Sketchup建模軟件的三維目標(biāo)建模。

三維目標(biāo)的建模是對其進(jìn)行仿真顯示和模擬的基礎(chǔ)，目前許多商品化的造型軟件如3DMAX、Multigen、Softimage、Lightwave等均提供了功能強(qiáng)大的編輯制作三維實(shí)體模型的功能，其中3DMAX在三維目標(biāo)建模與仿真可視化方面具有許多其他軟件所沒有的獨(dú)特優(yōu)勢，在這里將其作為首選的三維建模工具，并將三維模型保存為標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)文件（如3DS、FLT等），通過編寫統(tǒng)一的軟件接口，實(shí)現(xiàn)其在三維環(huán)境中的模擬顯示。

（9）桿塔信息查詢的實(shí)現(xiàn)。

在系統(tǒng)中進(jìn)一步開發(fā)子模塊，生成桿塔照片、材料情況、缺陷等所需信息并可點(diǎn)擊進(jìn)行記錄并查詢，實(shí)現(xiàn)對輸電線路的科學(xué)管理。

4 結(jié)語

將三維可視化GIS用于電力信息系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需要。對于經(jīng)濟(jì)社會中電力信息系統(tǒng)的規(guī)劃決策領(lǐng)域而言，將GIS提供的區(qū)域規(guī)劃與供電能力相結(jié)合可解決供電能力不適應(yīng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的問題等，從而正確規(guī)劃區(qū)域的整體布局和發(fā)展重點(diǎn)；通過GIS的模擬、虛擬功能，對電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，推導(dǎo)出可視化表示結(jié)果，為最終供電能力預(yù)測、決策提供科學(xué)的依據(jù)，改造現(xiàn)有電網(wǎng)，規(guī)劃新電網(wǎng)；利用GIS可實(shí)現(xiàn)的地理網(wǎng)絡(luò)分析功能來確定最優(yōu)化布線，保證配電線路的傳輸暢通，資源得到高效合理的利用；根據(jù)MIS的管理功能和三維GIS直觀形象的特點(diǎn)，可及時定位排除故障，便于設(shè)備的維修和管理。三維可視化GIS不但可以用于電力信息系統(tǒng)，同時可以為交通建設(shè)、城市規(guī)劃、水利建設(shè)、民航規(guī)劃等領(lǐng)域服務(wù)。

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