基于WebGL的三維智慧輸電線路研究

楊大兵，譚弘武，宋金秀

(北京煜邦電力技術(shù)股份有限公司，北京 100028)

隨著我國電網(wǎng)的快速發(fā)展，超高壓、大容量、跨省區(qū)的輸電線路越來越多[1]，在長距離輸電通道沿途，由覆冰、大風(fēng)、高溫等自然災(zāi)害和樹木、交跨、山火等外力破壞引發(fā)大面積停電的風(fēng)險(xiǎn)因素長期存在，嚴(yán)重威脅到輸電線路的安全[2]。以人工為主的傳統(tǒng)輸電線路巡檢方式需要消耗大量的人力、財(cái)力、物力，且效率較低，不能實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)通道隱患，難以滿足當(dāng)前大規(guī)模的輸電線路巡檢工作[3]。

近年來，以直升機(jī)、無人機(jī)及其他移動(dòng)設(shè)備為載體的各種先進(jìn)巡檢技術(shù)得到了快速發(fā)展，可見光、紅外、紫外、激光掃描、傾斜攝影、360全景等技術(shù)在輸電巡檢領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，為輸電線路智慧巡檢提供了技術(shù)保障。構(gòu)建更加高效的遠(yuǎn)程智慧管控模式，全方位提升電網(wǎng)運(yùn)維水平，實(shí)現(xiàn)重要輸電線路及通道狀態(tài)實(shí)時(shí)可知可控，是提升輸電線路抵御各類災(zāi)害能力、降低大面積停電風(fēng)險(xiǎn)、確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的必然要求。

輸電線路三維可視化是輸電智慧巡檢建設(shè)與發(fā)展的重要組成部分[4]，利用激光點(diǎn)云、三維模型、DEM、DOM等技術(shù)，在三維場(chǎng)景中真實(shí)展示輸電通道及周邊的地物地貌。目前國內(nèi)外針對(duì)輸電線路三維可視化的研究仍以C/S或在瀏覽器上安裝插件等模式為主[5-6]，存在操作性復(fù)雜、兼容性差等問題[7-8]。隨著HTML5和WebGL技術(shù)的完善和發(fā)展[9]，在WEB端實(shí)現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)展示成為輸電線路三維可視化的應(yīng)用趨勢(shì)。本文深入研究了3D Tiles、WebGL、HTML5、多光譜、激光點(diǎn)云、分布式計(jì)算和多層架構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，基于B/S架構(gòu)，在WEB端集成Cesium 開源庫，研發(fā)了輸電線路三維可視化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了三維通道展示、三維量算、工況模擬分析、線路交跨分析、多光譜分析、植被生長分析及預(yù)警等功能，為輸電線路智能巡檢提供了信息支撐平臺(tái)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

輸電線路三維可視化平臺(tái)采用B/S架構(gòu)，基于MVC模式設(shè)計(jì)，在WEB端采用WebGL、HTML5、Cesium、Vue等技術(shù)構(gòu)建交互性頁面，服務(wù)端采用Spring boot框架，按照邏輯分層組織設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)服務(wù)層、數(shù)據(jù)庫層、業(yè)務(wù)服務(wù)層、應(yīng)用層和展現(xiàn)層，如圖1所示。

(1)數(shù)據(jù)服務(wù)層主要負(fù)責(zé)激光點(diǎn)云、數(shù)據(jù)高程、高清影像等數(shù)據(jù)的分類、處理及發(fā)布，以地圖服務(wù)的方式供應(yīng)用服務(wù)層調(diào)用。

(2)數(shù)據(jù)庫層用于存儲(chǔ)、管理輸電線路的桿塔臺(tái)賬、線路臺(tái)賬、維修班組、設(shè)備臺(tái)賬、缺陷照片、交跨、線路隱患等信息，滿足輸電線路的查詢、統(tǒng)計(jì)、分析等需求。

(3)業(yè)務(wù)服務(wù)層采用Spring Cloud的Restful 協(xié)議，構(gòu)建模擬分析、二三維一體化、空間查詢、360全景、數(shù)據(jù)緩存、日志管理、安全認(rèn)證等業(yè)務(wù)服務(wù)，以Restful API的形式供應(yīng)用層調(diào)用。

(4)應(yīng)用層以業(yè)務(wù)服務(wù)層為依托，實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)邏輯，包括空間數(shù)據(jù)(激光點(diǎn)云、高清影像、數(shù)據(jù)高程)加載、交跨管理、隱患分析、航線規(guī)劃等業(yè)務(wù)功能。

(5)展現(xiàn)層通過WebGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的在線融合、渲染、顯示，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

圖1 平臺(tái)架構(gòu)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 3D Tiles技術(shù)

3D Tiles是用于流式傳輸大規(guī)模異構(gòu)3D地理空間數(shù)據(jù)集的開放規(guī)范[10-11]，在glTF數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上融合了分層LOD的技術(shù)算法，專門為大量地理3D數(shù)據(jù)流式傳輸和海量渲染而設(shè)計(jì)的一種數(shù)據(jù)格式，主要目的是改善大規(guī)模異構(gòu)數(shù)據(jù)集的流和渲染性能，是目前流行的開源WebGL框架Cesium的主要數(shù)據(jù)格式。在3D Tiles中，每個(gè)tileset由一系列tile的樹狀結(jié)構(gòu)組成，支持b3dm、i3dm、pnts、cmpt等模型格式, 在WEB端可以交互式加載、渲染、瀏覽巨大的模型，如建筑物數(shù)據(jù)集、CAD(或BIM)模型、點(diǎn)云和攝影測(cè)量模型等。

激光點(diǎn)云、高精地形、輸電本體模型數(shù)據(jù)量巨大，通過建立全球索引，轉(zhuǎn)換成3D Tiles格式，采用流式傳輸3D模型數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸和渲染效率。

2.2 WebGl技術(shù)

WebGL(Web圖形庫)是一種面向?yàn)g覽器的三維繪圖標(biāo)準(zhǔn)，能夠在任何兼容的Web瀏覽器中呈現(xiàn)交互式2D和3D圖形，無需使用插件。WebGL與其他Web標(biāo)準(zhǔn)完全集成，允許GPU物理加速、圖像處理和特效應(yīng)用。WebGL元素可以與其他HTML元素混合，并與頁面的其他部分或頁面背景合成。與Direct3D、OpenGL、Virtual Reality等技術(shù)不同[12]，WebGL無需在WEB端安裝任何插件[13]，在技術(shù)上消除了傳統(tǒng)輸電線路三維可視化操作復(fù)雜、兼容性差、集成困難等痛點(diǎn)。隨著 HTML5、5G通訊、傳感技術(shù)及各種移動(dòng)設(shè)備的流行，WebGL 已成為WEB三維研發(fā)的最新發(fā)展趨勢(shì)。

2.3 分布式計(jì)算技術(shù)

分布式計(jì)算技術(shù)是把一個(gè)需要非常巨大的計(jì)算能力才能解決的問題分成若干小的部分，再將其分配給網(wǎng)絡(luò)上眾多計(jì)算節(jié)點(diǎn)，最后將分布式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總得到最終的結(jié)果[14-15]。借助于分布式計(jì)算技術(shù)，主控節(jié)點(diǎn)將點(diǎn)云賦色、點(diǎn)云切片、DOM拼接、DOM切片、DEM融合、DEM切片等任務(wù)分解成多個(gè)任務(wù)包，以任務(wù)消息形式發(fā)送到服務(wù)器的隊(duì)列中，控制各計(jì)算節(jié)點(diǎn)的啟動(dòng)任務(wù)程序，并訂閱任務(wù)消息；任務(wù)消息服務(wù)器將隊(duì)列內(nèi)的任務(wù)消息(含任務(wù)包描述信息)依次分發(fā)給訂閱此消息的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)接收到任務(wù)消息后，解析出任務(wù)包信息，從存儲(chǔ)服務(wù)器獲取指定范圍的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行處理任務(wù)；當(dāng)某個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)執(zhí)行完任務(wù)，且任務(wù)消息服務(wù)器的隊(duì)列中還有任務(wù)消息時(shí)，會(huì)將剩余任務(wù)消息的一條再次分發(fā)給這個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，直到整個(gè)計(jì)算任務(wù)完成。通過分布式計(jì)算技術(shù)，將任務(wù)分發(fā)到多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)上并行執(zhí)行，大幅提高數(shù)據(jù)分析處理效率。

3 數(shù)據(jù)處理

輸電線路三維可視化系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)按照格式不同分為結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要包括桿塔臺(tái)賬、線路臺(tái)賬、交跨、線路隱患、設(shè)備、人員等，采用MySql數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)管理；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括激光點(diǎn)云、高清影像、地形、視頻、照片等，數(shù)據(jù)量巨大，采用文件服務(wù)器存儲(chǔ)，其中，激光點(diǎn)云、高清影像及地形需要采用專業(yè)化工具轉(zhuǎn)換成3D Tiles格式,按照標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布成三維地圖服務(wù)。

3.1 地形數(shù)據(jù)

地形數(shù)據(jù)處理包括高精度地形數(shù)據(jù)生成、高低精度地形數(shù)據(jù)融合及平滑、地形數(shù)據(jù)切片及發(fā)布等過程。首先基于地表點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)，采用三角剖分、三角網(wǎng)模型平滑及等高線提取等技術(shù)構(gòu)建地面等高線，并將等高線轉(zhuǎn)換成DEM模型，生成1 m的高精度輸電通道地形；輸電通道外面采用30 m低精度的地形數(shù)據(jù)，由于不同精度的地形數(shù)據(jù)分辨率不同，在數(shù)據(jù)接邊處存在高差，需要對(duì)高低精度地形數(shù)據(jù)交界處做平滑處理，防止地形突變，影響顯示效果，通過插值、平滑、鑲嵌等處理，消除視覺高差；最后采用地形切片工具生成3D Tiles切片，發(fā)布地形服務(wù)。

3.2 影像數(shù)據(jù)

影像數(shù)據(jù)處理包括坐標(biāo)變換、多源數(shù)據(jù)融合、勻光勻色處理，影像鑲嵌、切片及發(fā)布等過程。首先將不同坐標(biāo)系統(tǒng)的影像數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成GCS_WGS_1984坐標(biāo)；輸電通道采用0.1 m航拍高清影像，沿著輸電通道生成5 000 m、10 000 m、15 000 m、20 000 m多個(gè)緩沖區(qū)，分別對(duì)應(yīng)1 m、10 m、37 m、75 m的多源遙感衛(wèi)星正射影像；通過運(yùn)算在空間、時(shí)間、波譜上消除多源影像的冗余數(shù)據(jù)，生成具有新的空間、波譜、時(shí)間等特征的合成影像數(shù)據(jù)；最后利用分布式計(jì)算技術(shù)、GPU計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)影像的快速切片發(fā)布。

3.3 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理包括激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、點(diǎn)云賦色、點(diǎn)云切片和發(fā)布等過程。首先,按照線路管理單元拼接離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以便連續(xù)直觀地顯示線路走廊內(nèi)高清地物地貌，提高顯示效果；然后,利用遙感影像映射激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行賦色處理，生成具有真彩色的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)；最后,按照橫向切片、縱向分級(jí)抽稀生成3D Tiles模型切片，發(fā)布點(diǎn)云服務(wù)。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

輸電線路三維可視化平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括通道可視化、桿塔管理、線路管理、線路交跨分析、通道隱患分析、三維分析、360全景、文件上傳下載等功能模塊。

4.1 通道可視化

系統(tǒng)支持激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三維模型、高清影像、傾斜攝影、DEM數(shù)據(jù)的加載與顯示，如圖2所示。為了提高三維模型數(shù)據(jù)的加載及顯示效率，保障WEB端多源海量數(shù)據(jù)顯示的流暢性，激光點(diǎn)云、傾斜攝影及三維模型需要轉(zhuǎn)換成3D Tiles格式，按照縱向分層、橫向切片方式動(dòng)態(tài)加載。

圖2 輸電通道三維可視化

4.2 多光譜樹種分析

基于直升機(jī)或無人機(jī)采集的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用植被的光譜特性，分析不同植被的特征光譜，利用智能影像辨識(shí)獲得線路走廊內(nèi)的樹種類別及分布情況，為輸電通道安全管理提供輔助決策信息，如圖3所示。

圖3 多光譜樹種分析

4.3 不同工況預(yù)警分析

在線集成氣象數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)時(shí)獲取風(fēng)速、溫度、濕度等數(shù)據(jù)，結(jié)合分析區(qū)段導(dǎo)線屬性信息，如電壓等級(jí)、電流、導(dǎo)線型號(hào)、導(dǎo)線直徑等，基于輸電導(dǎo)線工況模擬的模型算法，模擬計(jì)算導(dǎo)線弧垂及風(fēng)偏位置，生成最大風(fēng)偏模擬導(dǎo)線，并進(jìn)行安全距離檢測(cè)分析，自動(dòng)識(shí)別線路隱患，通過屬性表和高亮顯示等方式輸出不符合安全距離要求的隱患點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)線模擬分析

4.4 360全景分析

采用360全景技術(shù)，模擬出一個(gè)可交互的、虛幻的三維空間場(chǎng)景，按照不同視角實(shí)現(xiàn)三維通道的全方位瀏覽展示，真實(shí)展現(xiàn)輸電通道走廊及周邊的環(huán)境狀況，如圖5所示。

圖5 360全景影像

4.5 空間量測(cè)分析

基于高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，平臺(tái)提供了豐富的空間量算工具，包括對(duì)地距離量算、點(diǎn)線最短距離量算、導(dǎo)線交跨量算(如圖6所示)、兩點(diǎn)空間距離量算、面積量算等，在三維場(chǎng)景中便捷的獲取各種測(cè)量數(shù)據(jù)，輔助分析決策。

圖6 導(dǎo)線交跨量算

5 結(jié) 論

本文分析了前沿互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于激光點(diǎn)云網(wǎng)絡(luò)可視化的可行性，基于B/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了激光點(diǎn)云、高精地形、高清影像等海量數(shù)據(jù)在線加載、融合、顯示及分析，通過重建輸電線路三維通道，為輸電線路三維數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)可視化提供了借鑒。

本研究還存在一些不足之處：

(1)大場(chǎng)景三維模型數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、組織還需要進(jìn)一步優(yōu)化；

(2)WEB端三維模型數(shù)據(jù)的加載、渲染、顯示對(duì)硬件配置和網(wǎng)絡(luò)速度要求較高，影響平臺(tái)的推廣；

(3)三維模型數(shù)據(jù)目前主要還停留在數(shù)據(jù)展示方面，應(yīng)用分析還需要進(jìn)一步挖掘。