WebGIS三維可視化平臺在電網(wǎng)數(shù)字化移交中的應(yīng)用研究

王芳　尤一銘　余婷立

摘? 要：隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，傳統(tǒng)的紙質(zhì)檔案移交管理已不能滿足電網(wǎng)工程信息化需求。針對新一代電網(wǎng)三維數(shù)字化移交，為解決移交不直觀、數(shù)據(jù)繁多等問題，文章提出多元異構(gòu)數(shù)據(jù)處理方式，采用三維模型輕量化技術(shù)、三維仿真與調(diào)度技術(shù)，實現(xiàn)基于WebGIS的三維可視化平臺。該平臺是集成工程信息、地理信息、數(shù)字化模型和文檔資料，貫穿工程建設(shè)全過程，完成三維數(shù)字化移交的應(yīng)用，為電網(wǎng)建設(shè)數(shù)字化、精細(xì)化、智能化提供可靠的平臺支撐。

關(guān)鍵詞：WebGIS;三維可視化;數(shù)字化移交;仿真模擬

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）17-0007-05

Abstract： With the advancement of smart grid construction， the traditional paper file handover management can not meet the informatization needs of power grid engineering. Aiming at the 3D digital handover of the new generation power grid， in order to solve the problems of non intuitive handover and numerous data， this paper puts forward a multivariate heterogeneous data processing method， and adopts 3D model lightweight technology， 3D simulation and dispatching technology to realize the 3D visualization platform based on WebGIS. The platform integrates engineering information， geographic information， digital models and documents， runs through the whole process of project construction， completes the application of 3D digital handover， and provides a reliable platform support for the digitization， refinement and intelligence of power grid construction.

Keywords： WebGIS; 3D visualization; digital handover; analogue simulation

0? 引? 言

隨著計算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)和三維建模技術(shù)的發(fā)展以及地圖學(xué)、地理信息系統(tǒng)（GIS）、計算機(jī)視覺、遙感等學(xué)科的進(jìn)步，國內(nèi)外紛紛涌現(xiàn)出諸如World Wind、Google Earth、SuperMap等基于C/S架構(gòu)的三維產(chǎn)品?；贑/S架構(gòu)的三維產(chǎn)品具有數(shù)據(jù)共享難、更新復(fù)雜的特點(diǎn)，WebGL作為新的3D繪圖協(xié)議，將WebGL與三維GIS結(jié)合使用，使人們在網(wǎng)頁中瀏覽三維場景成為可能[1]。

在電網(wǎng)數(shù)字化領(lǐng)域，2015年召開的國家電網(wǎng)會議提出加快推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)，對電網(wǎng)信息化水平提出了更高的要求。近年來，三維數(shù)字化電網(wǎng)解決方案逐漸涌現(xiàn)，各類GIS項目陸續(xù)應(yīng)用于三維WebGIS等系統(tǒng)的開發(fā)[2]，大數(shù)據(jù)平臺的模型處理、多維數(shù)據(jù)可視化展示在電網(wǎng)業(yè)務(wù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。三維數(shù)字化移交作為貫穿電網(wǎng)工程建設(shè)全過程的管理手段，從全局角度進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，采集、處理在工程建設(shè)過程中形成的各類工程信息、地理信息、數(shù)字化模型、文檔資料等數(shù)據(jù)成果，實現(xiàn)對電網(wǎng)工程三維場景、三維模型的直觀展示以及對工程資料的綜合管理[3]，是移交模式的信息化突破和革新。

本文從電網(wǎng)數(shù)字化移交的實際應(yīng)用出發(fā)，立足于解決電網(wǎng)數(shù)據(jù)移交不直觀、難管理、數(shù)據(jù)冗余、使用效率低等問題，開展多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理、三維模型輕量化技術(shù)、三維仿真與調(diào)度技術(shù)的研究，構(gòu)建基于WebGIS的三維數(shù)字化移交平臺，實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)可視化、三維場景模擬仿真等模塊功能，完成三維數(shù)字化移交應(yīng)用場景，對推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)和提升電網(wǎng)領(lǐng)域的數(shù)字化、精細(xì)化、智能化管理水平具有重要意義。

1? WebGIS的三維平臺

1.1? 關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)

1.1.1? 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理

目前電網(wǎng)通用模型格式包括rvt、3ds、fbx、stl等，數(shù)據(jù)來源多樣、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異大。為了促進(jìn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，國家電網(wǎng)提出的《輸變電工程三維設(shè)計模型交互規(guī)范》（Grid Information Model， GIM）規(guī)范了電網(wǎng)模型的數(shù)據(jù)格式，這在一定程度上解決了模型多元異構(gòu)問題，但依然面臨諸多困難。各商用軟件存在數(shù)據(jù)壁壘，用戶為查看不同模型往往需要購買、安裝多個軟件，操作復(fù)雜，使用成本高且成果難以共享。如何實現(xiàn)“多源數(shù)據(jù)一平臺應(yīng)用”是平臺需要解決的關(guān)鍵問題。

1.1.2? 三維模型輕量化技術(shù)

三維模型是物體的多邊形表示，通常用計算機(jī)或其他視頻設(shè)備來顯示。作為點(diǎn)和其他信息集合的數(shù)據(jù)，一般包括幾何形狀、表面材質(zhì)與紋理特征。三維模型輕量化旨在保持原有結(jié)構(gòu)、幾何拓?fù)潢P(guān)系、紋理和材質(zhì)，刪減一定量的頂點(diǎn)并重新構(gòu)建三角面片，達(dá)到降低數(shù)據(jù)量的目的。電網(wǎng)設(shè)施和設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如何最大限度地簡化模型并保留模型細(xì)節(jié)，是平臺研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1.1.3? 三維場景仿真與調(diào)度

電網(wǎng)模型具有高密度分布的特點(diǎn)，輸電線路一般呈條帶狀，沿線分布了大量的桿塔、絕緣子/金具和導(dǎo)線等，線路兩端連接變電站、換流站等[4]，如此海量的數(shù)據(jù)通常集中在數(shù)百平的空間內(nèi)，再加上構(gòu)建影像、地形等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，平臺將面臨巨大的渲染壓力。如何實現(xiàn)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù)的快速加載與響應(yīng)，保障大小場景流暢切換以及導(dǎo)線弧垂的仿真效果，實現(xiàn)可瀏覽、可量測、可查閱、可分析，是平臺所要突破的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。

1.2? 技術(shù)實現(xiàn)與架構(gòu)

1.2.1? 總體架構(gòu)

按照多源數(shù)據(jù)處理邏輯進(jìn)行平臺系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計，提供高效率、輕量級的三維可視化服務(wù)。核心數(shù)據(jù)處理工具遵循GIM標(biāo)準(zhǔn)要求，將GIM數(shù)據(jù)存儲于輕量級數(shù)據(jù)庫中，進(jìn)行GIM數(shù)據(jù)的自動解析與存儲管理。采用數(shù)據(jù)處理方案和性能優(yōu)化策略，加載GIM模型數(shù)據(jù)、地形、影像等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)工程模型在三維場景中的可視化展示。用戶終端享有三維模型操作、場景漫游等基礎(chǔ)功能，能快速流暢地切換場景，實現(xiàn)對各類工程三維模型、設(shè)計參數(shù)的管理、瀏覽及查詢，形成相關(guān)成果輸出?？傮w架構(gòu)如圖1所示。

1.2.2? 數(shù)據(jù)處理方案

TB級的數(shù)字正射影像（DOM）及數(shù)字高程模型（DEM）的融合渲染、幾何模型的快速渲染，均需要建立嚴(yán)密有序的數(shù)據(jù)處理及組織方式[5]，這樣才能保證數(shù)據(jù)在Web三維可視化平臺中的渲染效果，滿足平臺在數(shù)字化移交應(yīng)用中的需要。以下是數(shù)據(jù)處理方案：

（1）地理信息數(shù)據(jù)處理。地理信息數(shù)據(jù)處理將不同來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，并將數(shù)據(jù)納入統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無縫拼接與疊加，配置后進(jìn)行切片緩存，提高加載效率。數(shù)字正射影像需要進(jìn)行七參數(shù)糾正、去邊、切片處理，使用緩存機(jī)制提高地圖訪問速度。平臺中的數(shù)字高程模型一般處理成不規(guī)則三角格網(wǎng)，準(zhǔn)確反應(yīng)地形地貌的細(xì)節(jié)特征?；A(chǔ)地理數(shù)據(jù)、電網(wǎng)專題數(shù)據(jù)將被處理成標(biāo)準(zhǔn)WMS、WMTS地圖服務(wù)或者geojson文件。

（2）GIM模型解析。通過利用平臺自研的GIM數(shù)據(jù)處理工具實現(xiàn)GIM模型的解析和格式轉(zhuǎn)換。首先解析GIM相關(guān)參數(shù)，獲取CBM、DEV、PHM、MOD文件夾信息，采用GIM的三維參數(shù)化建模方法，生成交換模型，在此基礎(chǔ)上對交換模型進(jìn)行輕量化操作。然后將線路工程模型轉(zhuǎn)換為glb模型，將變電站工程模型轉(zhuǎn)換為3dtiles模型。glb模型是二進(jìn)制文件，能節(jié)約存儲空間、便于網(wǎng)絡(luò)傳輸，有效提高模型數(shù)據(jù)請求和下載效率。3dtiles模型是分層分塊的金字塔型結(jié)構(gòu)，配合平臺的調(diào)度策略，能有效地實現(xiàn)模型的高效渲染。

1.2.3? 性能優(yōu)化策略

基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)及模型數(shù)據(jù)的處理，一定程度上提高了三維平臺的渲染速度，但隨著線路、變電站（換流站）場景的構(gòu)建，平臺依然承擔(dān)著較大的內(nèi)存和渲染壓力，致使可視化效果也隨之下降。為減輕平臺渲染壓力，保障可視化效果，本平臺采取以下策略來優(yōu)化性能：

（1）LOD策略。LOD（Levels of Detail）是解決海量數(shù)據(jù)顯示和調(diào)度的常用策略，它最顯著的特點(diǎn)是能夠保證三維可視化系統(tǒng)在調(diào)度數(shù)據(jù)時，根據(jù)需要進(jìn)行加載。在渲染處理方面，平臺根據(jù)模型在環(huán)境中所處的位置和重要程度，動態(tài)調(diào)配資源，降低可視域遠(yuǎn)處模型細(xì)節(jié)，加快單圖元渲染速度。

（2）可視范圍裁剪策略。平臺通過判斷渲染對象是否落在可視范圍內(nèi)，決定是否對其進(jìn)行加載和渲染，渲染對象落在可視范圍內(nèi)則對其進(jìn)行加載和渲染，反之則不渲染，這一策略可有效地降低資源消耗提高平臺性能。

（3）動態(tài)加（卸）載模型。通過計算可視域內(nèi)視點(diǎn)與模型的距離，實時加載或卸載模型。對于架空輸電線路場景，當(dāng)模型距離相機(jī)較近時加載模型數(shù)據(jù)，當(dāng)模型距離相機(jī)較遠(yuǎn)時卸載模型，以此降低資源消耗。對于變電站（換流站）場景，小比例尺時請求粗略模型，大比例尺時請求可視域內(nèi)高精度切片數(shù)據(jù)，緩存周圍低精度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)場景瀏覽的快速響應(yīng)，保證平臺的流暢性和可視化效果。

1.3? 平臺功能設(shè)計

地理信息數(shù)據(jù)作為三維平臺的核心，平臺需支持常用的地理數(shù)據(jù)，并提供逼真的三維場景和友好的三維交互操作功能?？紤]到三維平臺的基本功能和業(yè)務(wù)需求，平臺提供了以下四種功能模塊：

（1）地理數(shù)據(jù)可視化。平臺支持地理數(shù)據(jù)可視化，包括高清衛(wèi)星影像、高精度地形、傾斜攝影模型、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)等，用戶可根據(jù)具體應(yīng)用場景選擇數(shù)據(jù)，如衛(wèi)星影像可選天地圖衛(wèi)星影像、谷歌衛(wèi)星影像、百度地圖衛(wèi)星影像、航飛正射影像等，地形包括cesium世界地形、ArcGIS全球地形、航飛數(shù)字高程模型等。

（2）三維模型可視化。平臺支持3dtiles和gltf/glb三維數(shù)據(jù)規(guī)范，配合模型文件的加載、渲染、調(diào)度等策略，實現(xiàn)三維場景的模擬仿真，使用空間位置及姿態(tài)編輯功能，可將模型渲染到三維虛擬地球的任意位置。

（3）場景漫游。平臺支持第一人稱漫游、第三人稱漫游、場景穿透等功能，強(qiáng)大的漫游體系可滿足大、小三維場景的各類應(yīng)用需求，配合鍵鼠能快速便捷地實現(xiàn)場景縮放、旋轉(zhuǎn)、平移、飛行瀏覽等功能。

（4）通用功能。平臺提供通用功能，輔助用戶快速實現(xiàn)空間量測、繪制標(biāo)注、成果導(dǎo)出。空間量測功能包括經(jīng)緯度量測、高程量測、距離量測、面積量測，通過交互的方式直觀、實時地展示量測結(jié)果。繪制標(biāo)注功能包括點(diǎn)標(biāo)注、線標(biāo)注、面標(biāo)注、體標(biāo)注，以及導(dǎo)出功能。

2? 三維數(shù)字化移交應(yīng)用

2.1? 數(shù)據(jù)模型

三維數(shù)字化移交以數(shù)字化的方式貫穿電網(wǎng)工程建設(shè)的全過程，三維數(shù)字化移交的數(shù)據(jù)模型包括工程概況信息、地理信息數(shù)據(jù)、三維設(shè)計成果和文檔資料[3]，詳情如表1所示。

2.2? 應(yīng)用成果

三維數(shù)字化移交平臺實現(xiàn)了工程信息、地理信息、數(shù)字化模型和文檔資料的統(tǒng)一管理，利用三維可視化表達(dá)技術(shù)可以更加直觀、高效地表達(dá)數(shù)字化電網(wǎng)中的地理空間信息以及塔基地形的空間形態(tài)和分布特征。實現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的動態(tài)、全方位、多角度展示。

2.2.1? 工程信息

工程信息主要包含電網(wǎng)工程在初步設(shè)計、施工圖設(shè)計、竣工圖三個階段的工程概述信息和主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)[3]，如工程概況、電壓等級、變電站類型、線路長度、回路數(shù)、參建單位、概算動態(tài)總投資等。平臺采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲、管理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，使用RESTful數(shù)據(jù)服務(wù)實現(xiàn)工程信息的增刪改查，以統(tǒng)計圖表直觀地展示各項工程信息。

2.2.2? 地理信息

平臺以全球衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)創(chuàng)建虛擬地球，動態(tài)疊加各類地理空間數(shù)據(jù)，為用戶提供一個高性能、高精度、高質(zhì)量的虛擬仿真平臺，虛擬仿真平臺的全球視野如圖2所示，全球衛(wèi)星影像疊加數(shù)字高程模型效果如圖3所示。用戶只需通過鼠標(biāo)鍵盤操作即可實現(xiàn)三維場景漫游，支持三維場景的縮放、旋轉(zhuǎn)、平移。提供地名查找和經(jīng)緯度定位功能，輔助用戶快速定位。

平臺可疊加展示各類地理數(shù)據(jù)，在電網(wǎng)數(shù)字化移交中，通常會疊加展示：

（1）行政區(qū)劃、交通、居民地、河流、植被等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。

（2）污區(qū)、冰區(qū)、震區(qū)、氣象區(qū)、舞動區(qū)、雷害區(qū)、鳥害區(qū)、規(guī)劃區(qū)、風(fēng)景區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、林區(qū)、礦區(qū)、文物保護(hù)區(qū)、軍事禁區(qū)等電網(wǎng)專題數(shù)據(jù)，冰區(qū)專題地圖如圖4所示。

上述數(shù)據(jù)作為公共數(shù)據(jù)而進(jìn)行統(tǒng)一管理，用戶可根據(jù)工程需要控制公共數(shù)據(jù)的顯隱、透明度，并可快速定位至相應(yīng)圖層。

電網(wǎng)工程通道數(shù)據(jù)通常被處理成geojson格式，平臺讀取并繪制文件中的點(diǎn)、線、面狀要素，并按照約定的樣式將其渲染在地球上，用戶可以根據(jù)需要控制圖層的顯隱，并可快速定位至圖層，如圖5所示。

航空攝影測量作為工程數(shù)據(jù)采集的主要方式，數(shù)據(jù)成果包括數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型、激光點(diǎn)云、傾斜攝影模型等。工程數(shù)字正射影像將疊加到全球衛(wèi)星影像上，數(shù)字高程模型將替換全球數(shù)字高程模型加載到三維虛擬地球上。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和傾斜攝影數(shù)據(jù)將被處理成3dtiles模型加載到三維場景中，傾斜攝影模型可視化效果如圖6所示。

2.2.3? 三維設(shè)計成果

GIM是電網(wǎng)三維設(shè)計成果中的主要成果，包括電網(wǎng)設(shè)備設(shè)施模型及屬性和交叉跨越地物模型及屬性[3]。平臺將GIM數(shù)據(jù)模型解析成幾何信息和屬性信息，實現(xiàn)三維模型在線加載、無極縮放，結(jié)合三維地球場景中的各類地理信息，用戶可對電網(wǎng)工程進(jìn)行全方位、多視角的三維瀏覽。

除了常規(guī)的漫游操作外，平臺提供第一人稱漫游功能，用戶可以以第一人稱漫游模式進(jìn)入變電站模型內(nèi)部，對變電站模型進(jìn)行瀏覽漫游。建筑物穿透功能，使用戶能夠穿透變電站房屋瀏覽內(nèi)部設(shè)備。建筑物顯隱控制功能，可以用以隱藏變電站外部房屋，暴露房屋內(nèi)部的設(shè)備，方便用戶查看，變電站模型可視化效果如圖7所示。

線路工程除了加載展示電網(wǎng)設(shè)備設(shè)施模型外，采用廣告牌、帶紋理的折線和多面體對象客觀形象地表示樹林、房屋、電力線等交叉跨越物，為用戶提供一個逼真的虛擬三維線路場景，線路工程可視化效果如圖8所示。

2.2.4? 文檔資料

平臺按照《國家電網(wǎng)有限公司電網(wǎng)建設(shè)項目檔案管理辦法》和《輸變電工程三維設(shè)計建模規(guī)范》對電網(wǎng)工程在初步設(shè)計、施工圖設(shè)計、竣工圖階段產(chǎn)生的設(shè)計資料進(jìn)行統(tǒng)一管理。平臺提供目錄配置功能，用戶可根據(jù)工程類型、電壓等級來配置文檔目錄，使用上傳、下載、預(yù)覽、刪除等功能管理文檔。提供文檔和設(shè)備模型關(guān)聯(lián)功能，雙擊拾取設(shè)備模型可查看設(shè)備關(guān)聯(lián)的文檔。

3? 結(jié)? 論

隨著三維可視化技術(shù)的發(fā)展，基于WebGIS的三維可視化技術(shù)被廣泛地應(yīng)用到電網(wǎng)工程中。本文論述了基于WebGIS的三維可視化技術(shù)以及其在三維數(shù)字化移交中的應(yīng)用。三維數(shù)字化移交平臺對電網(wǎng)工程建設(shè)中產(chǎn)生的各種工程信息、地理信息、數(shù)字化模型、文檔資料等數(shù)據(jù)成果進(jìn)行統(tǒng)一的管理，實現(xiàn)對電網(wǎng)工程三維場景、三維模型的直觀展示和對工程資料的綜合管理，對促進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)和提高電網(wǎng)行業(yè)數(shù)字化、精細(xì)化、智能化管理水平，具有重要意義。

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作者簡介：王芳（1987—），女，漢族，湖北武漢人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：WebGIS;尤一銘（1990—），男，漢族，河南永城人，工程師，碩士研究生，研究方向：WebGIS;余婷立（1994—），女，漢族，湖北孝感人，助理工程師，碩士研究生，研究方向：地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)。