基于Google Earth 的輸電線路三維可視化研究及應用

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（北京洛斯達科技發(fā)展有限公司，北京 100120）

1 概述

為積極響應國家“一帶一路”戰(zhàn)略，近年來，國家電網公司加快了海外業(yè)務的拓展，繼巴西美麗山一期項目以后，國家電網公司于2015 年7 月中標巴西美麗山水電站欣古至里約±800kV 特高壓直流輸電特許經營權項目。工程包括±800kV、4000MW 欣古、里約換流站兩座，接地極兩處；新建±800kV 特高壓直流輸電線路2518 公里，線路途經帕拉、托坎廷斯、戈亞斯、米納斯和里約五個州、81 座城市。是巴西最長、世界第二長的輸電線路，也是巴西最高電壓等級的輸電線路，由于工程具有規(guī)模大，跨度長，地質、氣象條件復雜，參建單位多等特點，對項目的工程建設管理提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

為保障工程建設管理工作的順利開展和實施，國網巴西控股公司開展了巴西美麗山二期工程建設管理平臺的研究和實施工作。工程建設管理平臺主要面向公司中、高層項目管理人員，針對巴西當地政策法規(guī)及工作特點，提供了一整套基于GIS服務的施工進度管理、人員物資管理、質量安全管理以及征地環(huán)保管理等業(yè)務功能。通過三維GIS 平臺打造一個真實、直觀、可綜合展現工程現場情況的三維虛擬現實環(huán)境。實現對各類工程實體和管理要素的數字化表達，提供一個更為快捷、高效的工程建設管理工具以及信息整合發(fā)布的平臺。

Google Earth（簡稱GE）是由Google 公司在Keyhole 平臺基礎上開發(fā)的一款免費虛擬地球軟件，可以提供海量高清衛(wèi)星影像數據、航拍數據以及高精度地形數據。同時為開發(fā)者提供了基于組件技術的應用程序開發(fā)接口Google Earth COM API，以滿足部分使用者個性化的功能定制和開發(fā)需求。當前，GE 已經在地質、能源、農業(yè)、建筑以及教育等眾多領域中獲得了廣泛的應用，在電力系統(tǒng)中也同樣如此，已被眾多國內外學者成功應用到了電力工程設計建設的各個階段中，如線路勘測設計（鄧加娜等，2006；張思祥等，2008；邱寶松，2013；李鵬亮等，2016）、通信光纜管理（倪子強和胡傳明，2008）、桿塔坐標校正（馬御棠等，2013）以及線路三維建模與仿真（高尚飛等，2009）等。

工程建設管理平臺采用了MVVM (Model-View-ViewModel)設計模式進行設計開發(fā)，借助GE 平臺提供的基于組件技術的應用程序開發(fā)接口Google Earth COM API，在GE 平臺已有功能基礎上進行進一步的功能定制和二次開發(fā)。系統(tǒng)數據訪問層采用ADO.NET Entity Framework 框架，結合MySQL 數據庫，實現了對數據存儲、管理和訪問。

2 桿塔三維建模

桿塔三維建模需要同時兼顧精細程度和存儲效率，通常情況下，精細模型會采用Bentley 軟件進行創(chuàng)建，而對于精度要求不高的單線塔模型，則一般采用3DS Max 軟件直接進行建模。美麗山二期特高壓直流輸電線路工程中共有4448 基桿塔，若逐一進行建模，則工作量將十分龐大，同時，鑒于同一線路工程中存在大量塔型和基礎類型復用情況，為避免重復建模，一般會將桿塔根據不同的塔型、呼高、絕緣子串類型以及基礎類型進行拆分，對每一種類型分別進行建模，然后再根據每一基桿塔的具體配置情況進行模型的組裝，以實現模型的復用，提升建模效率。在美麗山二期特高壓直流輸電線路工程中共創(chuàng)建了18 種塔型以及16 種基礎類型，而線路工程中所有桿塔均可通過這些塔型和基礎類型的排列組合來呈現。導線模型的生成需要在已知兩端掛點坐標的基礎上，利用導線弧垂模擬算法根據檔距、高差、應力、呼稱高等參數信息計算得到（圖1）。

圖1 部分桿塔及桿塔部件三維模型

3 Google Earth 三維可視化關鍵問題

3.1 模型數據加載

GE 上的三維模型的加載是通過KML（Keyhole Markup Language）文件和DAE 文件組合實現的。其中，KML 文件是一種基于XML 語法與格式的標記語言，用于描述和保存地理信息（如點、線、圖像、多邊形和模型等）的編碼規(guī)范，KML 在2008 年被OGC（Open Geospatial Consortium, Inc.開放地理信息系統(tǒng)協(xié)會）宣布為開放地理資訊編碼標準。在三維模型的加載和展示過程中，KML 需要存儲三維模型的ID、名稱、經緯度、高程、方位角、縮放比例、顯隱狀態(tài)等參數信息。而DAE 文件實質上是一個采用COLLADA 標準的XML 文件，以XML 的形式描述了三維模型的各種幾何信息和屬性信息，然后由 KML 調用并在Google Earth 上加載和展示出來。

由于三維建模過程中對桿塔模型的各部分進行了拆分和模塊化處理，因此各個模塊需要通過相對坐標進行模型組裝和拓撲關系的重建，在GE 中各個部分的模型也是獨立進行加載和展示的，為保證模型的正確放置，必須進行坐標換算，桿塔主體（塔頭、塔身和塔腿）模型的位置來源于KML 文件中的經緯度信息，而高程信息則需要通過Google Earth COM API 中的IPointOnTerrainGE 接口進行動態(tài)獲取，以保證三維桿塔模型能在不同地形拉伸比例下正確顯示，對于轉角塔，模型的朝向需要根據前后兩級桿塔的相對位置進行計算來獲取。塔基礎模型在桿塔主體模型位置確定后直接根據塔腿位置來確定。絕緣子串模型的姿態(tài)需要根據掛點相對位置、俯仰角、方位角以及翻滾角共同確定。導線的位置則需要根據分裂數以及掛點編號來綜合確定。

3.2 模型數據的調度

由于美麗山二期輸電工程跨度大、所含桿塔數量多，如果一次性將所有模型全部加載到GE 平臺上，勢必會對平臺性能造成嚴重影響，而GE 本身對外部加載的文件并未提供調度管理功能，因此為保障平臺的穩(wěn)定性和流暢性，減少計算資源的浪費，必須開發(fā)相應的動態(tài)調度功能，巴西美麗山二期工程建設管理平臺對所有加載到平臺中的二維和三維模型對象均提供了統(tǒng)一的調度管理， 借助Google Earth COM API 的ICameraInfoGE 接口獲取實時的視角高度、視窗范圍等信息，結合各個圖層要素的具體配置，對加載的數據進行顯隱控制。

調度系統(tǒng)根據具體業(yè)務管理需要，將所加載的數據劃分為三個層級，即線路級- 標段級- 桿塔級。針對每一個層級設定不同的視角高度以及視窗范圍的閾值，來判斷圖層的顯隱狀態(tài)，實現要素的動態(tài)加載和刷新，具體的圖層劃分方式如表1 所示。

表1 圖層調度分層管理

4 平臺應用

美麗山二期工程建設管理平臺的主要業(yè)務功能包括：計劃、環(huán)境、征地、施工、移交等，服務工程的基建階段。圍繞美麗山二期工程進行的系統(tǒng)開發(fā)、工程數據和技術服務將持續(xù)到工程竣工。加載到Google Earth 中的三維模型不僅僅可以用于展示，也可以結合三維GIS 平臺，進行一些業(yè)務功能的定制開發(fā)。部分主要的業(yè)務應用如下：

4.1 基礎三維操作

可以實現包括對象拾取，空間查詢與屬性查詢、三維場景漫游等，利用Google Earth 平臺實現線路的虛擬巡視。可以實現工序狀態(tài)查詢及定位、阻工點查詢及定位、交叉跨越查詢及定位等業(yè)務功能（圖2）。

圖2 桿塔三維建模

4.2 工程進度管理

平臺建立了項目總體進度管理、專項工作進度管理以及細分專業(yè)進度管理三級進度管理體系，將進度信息與空間要素信息緊密結合起來，提供多角度、全方位的工程進度管理功能（圖3）。

圖3 工程進度管理

4.3 征地、環(huán)保管理

平臺將工程沿線的海量、多源、異構征地數據完整納入統(tǒng)一管理。支持各種類型土地協(xié)議的存儲和管理；整合全線環(huán)境保護區(qū)、動植物調查信息、社會人文、考古等信息。

4.4 征地管理

在平臺上整合全線路徑設計信息、土地業(yè)主信息、進場通道、沿線環(huán)境保護區(qū)、交叉跨越等信息后，通過可視化表達，整合各類型跨越信息，輔助精準定位跨越，制定跨越方案。

5 結論

本文借助Google Earth 平臺，實現了三維桿塔模型的動態(tài)加載和展示，并結合基建工程業(yè)務需要，實現了基于Google Earth 平臺的工程建設管理平臺的開發(fā)和應用。利用三維建模技術構建了涵蓋整個輸電線路的三維模型，所有模型均按照真實的比例和形態(tài)特征進行建模，不僅將工程建設的設計結果以生動形象的方式呈現出來，而且也為建設工程的設計與施工提供了相互協(xié)調且內部一致的信息模型，實現了設計與施工的一體化。

基于GE 平臺，實現了三維線路模型的加載和展示，通過坐標轉換完成了桿塔各部分模型的組裝和拓撲關系的重建。通過弧垂模擬算法實現了導線的加載和展示，借助Google Earth COM API 實現了圖層的調度管理功能，有效提高了數據動態(tài)加載的效率。借助GE 平臺三維可視化能力，完成了巴西美麗山二期工程建設管理平臺的開發(fā)，實踐表明GE 可以實現初步的模型加載和展示，并可以借此實現一些業(yè)務功能。相比于其他三維GIS 平臺，GE 具有數據更新快、數據精度高、可以二次開發(fā)等優(yōu)勢。

巴西美麗山二期工程建設管理平臺可以有效加強對工程各系統(tǒng)間的統(tǒng)籌協(xié)調和信息的集中處理，為工程管理和協(xié)調提供決策參考，也可在工程投運后移交數字化工程，對建設成就展示、移交運維生產等都具有積極、現實的意義。