電力線路三維重建與可視化研究及實踐

謝君洋，文 兵，陳 辰，葉 蕾，楊 鑫，曾 濤

（1.成都理工大學 地球科學學院，四川 成都 610059）

電力數據具有規(guī)模大、多樣性、復雜性等特點，應用計算機仿真技術對電力線路數據進行三維展示，可使人們更直觀地感受電力線路，從而為電路相關決策提供支持。電網具有豐富的數據資源和天然的地理空間分布特性，因此電網空間信息的表達及其可視化展現成為電網大數據和智能電網建設的一項重要課題[1]。電網工程設計專業(yè)多、技術復雜、協(xié)調工作量大[2]，采用三維數字化設計具有顯著意義[3]。運用分析挖掘手段對電力大數據進行可視化能快速發(fā)現數據隱藏的信息并轉化知識，便于數據價值傳遞與知識分享[4]。在電力領域，利用數據挖掘技術對電力線路進行三維場景仿真的數據可視化模式是當前研究的重點問題[5]。對電力數據進行三維重建，可直觀表現電力數據在三維場景中的真實情景，使數據與空間的關系一目了然，從而改善電力數據在展示方式上的局限性，為電力系統(tǒng)的安全運行、檢修運維以及規(guī)劃設計提供創(chuàng)新性的支撐[6-9]。

隨著地理信息系統(tǒng)（GIS）的發(fā)展，其被大量應用于電力研究中[10-12]，使電力線路可視化和地理分析功能邁上了新臺階。在應用需求以及計算機技術、圖形圖像處理技術等相關技術發(fā)展的多重推動下，GIS從二維逐步向三維發(fā)展[13]。三維GIS以立體造型技術為用戶展現地理空間現象，不僅能表達空間對象間的平面關系，而且能描述和表達它們之間的垂向關系[14]。從功能上來看，三維GIS不僅繼承了二維GIS的優(yōu)點，而且在空間信息展示方面更加直觀，還具有海量空間數據管理和空間分析能力[15]。三維GIS能為電力線路運維提供新的方法，可應用于線路走道風險等高線檢驗、線路走道地質構造變化檢測以及輸電線路用電剖析等研究中，使相關領域的研究變得更加高效直觀。然而，目前電力建設的各階段大多仍以二維圖紙或單獨三維模型為依據，缺乏真實地理環(huán)境，無法直觀表達信息，因此在真實地理場景中利用三維GIS對電力線路數據進行直觀展示是電力數據可視化表達的一個重要手段。

目前電力線路三維模型的描述文件均以XML文件形式存儲，雖包括桿塔、絕緣子等電力線路各設備的詳盡信息描述，但不能對三維電力線路進行直觀表達。鑒于此，本文以某特高壓輸電電力線路為研究對象，首先對三維模型描述文件進行解析和地理編碼，生成該電力線路的地理實體；然后通過地理實體與電力模型的掛接，實現電力線路的三維重建與可視化。

1 電力線路數據說明與解析

1.1 電力線路數據

原始電力數據是對電力線路進行三維重建的基礎，是已存儲的數字化成果；是對線路的整體描述，以文本的方式存儲在XML文件中。該文件包括線路名稱、桿塔信息、絕緣子信息、連接點信息和塔基信息等線路的基本信息。這些文件通過特定的關鍵字描述電力設備之間的關系，如圖1所示。本文以某特高壓輸電電力線路的一個標段數據為例，對XML文件所包含的部件和信息進行簡要說明。

圖1 原始電力數據解析關系圖

1）桿塔信息。桿塔在XML文件中以＜Tower＞＜/Tower＞標簽進行標識，包含三維重建和模型掛接信息（圖2），其中＜Position/＞存放桿塔的地理位置信息；＜TowerRot/＞表示桿塔的轉角，是桿塔在空間中旋轉的角度。上述兩個子標簽一起確定桿塔實體在三維空間的實際情景。

圖2 原始桿塔部分數據示例

2）絕緣子串信息。絕緣子串在XML文件中以＜Insulator＞＜/Insulator＞標簽進行標識，包含三維重建和模型掛接信息（圖3），其中＜Offset/＞表示絕緣子串相對于所屬桿塔投影坐標的偏移量，根據偏移量值和所屬桿塔的投影坐標即可確定每個絕緣子串的空間位置；＜Rotation/＞表示絕緣子串的轉角，是絕緣子串在空間中旋轉的角度。上述兩個子標簽一起確定絕緣子串實體在三維空間的實際情景。

圖3 原始絕緣子串部分數據示例

3）連接點信息。連接點在XML文件中以＜Wire-FittingPoint＞＜/WireFittingPoint＞標簽進行標識，包含三維重建信息（圖4）。3種類型絕緣子串中均有各自的連接點，其中耐張串和跳線串的連接點有16個，懸垂串的連接點只有8個。＜ConductorFitting/＞表示連接點需使用的所有信息，其中OffsetX、OffsetY和OffsetZ分別表示連接點相對于所屬絕緣子串在空間X、Y、Z方向的偏移量。根據偏移量值和所屬絕緣子串的空間投影坐標確定每個連接點的空間位置。

圖4 原始連接點部分數據示例

4）塔基信息。塔基在XML文件中以＜Foundation＞＜/Foundation＞標簽進行標識，包含三維重建和模型掛接信息（圖5），其中＜Offset/＞表示塔基相對于所屬桿塔投影坐標的偏移量。根據偏移量值和所屬桿塔的投影坐標即可確定每個塔基的空間位置。

圖5 原始塔基部分數據示例

1.2 電力線路地理實體生成與修正

電力設備地理實體與電力線路的生成過程是對XML文件進行解析，并通過電力數據地理編碼生成線路數據地理實體。該過程的關鍵點在于通過地理編碼生成地理實體數據和修正線路桿塔。

1.2.1 地理實體的生成

地理編碼是指將坐標對、地址或地名等位置描述轉換為地球表面上某位置的過程。地理編碼時，可每次只輸入一個位置描述也可以表的形式一次提供多個描述。在原始電力數據中，只有桿塔給出了實際的三維坐標值（經度、緯度和高程值），絕緣子串、連接點和塔基均只給出了X、Y、Z方向的偏移量，其中絕緣子串和塔基是相對于桿塔的偏移量，連接點是相對于絕緣子串的偏移量。具體結構如圖6所示。

圖6 桿塔地理實體生成結構圖

將桿塔的地理坐標轉換為投影坐標后，首先根據桿塔投影坐標和絕緣子串相對于桿塔坐標位置的偏移量計算得到絕緣子串的空間實際坐標位置；再根據桿塔投影坐標和塔基相對于桿塔坐標位置的偏移量計算得到塔基的實際空間坐標位置；然后根據絕緣子串空間坐標與連接點相對于絕緣子串坐標位置的偏移量計算得到各連接點的實際空間坐標；最后對各結構的坐標值進行地理編碼，即可生成相應的實體對象。

1.2.2 電力線路桿塔的修正

電力線路桿塔的修正主要是修正桿塔的實際高程和朝向，以確保其空間位置在現實場景中的正確性。修正前為確保高程數據的精確性，需進行線路走廊平滑，主要是針對數據縫隙修正或數據更新。在具體數據中，不同區(qū)域的DEM數據分辨率有所不同，而較高分辨率的DEM數據對桿塔的高程修正更準確，因此當有高分辨率DEM數據時，需將其嵌入到低分辨率DEM數據中。此外，還有區(qū)域的DEM數據不止一幅的情況，需將多幅DEM數據鑲嵌為一幅DEM數據。

1）高程修正。在XML文件中，讀取的桿塔高程數據與桿塔實際高程值不一致，因此為確保其真實性，需進行高程修正。利用桿塔的X、Y坐標獲取在DEM數據中該位置的DEM值，并將其作為桿塔的實際高程值進行修正。

2）方向修正。在現實場景中，桿塔的朝向有一定的規(guī)則。為了使生成的導線數據更貼合實際，需進行桿塔方向的修正。從第一個桿塔開始，讀取其后兩個轉角塔，并計算3個轉角塔中的第二個塔與其兩邊桿塔所形成的夾角；再將中間桿塔的朝向修正為夾角角平分線的垂直方向；然后計算桿塔需要旋轉（順時針方向）的角度。以此類推，計算所有轉角塔、轉角直線塔需要旋轉的角度。然而，直線塔的朝向是所在兩個轉角塔間形成的直線的垂直方向，直線塔本身的旋轉角度為0°，因此直線塔需旋轉的角度是兩個轉角塔形成的角度。計算得到所有桿塔需要旋轉的角度后，根據各角度對整體桿塔進行方向修正。

1.3 電力導線的生成

對桿塔、絕緣子串、連接點和塔基等實體對象進行高程修正和方向修正后，再根據相關邏輯關系，利用連接點實體對象中的所有屬性信息生成電力線路導線，進而得到電力線路實體對象（線實體對象）。

1.3.1 連線邏輯

生成電力線路導線時，若沒有連線邏輯，則生成的導線將雜亂無章，與實際情況不符。因此，導線連接需要相應的邏輯關系。連線邏輯主要分為桿塔之間的連線和塔內部連線（主要針對轉角塔）兩種情況。

1）桿塔之間的連線邏輯。根據原始數據，首先讀取每個點對應的桿塔絕緣子串的回路（“Loop”信息）、層數位置（“Phase”信息）以及絕緣子串的前后位置（“BF”信息）；再讀取連接點的序號（“No”信息）進行連線。具體連接關系為“Loop”和“Phase”信息相同的點對應。“BF”和“No”信息的對應情況包括：懸垂串“B”到懸垂串“B”，編號對應；懸垂串“B”到耐張串“F”，編號為“1～8”的懸垂串與編號為“21～28”的耐張串對應；耐張串“B”到懸垂串“B”，編號為“21～28”的耐張串與編號為“1～8”的懸垂串對應；耐張串“B”到耐張串“F”，編號“21～28”的8個點對應。

2）桿塔內部連線邏輯。桿塔內部連線即轉角塔內部連線。“BF”和“No”信息的對應關系包括：耐張串“F”到跳線串“F”，耐張串的“1～8”號點與跳線串的“1～8”號點對應；跳線串“F”到耐張串“B”，跳線串的“21～28”號點與耐張串的“1～8”號點對應。其余“Loop”和“Phase”信息與桿塔之間的對應情況相同。

1.3.2 生成導線的弧度設定

在實際的電力線路中，為逼真表現輸電線路的真實形態(tài)，必須建立輸電線的三維弧垂模型，即生成的電力導線需要有一定的弧度。根據連線邏輯對需連線的點進行兩兩分組，計算每組兩個連接點之間的直線距離，再將連接點之間分成很多段，得到每個點的平面坐標值，然后根據連接點之間的距離計算桿塔之間生成的導線最低點（連接點連線的中點）高度。若桿塔之間距離大于桿塔高度，則連線最低點高度為桿塔的3/4；若桿塔之間距離小于桿塔高度，則連線最低點高度可以是一個適合的固定值（根據實際效果來確定），這樣即可保證每段導線的弧度大致相同，從而構建出與現實場景中導線弧度一致的情景。

1.4 電力模型掛接

對XML文件進行解析后，生成的桿塔、絕緣子串、連接點和塔基的實體數據是點對象，而電力導線實體數據為線對象。為使它們在三維場景中更貼合實際情景，需對各自的三維模型進行掛接。在解析XML文件時，桿塔、絕緣子串和塔基數據中的“Guid”關鍵字信息即為它們各自模型的指向，因此將生成的桿塔、絕緣子串和塔基地理實體數據中的“Guid”字段信息與模型數據進行匹配，再利用各自的坐標信息進行定位，最后將桿塔、絕緣子串和塔基的三維模型掛接到正確的空間位置。對于導線模型的掛接，通過生成電力導線的連接點進行定位，電力導線兩端點坐標值確定電力導線三維模型的位置。具體流程如圖7所示。

圖7 電力模型掛接與展示過程圖

2 結果展示與分析

2.1 電力設備地理實體與電力線路的生成

2.1.1 地理實體的生成

解析XML文件后，通過地理編碼得到各地理實體如圖8所示，可以看出，在線路三維情境中添加影像后，可清楚看到影像上存在桿塔圖像，且構建的三維桿塔位置正好與實際影像中的桿塔位置一致，說明構建的桿塔位置正確；各結構模型掛接后，桿塔整體結構完整，各部分連接吻合，地理實體對象生成正確。

圖8 桿塔實體生成

2.1.2 桿塔修正與展示

1）高程修正。桿塔高程修正前后的效果對比如圖9所示，可以看出，高程修正前桿塔整體最低點在DEM下方，桿塔陷入地下；高程修正后桿塔整體最低點與DEM貼合，桿塔立于地面，與實際情景相符。

圖9 高程修正前后對比圖

2）方向修正。桿塔方向修正前后比對如圖10所示，修正前后電力導線的連接情況如圖11所示，可以看出，方向修正前部分轉角塔與它們之間的直線塔的朝向幾乎是同一個方向，這就會使它們生成的電力導線在一條直線上，導致電力導線出現交叉（圖11a），使生成的電力導線不符合實際；方向修正后生成的電力導線（圖11b）井然有序，可明顯地看出兩個回路的電力導線，無導線連接的交叉情況，因此桿塔方向修正后電力線路更符合實際情況。

圖10 方向修正前后對比圖

圖11 方向修正前后連線對比圖

2.2 電力導線生成

生成的電力導線如圖12所示，可以看出，每段電力導線都具有一定的弧度，且每段之間的弧度大致相同，與實際電力導線情況一致。

圖12 導線連接圖

2.3 電力模型掛接

對桿塔結構中各模型進行掛接，效果如圖13所示。由轉角塔和直線塔掛接后的位置、形態(tài)可知，構成桿塔整體的各模型位置正確，導線的端點與絕緣子串模型的連接點一一對應，桿塔朝向正確。電力線路模型掛接后的效果如圖14所示，可以看出，模型掛接后導線具有一定弧度，生成的導線沒有交叉，絕緣子串上連接導線的部位與生成的導線連接部位一一吻合，說明生成的絕緣子串和連接點ShapeFile數據位置正確，模型掛接后的場景更貼合實際情景。

圖13 桿塔模型掛接整體展示

圖14 線路連接的情況

3 結語

本文以某特高壓輸電電力線路為研究對象，首先對三維模型描述文件進行解析和地理編碼，生成該電力線路的地理實體；然后通過地理實體與電力模型的掛接，實現了電力線路的三維重建與可視化。由三維展示結果可知，在三維重建的輸電電力線路中，桿塔位置與實際相匹配，桿塔結構部分和導線連接位置正確，生成的導線與實際一致，整體輸電電力線路三維重建效果良好。

隨著計算機技術的深入發(fā)展，國家電網工程也逐步走向信息化、智能化，其中電力線路的三維可視化是熱點問題。為了更直觀地展示電力線路，使電力數據與空間關系一目了然，從而為電力線路的運行、維護和規(guī)劃設計提供更好的決策支持，電力線路的三維重建十分必要。目前，電力線路的三維重建在人才、技術等方面還存在一些問題，但隨著時間的推移和相關支撐技術的不斷發(fā)展完善，這些問題將被逐一擊破。