任培祥，侯小波，郭 雁，董 健，董鉥濤

(1.北京洛斯達(dá)數(shù)字遙感技術(shù)有限公司，北京 100120；2.西北電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710000)

電網(wǎng)三維GIS系統(tǒng)核心的數(shù)據(jù)包括兩部分：基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和電網(wǎng)三維模型。基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要用來還原現(xiàn)場的地形、地貌，將真實(shí)的地理環(huán)境呈現(xiàn)出來，技術(shù)上采用金字塔瓦片、動(dòng)態(tài)調(diào)度來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效加載及渲染；電網(wǎng)三維模型主要是用1∶1建模以及經(jīng)過材質(zhì)、紋理貼圖等處理的精細(xì)化模型來模擬線路、變電站的真實(shí)場景。從地理空間上看，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。

為了實(shí)現(xiàn)大量高精度的電網(wǎng)三維模型的動(dòng)態(tài)調(diào)度與快速渲染，本文首先研究了模型簡化機(jī)制，對各種精細(xì)的電網(wǎng)設(shè)備模型，在保持原設(shè)備不失真的情況下進(jìn)行簡化，構(gòu)建多細(xì)節(jié)層次(Levels of Detail，LOD)模型文件；針對模型地理密度大的特點(diǎn)，建立分塊索引機(jī)制，提高模型查找速度，減少模型的實(shí)時(shí)載入量；設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了面向?qū)ο蟮哪Ｐ蛿?shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)度，形成基于大批量電網(wǎng)模型的三維渲染引擎；采用LOD技術(shù)，在不影響視覺效果的情況下降低數(shù)據(jù)復(fù)雜程度和每秒進(jìn)行讀寫(Input/Output,IO)吞吐量，從而更好的提高模型數(shù)據(jù)的訪問和渲染效率，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)電網(wǎng)設(shè)備的高效快速渲染。

1 模型組織優(yōu)化

1.1 提高設(shè)備模型的復(fù)用率

電網(wǎng)設(shè)備一般都是由較小一級(jí)的設(shè)備組建而成，上一級(jí)的設(shè)備包含較多重復(fù)的小設(shè)備例如一個(gè)絕緣子串由多個(gè)相同的絕緣子片構(gòu)成，一個(gè)變電站內(nèi)包含多個(gè)避雷針、電抗器、斷路器等。針對電網(wǎng)設(shè)備的這種特點(diǎn)，使用實(shí)體—引用的建模方式可以大大提高模型的復(fù)用率，實(shí)體是物理模型，引用是一個(gè)指向某個(gè)物體模型的指針，通過引用創(chuàng)建的模型副本并不增加實(shí)際多邊形數(shù)量。

本文使用對象建模技術(shù)對原始電網(wǎng)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析，以設(shè)備對象為建模單元，通過引用關(guān)系組裝電網(wǎng)模型。將設(shè)備模型與其位置、屬性建立統(tǒng)一序列標(biāo)識(shí)，進(jìn)而組織成完整的帶有屬性信息的電網(wǎng)模型。這種模型組織方式保證了電網(wǎng)模型的局部設(shè)備的獨(dú)立性與全局模型的完整性。各個(gè)設(shè)備模型得到充分復(fù)用，提高了資源利用率，減少了模型的內(nèi)存消耗。

以變電站為例，變電站由主變壓器、配電變壓器、斷路器、電抗器等一系列設(shè)備組成，這些設(shè)備在變電站中可能同時(shí)存在多個(gè)。在建模的時(shí)候，每個(gè)設(shè)備單獨(dú)建模，之后根據(jù)設(shè)備的位置、屬性建立模型與空間上的引用關(guān)系，構(gòu)建完整的變電站模型。

1.2 減少多邊形數(shù)量

任何實(shí)時(shí)系統(tǒng)的圖形硬件，在一個(gè)給定的幀頻率下都只能對有限數(shù)量的多邊形進(jìn)行各種實(shí)時(shí)的計(jì)算處理。如果模型的多邊形數(shù)量超過了系統(tǒng)的處理能力，仿真應(yīng)用就無法順暢地運(yùn)行。

本文在保證電網(wǎng)模型可視效果的情況下，一方面去除電網(wǎng)模型不必要的設(shè)備組件；一方面采用紋理替代模型細(xì)節(jié)的方法，使用紋理豐富模型細(xì)節(jié)，在視覺上給人以真實(shí)感。圖1中，建筑物模型本身是個(gè)簡單的幾何體，在每個(gè)面上貼上紋理后，建筑物就顯得比較真實(shí)了，圖中的門窗都是通過紋理表現(xiàn)。

圖1 建筑物紋理貼圖

1.3 模型簡化

模型簡化的目的是在盡可能保持原模型可視特征的條件下，減少模型的三角面數(shù)目，實(shí)際上就是用盡可能少的表面采樣點(diǎn)來表示原始模型的細(xì)節(jié)信息。常見的簡化機(jī)制包括頂點(diǎn)聚類、增量式簡化、采樣和自適應(yīng)細(xì)分，簡化算法基本都采用了這四種機(jī)制的某種結(jié)合或者是變形。

本文采用半邊折疊算法對模型進(jìn)行簡化預(yù)處理。半邊折疊是增量式簡化算法的一種，該算法具有簡化模型質(zhì)量高、健壯性好的優(yōu)點(diǎn)。為了保持模型的外形特征，本文使用Hussain等人提出的保持特征的高效簡化算法，用頂點(diǎn)在鄰域內(nèi)的尖銳程度度量每個(gè)原始頂點(diǎn)的視覺重要性，以此查找折疊邊。

半邊折疊僅對原始模型頂點(diǎn)進(jìn)行子集采樣，算法不會(huì)產(chǎn)生新頂點(diǎn)。圖2所示一次半邊折疊的簡化操作完成，從原始網(wǎng)格中刪除了兩個(gè)面、一個(gè)點(diǎn)、三條邊。通過在原始模型上進(jìn)行一系列的半邊折疊操作，原模型就被簡化成了一系列的中間近似模型，最后形成目標(biāo)模型。

圖2 半邊折疊操作示意圖

在模型簡化的過程中，生成了不同細(xì)節(jié)層次的模型，這些模型都是原始模型的子集，將這些模型以增量的方式存儲(chǔ)起來，形成了一個(gè)連續(xù)的LOD模型，見圖3。圖3(a)是0級(jí)模型即LOD0，圖3(b)是1級(jí)模型即LOD1，圖3(c)是2級(jí)模型即LOD2，可以看到隨著LOD層級(jí)的增加，模型的頂點(diǎn)個(gè)數(shù)明顯減少，見圖3和表1。

圖3 不同層級(jí)模型的對比圖

表1 不同層級(jí)模型頂點(diǎn)數(shù)量對比

2 模型的調(diào)度與渲染機(jī)制優(yōu)化

2.1 分塊索引技術(shù)

在大規(guī)模場景漫游時(shí)，對于一個(gè)給定的視點(diǎn)位置和視線方向，通常只有一部分范圍可見。因此，在對整個(gè)場景進(jìn)行可視化前，應(yīng)該根據(jù)當(dāng)前視點(diǎn)位置及視線方向等參數(shù)對場景中的模型進(jìn)行揀選，只渲染在當(dāng)前視野范圍內(nèi)模型數(shù)據(jù)。為了能夠快速地訪問多分辨率的模型數(shù)據(jù)，必須建立快速的空間索引機(jī)制。

本文采取四叉樹結(jié)構(gòu)對電網(wǎng)三維模型建立空間索引，見圖4。四叉樹中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含了空間位置信息，葉節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)模型數(shù)據(jù)。

圖4 四叉樹結(jié)構(gòu)圖

實(shí)時(shí)仿真時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)模型四叉樹結(jié)構(gòu)劃分，檢查單個(gè)設(shè)備模型外包盒與場景中的四叉樹節(jié)點(diǎn)相交情況，如果不相交則放棄遍歷該節(jié)點(diǎn)及其子樹；反之，則繼續(xù)遍歷直到葉節(jié)點(diǎn)為止。利用該技術(shù)減少了場景中模型的載入量，提高了模型的調(diào)度效率。

2.2 LOD模型的調(diào)度與渲染

LOD技術(shù)是為了解決可視化仿真過程中系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和模型的逼真度之間的矛盾而出現(xiàn)的，廣泛應(yīng)用于飛行仿真、復(fù)雜三維場景的快速繪制、交互可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。其基本思想是對同一場景或場景中的物體，使用不同細(xì)節(jié)的描述方法得到一組模型，在圖形繪制中依據(jù)視點(diǎn)選擇合適的細(xì)節(jié)層次模型進(jìn)行繪制。

本文運(yùn)用LOD思想實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)三維場景的調(diào)度與渲染。如圖5—圖9是從顯示地理接線圖、導(dǎo)地線、簡化模型、精細(xì)模型的整個(gè)過程。這種模型的調(diào)度方式，不但提高了系統(tǒng)的渲染速度，也符合視覺習(xí)慣，達(dá)到模型渲染速度與渲染效果的最佳平衡。

2.3 實(shí)例化(Instancing)技術(shù)

實(shí)例化技術(shù)是一種批量渲染技術(shù)，當(dāng)三維模型中具有多個(gè)相同幾何形狀但是空間位置不同的物體時(shí)，采用實(shí)例化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)使用一個(gè)模型數(shù)據(jù)，繪制多個(gè)模型實(shí)例的效果。該技術(shù)在增加同類物體數(shù)量的情況下而不增加實(shí)際多邊形數(shù)量，這樣既節(jié)省系統(tǒng)的內(nèi)存空間和磁盤存儲(chǔ)空間，還可以改善實(shí)時(shí)系統(tǒng)的處理性能。

電網(wǎng)模型使用組件化建模方法，以設(shè)備模型為基礎(chǔ)，采用設(shè)備組裝的方式構(gòu)建整體模型。這種模型組織結(jié)構(gòu)十分切合實(shí)例化技術(shù)的要求。本文采用實(shí)例化技術(shù)渲染電網(wǎng)模型，并將該技術(shù)集成到電網(wǎng)三維GIS平臺(tái)的渲染引擎中。電網(wǎng)模型渲染時(shí)，不同空間位置但設(shè)備模型相同的多個(gè)模型，一次全部渲染完成，大大提高了電網(wǎng)模型的渲染速度。

3 應(yīng)用實(shí)例

目前，本文中所述的技術(shù)已經(jīng)在“三維全景智能電網(wǎng)信息化支撐平臺(tái)(NSC Globe)”上得到應(yīng)用，利用該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)GB級(jí)數(shù)據(jù)量模型的加載及渲染，且運(yùn)行效率優(yōu)于國內(nèi)主流三維GIS平臺(tái)。同時(shí)以NSC Globe為三維GIS基礎(chǔ)平臺(tái)搭建了適用于電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等全過程的多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，為業(yè)主單位帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié)論

電網(wǎng)三維模型作為電力三維GIS系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其顯示的效率及效果直接影響到用戶的體驗(yàn)，本文通過對電網(wǎng)三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，組織并設(shè)計(jì)了適用于此類模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)三維模型尤其是大數(shù)據(jù)量模型的快速調(diào)度及渲染，這為后續(xù)三維GIS基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)以及應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

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