任培祥，范光甫，刁富陽，王 剛

（北京洛斯達數(shù)字遙感技術有限公司，北京 100120）

移動終端電力三維GIS平臺設計與實現(xiàn)

任培祥，范光甫，刁富陽，王 剛

（北京洛斯達數(shù)字遙感技術有限公司，北京 100120）

摘要：本文研究了移動終端相關軟硬件環(huán)境以及海量基礎地理數(shù)據(jù)的組織與快速發(fā)布、電網(wǎng)三維模型的調度與渲染、矢量及地名數(shù)據(jù)的分塊與漸進式加載等關鍵技術，利用C++、OpenGL ES、移動互聯(lián)網(wǎng)技術等創(chuàng)建了基于移動終端的三維渲染引擎。利用該引擎提供的SDK開發(fā)了移動終端電力三維地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）基礎平臺，實現(xiàn)了信息模式共享以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合，同時設計并實現(xiàn)了電網(wǎng)業(yè)務的實用性功能。

關鍵詞：移動互聯(lián)網(wǎng)；電網(wǎng)三維模型；渲染引擎；三維GIS。

1　概述

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，手機、平板電腦等智能設備的應用越來越廣泛，各種應用層出不窮且如微信、手機淘寶等，移動智能終端已經(jīng)深入到我們生活的各個方面。由于3G/4G無線網(wǎng)絡技術的發(fā)展，移動智能終端在專業(yè)領域以及企業(yè)級方面的應用也越發(fā)凸顯，移動終端市場也必將成為這些領域的必爭之地。百度、騰訊、Google Earth、ESRI等互聯(lián)網(wǎng)及地理信息專業(yè)領域的企業(yè)在移動終端方面也都進行了重點研究并開發(fā)了相關的產(chǎn)品。但是在專業(yè)領域方面移動互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品還不能滿足企業(yè)級應用需求，缺乏有針對性的、實用性的產(chǎn)品。

本文通過研究移動設備的軟硬件、開發(fā)環(huán)境、三維圖形庫、GIS、觸控、語音識別等相關技術，研發(fā)了一套適用于移動終端的三維渲染引擎，該引擎提供二次開發(fā)包，支持Andriod 和IOS操作系統(tǒng)。利用該引擎搭建了移動終端電力三維GIS基礎平臺，可實現(xiàn)海量基礎地理數(shù)據(jù)發(fā)布、電網(wǎng)三維模型快速調度與渲染、矢量及地名數(shù)據(jù)漸進式加載以及電網(wǎng)業(yè)務實用性功能。

2　整體設計

2.1框架設計

系統(tǒng)采用典型的三層結構設計：數(shù)據(jù)層、服務層、表現(xiàn)層。數(shù)據(jù)層主要是存儲影像、地形、矢量、電網(wǎng)三維模型、地名等基礎數(shù)據(jù)；服務層主要是提供基礎數(shù)據(jù)的快速檢索及發(fā)布；表現(xiàn)層主要是通過無線網(wǎng)絡與服務層進行連接并接收發(fā)布的數(shù)據(jù)，最終在客戶端展現(xiàn)。系統(tǒng)結構見圖1。

圖1　系統(tǒng)架構

2.2流程設計

系統(tǒng)采用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)布及本地加載兩種方式實現(xiàn)基礎數(shù)據(jù)的展現(xiàn)，基礎影像、數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model， DEM）以及電網(wǎng)三維模型作為本系統(tǒng)最基本的數(shù)據(jù)，可分別通過上述兩種方式實現(xiàn)加載并展現(xiàn)。圖2中藍色代表基礎影像、DEM加載的流程，紅色代表電網(wǎng)三維模型加載的流程。整個流程的設計考慮到了移動終端硬件設備以及內(nèi)存的承載力，在數(shù)據(jù)加載的過程中系統(tǒng)做了相應的調度以及內(nèi)存控制，同時為了保證系統(tǒng)運行的效率，采用了多線程設計模式。

圖2　系統(tǒng)數(shù)據(jù)加載流程

2.3關鍵接口設計

系統(tǒng)核心的功能包括兩個：（1）海量基礎地理數(shù)據(jù)的加載、調度；（2）電網(wǎng)三維模型的調度與快速渲染。

海量基礎地理數(shù)據(jù)加載通常采用WMTS（Web Map Tile Service，地圖瓦片服務）實現(xiàn)，WMTS是OGC中規(guī)定的Web服務之一，可以通過網(wǎng)絡訪問的方式能夠為用戶提供地圖瓦片服務?？蛻舳藢⑾嚓P信息通過服務鏈接的方式發(fā)送至服務端，然后由服務端根據(jù)參數(shù)進行快速搜索并將結果返回給客戶端，主要接口包括：瓦片地理范圍、層級、服務名、行號、列號等。

電網(wǎng)三維模型采用數(shù)據(jù)庫和文件方式聯(lián)合存儲，數(shù)據(jù)庫存儲了電網(wǎng)三維模型的關聯(lián)信息，文件存儲了三維模型實體數(shù)據(jù)。系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)庫的信息以及實體模型數(shù)據(jù)可構建出電網(wǎng)三維模型的關聯(lián)關系，能夠實現(xiàn)線路桿塔、絕緣子/金具、導線的準確繪制，主要接口包括：模型路徑、線路名稱、回路數(shù)、導線分裂數(shù)、掛點、姿態(tài)等。

2.4 跨平臺設計

跨平臺是指系統(tǒng)的開發(fā)和實現(xiàn)不依賴于操作系統(tǒng)或者硬件，系統(tǒng)程序代碼不需要修改過多就可以在其它操作系統(tǒng)上成功運行。語言方面，C/C++屬于源碼級跨平臺開發(fā)語言，可以作為程序語言的首選，Android和IOS操作系統(tǒng)與UI相關的系統(tǒng)函數(shù)使用的特定語言分別為JAVA、Objective-C語言，底層核心都支持常見的跨平臺語言C/C++語言；圖形渲染方面OpenGL ES是OpenGL三維圖形API的子集，在Android和IOS操作系統(tǒng)都支持底層C/C++語言的函數(shù)接口，用戶可以將OpenGL ES代碼進行封裝，構建底層核心代碼。

跨平臺設計是移動三維GIS系統(tǒng)能夠在安裝不同操作系統(tǒng)的移動設備正常運行的基本原則。采用UI與底層核心分離的設計原則，使得UI使用系統(tǒng)特有語言進行與用戶操作相關的開發(fā)，底層采用C語言封裝OpenGL ES的方式構建核心類庫與接口，這種跨平臺設計方法兼顧了用戶體驗和系統(tǒng)的高效性與跨平臺特性。

3　關鍵技術研究

3.1海量基礎地理數(shù)據(jù)發(fā)布

3.1.1數(shù)據(jù)組織方式

系統(tǒng)采用常規(guī)的四叉樹組織方式，將原始數(shù)據(jù)處理成瓦片金字塔，全球范圍內(nèi)第0層為2×1張，第1層為4×2張依次類推，見圖3。

圖3　瓦片金字塔分塊示意圖

3.1.2數(shù)據(jù)調度及渲染

系統(tǒng)采用了分頁機制實現(xiàn)了金字塔瓦片的調度，分頁機制的工作方式是按照用戶的可視范圍，將多個子節(jié)點設置為復雜模型的多個細節(jié)層次，在視點靠近時呈現(xiàn)較多的物體細節(jié)，而在遠離時僅僅顯示出一個簡化的模型，從而降低了運算和繪制的負擔。與普通多細節(jié)層次（Levels of Detail， LOD）不同的是，它不需要將所有層次的節(jié)點一次性加載進內(nèi)存，而僅僅需要指定各個層次節(jié)點的文件名。在程序運行階段，利用分頁數(shù)據(jù)庫功能將這些節(jié)點動態(tài)加載到場景中，并根據(jù)用戶當前的可視范圍，將那些一段時間內(nèi)無法被看到的子節(jié)點從內(nèi)存中卸載，以節(jié)約系統(tǒng)資源。如果用戶的視域改變，被釋放的細節(jié)層次子節(jié)點又重新進入視野，分頁數(shù)據(jù)庫線程會重新加載它，見圖4。

圖4　四叉樹結構中使用分頁原理

3.1.3下載緩存

建立緩存的目的主要是提高數(shù)據(jù)的訪問速度，本系統(tǒng)基于移動設備的特點設計了相應的緩存機制，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)下載并緩存。移動端的緩存機制主要包括兩個模塊：下載和緩存。其中下載模塊主要負責下載隊列的新建、開啟、關閉、管理、刪除以及瓦片請求的添加、處理、刪除等；緩存模塊主要為每一條下載線程存儲緩存文件（*.dat）及索引文件（*.idx），在應用程序運行初始時通過讀取索引文件讀入緩存文件中的瓦片數(shù)據(jù)。緩存文件中記錄了瓦片數(shù)據(jù)的字節(jié)流，索引文件記錄了該瓦片對應的行列號，緩存文件和索引文件一并使用。

3.2電網(wǎng)三維模型調度與渲染

3.2.1數(shù)據(jù)組織方式

電網(wǎng)三維模型的數(shù)據(jù)量相對較大、關聯(lián)關系較復雜等特點，數(shù)據(jù)存儲采用數(shù)據(jù)庫及文件聯(lián)合方式?？紤]到移動平臺軟硬件環(huán)境的兼容性以及服務端數(shù)據(jù)發(fā)布，本系統(tǒng)采用SQLite數(shù)據(jù)庫存儲電網(wǎng)三維模型的線路信息及關聯(lián)信息，如：模型路徑、線路名稱、回路數(shù)、導線分裂數(shù)、掛點、姿態(tài)等，可支持多條線路數(shù)據(jù)；采用文件的方式存儲了三維模型實體數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按照線路代碼分文件夾存儲。

3.2.2數(shù)據(jù)調度及渲染

由于電網(wǎng)三維模型數(shù)據(jù)很大，構建全部模型需要很長時間和占用大量內(nèi)存，對于移動設備來說無疑會增加很大開銷。本文研究了根據(jù)視點的位置來加載視野內(nèi)的線路數(shù)據(jù)，根據(jù)特定淘汰算法卸載那些長時間不在視野內(nèi)的線路數(shù)據(jù)，通過這種策略有效減少了系統(tǒng)占用的內(nèi)存。考慮到桿塔、絕緣子/金具等模型的精細化程度，本文研究了LOD及Impostor技術來提升模型渲染的效率。

3.2.3網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)布

SQLite支持C++程序使用，同時支持PHP、JAVA、.NET連接訪問，考慮到線路數(shù)據(jù)需要進行網(wǎng)絡發(fā)布，且SQLite不具備遠程訪問的功能，本文研究了移動端通過Web Service 的方式獲取線路數(shù)據(jù)，服務器端使用Apache+PHP組合實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)查詢請求，客戶端向服務器發(fā)送一條包含SQL查詢語句字符串，PHP網(wǎng)頁獲取并解析，同時連接本地SQLite數(shù)據(jù)庫進行查詢，然后將查詢結果返回給客戶端，最終實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)布。

3.3矢量及地名數(shù)據(jù)分塊與漸進式加載

3.3.1數(shù)據(jù)組織方式

矢量數(shù)據(jù)包括點、線、面三種類型，地名屬于點狀類型。矢量加載分為真矢量及柵格化矢量兩種方式，各有優(yōu)缺點。真矢量優(yōu)點是顯示效果好，查詢操作簡單，缺點是數(shù)據(jù)結構復雜；柵格化矢量優(yōu)點是數(shù)據(jù)結構簡單，缺點是顯示效果差、查詢操作復雜。結合實際情況本文研究了真矢量的加載及繪制方式。矢量和地名數(shù)據(jù)本身并沒有特殊性，根據(jù)移動終端的硬件環(huán)境，本文設計了將矢量數(shù)據(jù)直接存儲，將地名數(shù)據(jù)存儲到SQLite數(shù)據(jù)庫中，方便進行數(shù)據(jù)服務發(fā)布。

3.3.2數(shù)據(jù)調度及渲染

矢量和地名數(shù)據(jù)具有連續(xù)性強，覆蓋范圍大，且具有層級分布特性，如矢量數(shù)據(jù)和地名數(shù)據(jù)通常情況下按照不同級別進行存儲，如省級、地市級、縣級、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級。根據(jù)數(shù)據(jù)的特點，系統(tǒng)研究了適用于矢量、地名層級渲染的機制，目標是利用瓦片切片機制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分塊處理及分層加載?；舅枷胧牵簩⒚恳粚樱悾?shù)據(jù)根據(jù)覆蓋范圍大小選擇合適的塊大小進行動態(tài)切分，然后根據(jù)不同級別數(shù)據(jù)的特點選擇合適的LOD層級進行動態(tài)加載及渲染。

3.3.3數(shù)據(jù)編碼規(guī)則

系統(tǒng)根據(jù)場景視點的位置對多塊數(shù)據(jù)進行判斷，原則是在視野范圍之內(nèi)的加載，不在視野范圍之內(nèi)的剔除，這種機制實現(xiàn)的前提是數(shù)據(jù)塊要有統(tǒng)一的編碼規(guī)則。

具體公式如下：

式中：lat、lon分別為數(shù)據(jù)的位置； n為數(shù)據(jù)層級（不同級別n的值設定的不一樣）。

4　系統(tǒng)介紹

4.1功能特點

系統(tǒng)支持Andriod和IOS，底層采用C++、OpenGL ES等技術，上層根據(jù)不同操作系統(tǒng)選擇對應的語言，Andriod端采用JAVA，IOS端采用Object-C，通過上層調用底層的接口實現(xiàn)不同的應用。主要功能如下：

（1）海量基礎地理數(shù)據(jù)調度與漫游

系統(tǒng)支持無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)服務發(fā)布，支持多分辨率影像和DEM數(shù)據(jù)加載，能夠實現(xiàn)海量基礎地理數(shù)據(jù)的快速調度與漫游。數(shù)據(jù)可通過配置的方式進行加載，方便用戶使用。

（2）電網(wǎng)三維模型快速加載及渲染

系統(tǒng)支持包括線路桿塔、絕緣子/金具、導線等電網(wǎng)三維模型的精確繪制，能夠真實還原現(xiàn)場環(huán)境，同時支持物體拾取，便于做進一步業(yè)務應用開發(fā)。

（3）矢量、地名數(shù)據(jù)加載

系統(tǒng)支持各級行政區(qū)劃及地名數(shù)據(jù)的分塊漸進式加載，支持數(shù)據(jù)的屬性查詢。

（4）全 球 定 位 系 統(tǒng)（Global Positioning System， GPS）實時定位及軌跡繪制

系統(tǒng)支持GPS實時定位，同時支持用戶軌跡的實時繪制，便于用戶進行自身的快速定位及目標點的跟蹤判斷。

（5）地物標繪

系統(tǒng)支持點狀、線狀、面狀地物標繪，如測量控制點、輸電線路、交叉跨越河流及房屋等，便于用戶進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，如外業(yè)調繪。

（6）信息查詢

系統(tǒng)支持線路及熱點的信息查詢，同時支持興趣點的標注，便于用戶及時了解線路整體及敏感點信息。

（7）數(shù)據(jù)采集與上傳

系統(tǒng)支持拍照、文字錄入及上傳功能，能夠進行實地現(xiàn)場拍照并上傳至指定服務器，充分利用了移動互聯(lián)網(wǎng)技術手段，有效保證了數(shù)據(jù)的及時性、準確性。

除上述功能外，系統(tǒng)還提供了圖層管理、坐標定位、飛行漫游、多種對象繪制、空間分析等相關功能，便于用戶進行多種應用。

4.2運行效率

系統(tǒng)以晉東南—南陽—荊門1000 kV特高壓交流試驗示范工程、部分陜西省內(nèi)線路工程、哈鄭特高壓工程陜西段、全國范圍內(nèi)的矢量行政區(qū)劃、地名注記以及其它附屬信息為試驗數(shù)據(jù)，分別在iPad 3和iPad 4上進行了運行測試，iPad 3 和iPad 4硬件配置見表1。表2測試結果表明：（1）隨著系統(tǒng)加載數(shù)據(jù)量的增大，系統(tǒng)內(nèi)存占用越多，運行效率也會變慢；（2）不同的數(shù)據(jù)采用的調度機制也會對渲染產(chǎn)生一定的影響；（3）在iPad 4上相同數(shù)據(jù)運行的效率要明顯高于iPad 3。

表1　硬件配置

表2　內(nèi)存占用及渲染幀率

5　結語

本文研究了移動終端軟硬件、無線網(wǎng)絡、三維可視化、GIS等相關技術，設計并開發(fā)了一套適用于移動終端的三維渲染引擎，同時利用該引擎搭建了移動端電力三維GIS基礎平臺。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，移動智能終端的應用在專業(yè)領域及企業(yè)級方面會更加深入。本文以電力行業(yè)的部分業(yè)務為研究對象，實現(xiàn)了一些實用性功能，后續(xù)還會進行針對性的研究與開發(fā)，提高移動終端三維GIS在電力行業(yè)中的應用。

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中圖分類號：TM715

文獻標志碼：B

文章編號：1671-9913（2015）02-0056-05

* 收稿日期：2014-07-30

作者簡介：任培祥（1979- ），男，河北泊頭人，碩士，工程師，主要從事電力三維GIS研究與應用；

Design and Implementation of Power 3D GIS on Mobile Terminal

REN Pei-xiang， FAN Guang-fu， DIAO Fu-yang， WANG Gang
（Beijing North-star Digital Remote Sensing Technology Co.，Ltd.， Beijing 100120， China）

Abstract：Due to the good effect of DC based de-icing technique used in overhead transmission line， it has been widely used in conductor de-icing of 500kV and above AC transmission line line. The ground wire de-icing technology becomes the current problem to be solved. In Shi Bing - Xian Ling Shan 500kV transmission line anti-icing renovation project， according to the complex ground wires， we made deeply study on the DC based de-icing technique for the project and calculated and analyzed. Then we proposed appropriate solutions for de-icing of this project and achieved good effect. This paper based on engineering practice combined with DC based de-icing technology and proposed next prospect.

Key words：mobile internet；power 3D model； rendering engine；3D GIS.