鄭浩勇++高磊

摘 要：將三維可視化GIS用于電力信息系統(tǒng)是經(jīng)濟社會發(fā)展的需要。該文探討了數(shù)據(jù)組織與空間索引方法、多源數(shù)據(jù)的集成與管理等幾種電力信息系統(tǒng)中三維GIS關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎上，論文初步探討了三維輸電線路GIS系統(tǒng)的構(gòu)建方法，相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：電力信息系統(tǒng) 三維GIS 關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：TM726 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（c）-0001-03

由于電力信息系統(tǒng)中的輸電線路和桿塔等設施是以三維空間形式存在的，各種線路在三維空間上存在著不同程度和方式的交叉和重疊，因此目前二維GIS對于完整地描述電力信息系統(tǒng)對象是有一定限制的。而三維GIS能以其真實可視化效果生動地再現(xiàn)現(xiàn)實景觀，直觀地表達電力信息系統(tǒng)中對象同周圍地理環(huán)境在空間上的相互關(guān)系，并將有關(guān)電力信息系統(tǒng)的各種信息綜合起來，建立一個虛擬的環(huán)境，在這樣的虛擬環(huán)境中來規(guī)劃和設計電力信息系統(tǒng)中的輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)及電站等，并采用一定的突進查詢分析相關(guān)對象的屬性信息，同時進行相應的專業(yè)電力分析，這是二維GIS所無法比擬的。但到目前為止，有關(guān)三維GIS在電力信息系統(tǒng)中的應用仍處于研究和探索階段。

把三維可視化GIS技術(shù)納入到電力信息系統(tǒng)方面的應用同時要借助于計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、遙感技術(shù)、可視化技術(shù)、組件技術(shù)和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的有力支撐。這些技術(shù)將電力設備及其相關(guān)的基礎設施、功能設施數(shù)字化，建立起數(shù)據(jù)庫，并通過計算機高速通信網(wǎng)絡相連接，為電力信息系統(tǒng)提供高度自動化、智能化的規(guī)劃設計、工程施工、線路搶修、維護管理與統(tǒng)計分析等功能，為各相關(guān)部門提供多專業(yè)、多層次、多目標的綜合服務。在這個過程中，有多種數(shù)據(jù)的參與，包括地形DEM數(shù)據(jù)、表現(xiàn)地表景觀的DOM、矢量數(shù)據(jù)DLG、多種地物數(shù)據(jù)、紋理、描述性文本資料，同時還有圖片、聲音和錄像等多種媒體數(shù)據(jù)，這種多源的數(shù)據(jù)需要采用一定的方法進行集成與管理，并采用一定的數(shù)據(jù)組織與空間索引方法。對于海量的、大范圍的電力線路數(shù)據(jù)漫游，則需利用動態(tài)裝載的方式。電力信息系統(tǒng)有其自成一體的框架和體系，它不僅包含空間信息的處理與分析，而且還包括非空間信息的管理，這要求三維GIS以松散的方式去耦合，采用組件技術(shù)是一種較好的思路。

1 數(shù)據(jù)組織與空間索引方法

1.1 數(shù)字地面模型DTM

輸電線路是位于地理空間中的人工建筑物，線路距離長，通過地區(qū)地理條件復雜，有平地、丘陵、沼澤、森林、田地、公路、鐵路、河流、湖泊等。它與眾多電力線路、通訊線路交叉跨越，還常常通過居民地、公園、風景名勝保護區(qū)。因此其架線構(gòu)網(wǎng)的基礎是三維地形的構(gòu)建。電力線的架設需要在大比例尺的地形上設計，而所要處理的大比例尺高精度地形數(shù)據(jù)又十分復雜，故可采用靈活的不規(guī)則三角網(wǎng)TIN結(jié)構(gòu)這種常用的方式來形成數(shù)字地面模型（DTM）。數(shù)字地形模型（Digital Terrain Mode，簡稱DTM），是在空間數(shù)據(jù)庫中存儲并管理的空間地形數(shù)據(jù)集合的統(tǒng)稱，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述。地形表面形態(tài)的屬性信息一般包括高程、坡度、坡向等。它是建立不同層次的資源與環(huán)境信息系統(tǒng)不可缺少的組成部分。在信息系統(tǒng)分析和評價空間信息并以此為依據(jù)進行規(guī)劃和決策時，十分注重地表屬性的三維特征，諸如高度、坡度、坡向等重要的地貌要素，并使這些要素成為地學分析和生產(chǎn)應用中的基礎數(shù)據(jù)。

1.2 不規(guī)則三角網(wǎng)TIN

不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）是數(shù)字地面模型DTM表現(xiàn)形式之一，該法利用實測地形碎部點、特征點進行三角構(gòu)網(wǎng)?；诓灰?guī)則三角形建模是直接利用野外實測的地形特征點（離散點）構(gòu)造出鄰接的三角形，組成不規(guī)則三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)。采用TIN結(jié)構(gòu)，可以靈活、逼真、快速地建立具有任意邊界形狀的目標模型，這對于空間查詢和分析結(jié)果的三維表示極為重要。相對于規(guī)則格網(wǎng)，不規(guī)則三角網(wǎng)具有以下優(yōu)點。

（1）三角網(wǎng)中點和線的分布密度和結(jié)構(gòu)完全可以與地表的特征相協(xié)調(diào)，直接利用原始資料作為網(wǎng)格結(jié)點。（2）不改變原始數(shù)據(jù)和精度。（3）能夠插入地形線以保存原有關(guān)鍵地形特征。（4）能很好地適應復雜、不規(guī)則地形，從而將地表的特征表現(xiàn)得淋漓盡致。

但是數(shù)據(jù)量大、圖形結(jié)構(gòu)復雜是采用TIN的最大困難所在，尤其是在線路較長的情況下數(shù)量更加巨大，問題更加突出，其有效的數(shù)據(jù)組織與管理自然就成了一個關(guān)鍵問題。從離散的大地點到DTM的生成，關(guān)鍵技術(shù)在于內(nèi)插方式的選擇。使用內(nèi)插方式的主要問題在于難以選擇合適的鄰域點集合以及權(quán)重的定義，特別是對于很破碎的地形情況，很容易產(chǎn)生地形失真。相比之下，TIN由于可以適應各種數(shù)據(jù)分布，并能方便地處理斷裂線、構(gòu)造線、不連續(xù)的地表等數(shù)據(jù)，故很容易顧及地形特征進而能生成質(zhì)量較高的DEM而備受人們的青睞。

為了提高不規(guī)則三角網(wǎng)的查尋速度，采用了分塊索引、分層的邊界框和R-trees技術(shù)用來支持快速的索引和搜索。分塊大小的確定在很大程度上也會影響數(shù)據(jù)檢索的效率。為了恰當確定分塊大小，一般要計算三角形的平均邊長，并考慮整個區(qū)域的大小。

2 多源數(shù)據(jù)的集成與管理

2.1 多源數(shù)據(jù)的形成

利用三維可視化GIS來規(guī)劃設計和管理輸電配電網(wǎng)要涉及多種不同類型、來源的數(shù)據(jù)。首先是構(gòu)成三維景觀的基本地形數(shù)據(jù)：數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)DEM，矢量圖形數(shù)據(jù)DLG；其次是表現(xiàn)景觀的影像數(shù)據(jù)DOM；另外是多種地物信息和屬性信息，如電力線、桿塔模型、絕緣子、電站、編碼、顏色、材質(zhì)、紋理、描述性文本資料，同時還有圖片、聲音和錄像等多媒體數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的格式也各不相同：不同格式的DEM數(shù)據(jù)是一系列高程信息，地表景觀需要大量的遙感或航空影像數(shù)據(jù)，輸電線路、街道是三維線狀數(shù)據(jù)，房屋建筑為體狀地物；還有來自不同軟件制作的模型數(shù)據(jù)：如由AutoCAD得到的DXF二維矢量地物，由3DMAX得到的3DS模型數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)庫中除了管理大比例尺地形和高分別率影像數(shù)據(jù)外，三維建筑物、電力線及桿塔形狀的重建和繪制、表面性質(zhì)的描述和材質(zhì)參數(shù)都已成為數(shù)據(jù)庫的一部分。一個成熟的3D數(shù)據(jù)庫包括幾何關(guān)系數(shù)據(jù)、照片紋理和其他附加信息數(shù)據(jù)，加起來將達到幾千億個字節(jié)的數(shù)據(jù)。如果系統(tǒng)中的桿塔模型是通過3DMAX建立的3DS模型，一條線路上成千上百個模型的數(shù)據(jù)加上長大線路的影像數(shù)據(jù)常常會達到幾十甚至上百個GB。如此復雜、龐大的海量數(shù)據(jù)必須進行有效的組織和管理。

2.2 多源數(shù)據(jù)的管理

在三維電力GIS中對于數(shù)據(jù)的管理是一個關(guān)鍵性問題。不同類型的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作上都存在很大的不同，因此必須提供不同類型數(shù)據(jù)的一體化管理。對不同介質(zhì)、不同來源的數(shù)據(jù)進行存儲、管理、分析是實現(xiàn)三維可視化GIS融入到電力信息系統(tǒng)的必備功能之一。

（1）空間數(shù)據(jù)庫引擎SDE。把GIS數(shù)據(jù)放在RDBMS中，但是一般的RDBMS都沒有提供GIS的數(shù)據(jù)類型（如點、線、多邊形以及它們之間的拓撲關(guān)系和投影坐標等相關(guān)信息），RDBMS只提供了少量的數(shù)據(jù)類型支持： int、float、double、long、char等，一般都是數(shù)字、字符串和二進制數(shù)據(jù)幾種。并且RDBMS不僅沒有提供對GIS數(shù)據(jù)類型的存儲，也沒有提供對這些基礎類型的操作（如：判斷包含關(guān)系，相鄰、相交、求差、距離、最短路徑等）。ESRI公司推出的空間數(shù)據(jù)庫引擎（Spatial DatabaseEngine，簡稱SDE）是目前國際上領先的GIS數(shù)據(jù)處理的網(wǎng)絡計算模型，用以支持超大型空間數(shù)據(jù)庫管理以及在網(wǎng)絡環(huán)境中對多用戶并發(fā)空間數(shù)據(jù)訪問的快速訪問的快速響應方面的應用。SDE采用真正的客戶/服務器體系結(jié)構(gòu)，是高性能、面向目標的空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并提供一系列用于管理和訪問大型分布式地理數(shù)據(jù)的功能，由一個多線程的空間數(shù)據(jù)庫服務器和客戶應用程序接口（API）組成。

（2）Oracle數(shù)據(jù)庫。傳統(tǒng)的文件管理由于在數(shù)據(jù)共享、并發(fā)控制等方面存在弱點，無法成為海量數(shù)據(jù)管理的主流，而數(shù)據(jù)庫的發(fā)展就成了必然的趨勢。近幾年發(fā)展起來的對象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫如Oracle對海量的空間數(shù)據(jù)管理有它獨特的優(yōu)勢。Oracle是以高級結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）為基礎的大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫，通俗地講，它是用方便邏輯管理的語言操縱大量有規(guī)律數(shù)據(jù)的集合，是目前最流行的客戶/服務器（Client/Server）體系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫之一。采用Oracle數(shù)據(jù)庫完成對非GIS業(yè)務數(shù)據(jù)的管理。

3 三維輸電線路GIS系統(tǒng)的構(gòu)建和技術(shù)實現(xiàn)

基于上述關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)了基于衛(wèi)星三維影像的輸電線路綜合信息管理系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

“基于衛(wèi)星影像的電力線路三維信息系統(tǒng)”分為3個部分，包括電力線路地理綜合信息數(shù)據(jù)庫、高精度三維可視化平臺和電力線路綜合應用服務功能模塊。系統(tǒng)的電力線路地理綜合信息數(shù)據(jù)庫主要包括基礎地理信息數(shù)據(jù)庫和電力相關(guān)信息數(shù)據(jù)庫?；A地理信息數(shù)據(jù)庫存儲和管理了研究區(qū)域各級分辨率的遙感圖像數(shù)據(jù)、各種比例尺的數(shù)字高程模型等基礎地理信息，以及電力設施三維模型數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的地理空間基準下，實現(xiàn)標準化、一體化管理。電力相關(guān)信息數(shù)據(jù)庫存儲和管理了電力線路數(shù)據(jù)、桿塔、T接、變電站、線路周邊環(huán)境等與電力業(yè)務相關(guān)的資料數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)在基礎地理信息數(shù)據(jù)庫的支撐下，以高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型為基礎，構(gòu)建研究區(qū)域高精度、大范圍的數(shù)字三維環(huán)境，并能加載建筑物和電力設施三維模型，以及各種地標信息，實現(xiàn)研究區(qū)域三維仿真顯示，為電力線路業(yè)務綜合應用提供可視化平臺。

在數(shù)據(jù)庫和可視化平臺支持下，為用戶提供多種電力線路業(yè)務綜合應用功能模塊。用戶能對研究區(qū)域進行線路三維巡視漫游、多種信息查詢檢索、電力輔助決策和地形量測分析。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)途徑

（1）設備的真實反映。

將電力線路上的各種設備對照圖紙，等比例建模。在系統(tǒng)中按照施工圖進行線路架設，桿塔上的絕緣子、金具、防震錘、消雷器等的數(shù)量和位置都與現(xiàn)場一一對應，真實反映線路情況。

（2）直觀反映交叉跨越。

由于交叉跨越點的線路故障具有一定的普遍性，因此針對交叉跨越的分析和統(tǒng)計尤為重要。系統(tǒng)直觀反映線路的交叉跨越以及新增的交叉跨越（包括交叉跨越下方電力線路）情況，對跨越點的地形地貌進行統(tǒng)計分析。當發(fā)生交叉點跨越故障，可以在系統(tǒng)中迅速查找受影響線路和設備以及周邊情況。

（3）二維與三維切換。

系統(tǒng)將二維和三維完美結(jié)合，二維全面反映整個電網(wǎng)，三維反映局部信息。在二維中選取某條線路將直接定位到三維，直觀反映這條線路的實際情況。

（4）模型組合。

三維應用就是對現(xiàn)實對象進行建模，并導入應用系統(tǒng)中。電力系統(tǒng)中的各種對象，不可能一一進行建模，數(shù)量多，無法修改，如：某個桿塔上增加一個絕緣子都要重新建模。進行模型組合，省去了建模的復雜過程。只需利用系統(tǒng)提供的功能根據(jù)實際選取需要的幾種模型組合在一起。

（5）剖面分析。

架設一條線路，需要跨越很多山川、河流。利用剖面分析功能，分析桿塔之間的跨越對象。

（6）多源、多類型、多維信息集成技術(shù)。

實現(xiàn)衛(wèi)星遙感影像、各種比例尺基礎地理數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)有機集成，使區(qū)域縮放漫游中涉及到圖像和數(shù)字高程模型時，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多來源、多分辨率衛(wèi)星遙感影像和多維信息的高效率顯示。

（7）高效三維地形引擎算法的實現(xiàn)。

三維數(shù)字地形環(huán)境是承載三維電力線路信息，進行區(qū)域三維地理環(huán)境生成和顯示的基礎。針對三維環(huán)境仿真的特殊要求和地形數(shù)據(jù)的特點，采用了一種符合生理視覺特征的全新地形模型表示方法——LOD模型，依據(jù)視線的視向、視閾及其場景離視點的遠近來決定場景中地形塊的繪制分辨率，提高顯示效率的基礎上實現(xiàn)了大范圍地形的實時動態(tài)交互顯示。

（8）基于Google Sketchup建模軟件的三維目標建模。

三維目標的建模是對其進行仿真顯示和模擬的基礎，目前許多商品化的造型軟件如3DMAX、Multigen、Softimage、Lightwave等均提供了功能強大的編輯制作三維實體模型的功能，其中3DMAX在三維目標建模與仿真可視化方面具有許多其他軟件所沒有的獨特優(yōu)勢，在這里將其作為首選的三維建模工具，并將三維模型保存為標準格式的數(shù)據(jù)文件（如3DS、FLT等），通過編寫統(tǒng)一的軟件接口，實現(xiàn)其在三維環(huán)境中的模擬顯示。

（9）桿塔信息查詢的實現(xiàn)。

在系統(tǒng)中進一步開發(fā)子模塊，生成桿塔照片、材料情況、缺陷等所需信息并可點擊進行記錄并查詢，實現(xiàn)對輸電線路的科學管理。

4 結(jié)語

將三維可視化GIS用于電力信息系統(tǒng)是經(jīng)濟社會發(fā)展的需要。對于經(jīng)濟社會中電力信息系統(tǒng)的規(guī)劃決策領域而言，將GIS提供的區(qū)域規(guī)劃與供電能力相結(jié)合可解決供電能力不適應配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的問題等，從而正確規(guī)劃區(qū)域的整體布局和發(fā)展重點；通過GIS的模擬、虛擬功能，對電網(wǎng)數(shù)據(jù)進行分析，推導出可視化表示結(jié)果，為最終供電能力預測、決策提供科學的依據(jù)，改造現(xiàn)有電網(wǎng)，規(guī)劃新電網(wǎng)；利用GIS可實現(xiàn)的地理網(wǎng)絡分析功能來確定最優(yōu)化布線，保證配電線路的傳輸暢通，資源得到高效合理的利用；根據(jù)MIS的管理功能和三維GIS直觀形象的特點，可及時定位排除故障，便于設備的維修和管理。三維可視化GIS不但可以用于電力信息系統(tǒng)，同時可以為交通建設、城市規(guī)劃、水利建設、民航規(guī)劃等領域服務。

參考文獻

[1] 朱強，武洪濤，張震宇，等.組件式三維GIS技術(shù)及應用研究[J].地域研究與開發(fā)，2006，25（2）：125-128.

[2] 吳慧欣.三維GIS空間數(shù)據(jù)模型及可視化技術(shù)研究[D].西安：西北工業(yè)大學，2007.

[3] 郝平，李瑞麟，應時彥，等.組件式地理信息系統(tǒng)技術(shù)[J].浙江工業(yè)大學學報，2001，29（3）：301-304.