謝君洋，文 兵，陳 辰，葉 蕾，楊 鑫，曾 濤

（1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059）

電力數(shù)據(jù)具有規(guī)模大、多樣性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對電力線路數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)決策提供支持。電網(wǎng)具有豐富的數(shù)據(jù)資源和天然的地理空間分布特性，因此電網(wǎng)空間信息的表達(dá)及其可視化展現(xiàn)成為電網(wǎng)大數(shù)據(jù)和智能電網(wǎng)建設(shè)的一項(xiàng)重要課題[1]。電網(wǎng)工程設(shè)計(jì)專業(yè)多、技術(shù)復(fù)雜、協(xié)調(diào)工作量大[2]，采用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)具有顯著意義[3]。運(yùn)用分析挖掘手段對電力大數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化能快速發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)隱藏的信息并轉(zhuǎn)化知識，便于數(shù)據(jù)價(jià)值傳遞與知識分享[4]。在電力領(lǐng)域，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對電力線路進(jìn)行三維場景仿真的數(shù)據(jù)可視化模式是當(dāng)前研究的重點(diǎn)問題[5]。對電力數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，可直觀表現(xiàn)電力數(shù)據(jù)在三維場景中的真實(shí)情景，使數(shù)據(jù)與空間的關(guān)系一目了然，從而改善電力數(shù)據(jù)在展示方式上的局限性，為電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行、檢修運(yùn)維以及規(guī)劃設(shè)計(jì)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(yīng)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(yīng)用需求以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)等相關(guān)技術(shù)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(shù)為用戶展現(xiàn)地理空間現(xiàn)象，不僅能表達(dá)空間對象間的平面關(guān)系，而且能描述和表達(dá)它們之間的垂向關(guān)系[14]。從功能上來看，三維GIS不僅繼承了二維GIS的優(yōu)點(diǎn)，而且在空間信息展示方面更加直觀，還具有海量空間數(shù)據(jù)管理和空間分析能力[15]。三維GIS能為電力線路運(yùn)維提供新的方法，可應(yīng)用于線路走道風(fēng)險(xiǎn)等高線檢驗(yàn)、線路走道地質(zhì)構(gòu)造變化檢測以及輸電線路用電剖析等研究中，使相關(guān)領(lǐng)域的研究變得更加高效直觀。然而，目前電力建設(shè)的各階段大多仍以二維圖紙或單獨(dú)三維模型為依據(jù)，缺乏真實(shí)地理環(huán)境，無法直觀表達(dá)信息，因此在真實(shí)地理場景中利用三維GIS對電力線路數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀展示是電力數(shù)據(jù)可視化表達(dá)的一個(gè)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(shè)備的詳盡信息描述，但不能對三維電力線路進(jìn)行直觀表達(dá)。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(jìn)行解析和地理編碼，生成該電力線路的地理實(shí)體；然后通過地理實(shí)體與電力模型的掛接，實(shí)現(xiàn)電力線路的三維重建與可視化。

1 電力線路數(shù)據(jù)說明與解析

1.1 電力線路數(shù)據(jù)

原始電力數(shù)據(jù)是對電力線路進(jìn)行三維重建的基礎(chǔ)，是已存儲的數(shù)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(diǎn)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(guān)鍵字描述電力設(shè)備之間的關(guān)系，如圖1所示。本文以某特高壓輸電電力線路的一個(gè)標(biāo)段數(shù)據(jù)為例，對XML文件所包含的部件和信息進(jìn)行簡要說明。

圖1 原始電力數(shù)據(jù)解析關(guān)系圖

1）桿塔信息。桿塔在XML文件中以＜Tower＞＜/Tower＞標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)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(zhuǎn)角，是桿塔在空間中旋轉(zhuǎn)的角度。上述兩個(gè)子標(biāo)簽一起確定桿塔實(shí)體在三維空間的實(shí)際情景。

圖2 原始桿塔部分?jǐn)?shù)據(jù)示例

2）絕緣子串信息。絕緣子串在XML文件中以＜Insulator＞＜/Insulator＞標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)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(biāo)的偏移量，根據(jù)偏移量值和所屬桿塔的投影坐標(biāo)即可確定每個(gè)絕緣子串的空間位置；＜Rotation/＞表示絕緣子串的轉(zhuǎn)角，是絕緣子串在空間中旋轉(zhuǎn)的角度。上述兩個(gè)子標(biāo)簽一起確定絕緣子串實(shí)體在三維空間的實(shí)際情景。

圖3 原始絕緣子串部分?jǐn)?shù)據(jù)示例

3）連接點(diǎn)信息。連接點(diǎn)在XML文件中以＜Wire-FittingPoint＞＜/WireFittingPoint＞標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)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(diǎn)，其中耐張串和跳線串的連接點(diǎn)有16個(gè)，懸垂串的連接點(diǎn)只有8個(gè)。＜ConductorFitting/＞表示連接點(diǎn)需使用的所有信息，其中OffsetX、OffsetY和OffsetZ分別表示連接點(diǎn)相對于所屬絕緣子串在空間X、Y、Z方向的偏移量。根據(jù)偏移量值和所屬絕緣子串的空間投影坐標(biāo)確定每個(gè)連接點(diǎn)的空間位置。

圖4 原始連接點(diǎn)部分?jǐn)?shù)據(jù)示例

4）塔基信息。塔基在XML文件中以＜Foundation＞＜/Foundation＞標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)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(biāo)的偏移量。根據(jù)偏移量值和所屬桿塔的投影坐標(biāo)即可確定每個(gè)塔基的空間位置。

圖5 原始塔基部分?jǐn)?shù)據(jù)示例

1.2 電力線路地理實(shí)體生成與修正

電力設(shè)備地理實(shí)體與電力線路的生成過程是對XML文件進(jìn)行解析，并通過電力數(shù)據(jù)地理編碼生成線路數(shù)據(jù)地理實(shí)體。該過程的關(guān)鍵點(diǎn)在于通過地理編碼生成地理實(shí)體數(shù)據(jù)和修正線路桿塔。

1.2.1 地理實(shí)體的生成

地理編碼是指將坐標(biāo)對、地址或地名等位置描述轉(zhuǎn)換為地球表面上某位置的過程。地理編碼時(shí)，可每次只輸入一個(gè)位置描述也可以表的形式一次提供多個(gè)描述。在原始電力數(shù)據(jù)中，只有桿塔給出了實(shí)際的三維坐標(biāo)值（經(jīng)度、緯度和高程值），絕緣子串、連接點(diǎn)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(diǎn)是相對于絕緣子串的偏移量。具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 桿塔地理實(shí)體生成結(jié)構(gòu)圖

將桿塔的地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為投影坐標(biāo)后，首先根據(jù)桿塔投影坐標(biāo)和絕緣子串相對于桿塔坐標(biāo)位置的偏移量計(jì)算得到絕緣子串的空間實(shí)際坐標(biāo)位置；再根據(jù)桿塔投影坐標(biāo)和塔基相對于桿塔坐標(biāo)位置的偏移量計(jì)算得到塔基的實(shí)際空間坐標(biāo)位置；然后根據(jù)絕緣子串空間坐標(biāo)與連接點(diǎn)相對于絕緣子串坐標(biāo)位置的偏移量計(jì)算得到各連接點(diǎn)的實(shí)際空間坐標(biāo)；最后對各結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)值進(jìn)行地理編碼，即可生成相應(yīng)的實(shí)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(shí)際高程和朝向，以確保其空間位置在現(xiàn)實(shí)場景中的正確性。修正前為確保高程數(shù)據(jù)的精確性，需進(jìn)行線路走廊平滑，主要是針對數(shù)據(jù)縫隙修正或數(shù)據(jù)更新。在具體數(shù)據(jù)中，不同區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)分辨率有所不同，而較高分辨率的DEM數(shù)據(jù)對桿塔的高程修正更準(zhǔn)確，因此當(dāng)有高分辨率DEM數(shù)據(jù)時(shí)，需將其嵌入到低分辨率DEM數(shù)據(jù)中。此外，還有區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)不止一幅的情況，需將多幅DEM數(shù)據(jù)鑲嵌為一幅DEM數(shù)據(jù)。

1）高程修正。在XML文件中，讀取的桿塔高程數(shù)據(jù)與桿塔實(shí)際高程值不一致，因此為確保其真實(shí)性，需進(jìn)行高程修正。利用桿塔的X、Y坐標(biāo)獲取在DEM數(shù)據(jù)中該位置的DEM值，并將其作為桿塔的實(shí)際高程值進(jìn)行修正。

2）方向修正。在現(xiàn)實(shí)場景中，桿塔的朝向有一定的規(guī)則。為了使生成的導(dǎo)線數(shù)據(jù)更貼合實(shí)際，需進(jìn)行桿塔方向的修正。從第一個(gè)桿塔開始，讀取其后兩個(gè)轉(zhuǎn)角塔，并計(jì)算3個(gè)轉(zhuǎn)角塔中的第二個(gè)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(jì)算桿塔需要旋轉(zhuǎn)（順時(shí)針方向）的角度。以此類推，計(jì)算所有轉(zhuǎn)角塔、轉(zhuǎn)角直線塔需要旋轉(zhuǎn)的角度。然而，直線塔的朝向是所在兩個(gè)轉(zhuǎn)角塔間形成的直線的垂直方向，直線塔本身的旋轉(zhuǎn)角度為0°，因此直線塔需旋轉(zhuǎn)的角度是兩個(gè)轉(zhuǎn)角塔形成的角度。計(jì)算得到所有桿塔需要旋轉(zhuǎn)的角度后，根據(jù)各角度對整體桿塔進(jìn)行方向修正。

1.3 電力導(dǎo)線的生成

對桿塔、絕緣子串、連接點(diǎn)和塔基等實(shí)體對象進(jìn)行高程修正和方向修正后，再根據(jù)相關(guān)邏輯關(guān)系，利用連接點(diǎn)實(shí)體對象中的所有屬性信息生成電力線路導(dǎo)線，進(jìn)而得到電力線路實(shí)體對象（線實(shí)體對象）。

1.3.1 連線邏輯

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

1）桿塔之間的連線邏輯。根據(jù)原始數(shù)據(jù)，首先讀取每個(gè)點(diǎn)對應(yīng)的桿塔絕緣子串的回路（“Loop”信息）、層數(shù)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(diǎn)的序號（“No”信息）進(jìn)行連線。具體連接關(guān)系為“Loop”和“Phase”信息相同的點(diǎn)對應(yīng)?！癇F”和“No”信息的對應(yīng)情況包括：懸垂串“B”到懸垂串“B”，編號對應(yīng)；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(yīng)；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(yīng)；耐張串“B”到耐張串“F”，編號“21～28”的8個(gè)點(diǎn)對應(yīng)。

2）桿塔內(nèi)部連線邏輯。桿塔內(nèi)部連線即轉(zhuǎn)角塔內(nèi)部連線?！癇F”和“No”信息的對應(yīng)關(guān)系包括：耐張串“F”到跳線串“F”，耐張串的“1～8”號點(diǎn)與跳線串的“1～8”號點(diǎn)對應(yīng)；跳線串“F”到耐張串“B”，跳線串的“21～28”號點(diǎn)與耐張串的“1～8”號點(diǎn)對應(yīng)。其余“Loop”和“Phase”信息與桿塔之間的對應(yīng)情況相同。

1.3.2 生成導(dǎo)線的弧度設(shè)定

在實(shí)際的電力線路中，為逼真表現(xiàn)輸電線路的真實(shí)形態(tài)，必須建立輸電線的三維弧垂模型，即生成的電力導(dǎo)線需要有一定的弧度。根據(jù)連線邏輯對需連線的點(diǎn)進(jìn)行兩兩分組，計(jì)算每組兩個(gè)連接點(diǎn)之間的直線距離，再將連接點(diǎn)之間分成很多段，得到每個(gè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)值，然后根據(jù)連接點(diǎn)之間的距離計(jì)算桿塔之間生成的導(dǎo)線最低點(diǎn)（連接點(diǎn)連線的中點(diǎn)）高度。若桿塔之間距離大于桿塔高度，則連線最低點(diǎn)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(diǎn)高度可以是一個(gè)適合的固定值（根據(jù)實(shí)際效果來確定），這樣即可保證每段導(dǎo)線的弧度大致相同，從而構(gòu)建出與現(xiàn)實(shí)場景中導(dǎo)線弧度一致的情景。

1.4 電力模型掛接

對XML文件進(jìn)行解析后，生成的桿塔、絕緣子串、連接點(diǎn)和塔基的實(shí)體數(shù)據(jù)是點(diǎn)對象，而電力導(dǎo)線實(shí)體數(shù)據(jù)為線對象。為使它們在三維場景中更貼合實(shí)際情景，需對各自的三維模型進(jìn)行掛接。在解析XML文件時(shí)，桿塔、絕緣子串和塔基數(shù)據(jù)中的“Guid”關(guān)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(shí)體數(shù)據(jù)中的“Guid”字段信息與模型數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，再利用各自的坐標(biāo)信息進(jìn)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(dǎo)線模型的掛接，通過生成電力導(dǎo)線的連接點(diǎn)進(jìn)行定位，電力導(dǎo)線兩端點(diǎn)坐標(biāo)值確定電力導(dǎo)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(jié)果展示與分析

2.1 電力設(shè)備地理實(shí)體與電力線路的生成

2.1.1 地理實(shí)體的生成

解析XML文件后，通過地理編碼得到各地理實(shí)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(gòu)建的三維桿塔位置正好與實(shí)際影像中的桿塔位置一致，說明構(gòu)建的桿塔位置正確；各結(jié)構(gòu)模型掛接后，桿塔整體結(jié)構(gòu)完整，各部分連接吻合，地理實(shí)體對象生成正確。

圖8 桿塔實(shí)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(diǎn)在DEM下方，桿塔陷入地下；高程修正后桿塔整體最低點(diǎn)與DEM貼合，桿塔立于地面，與實(shí)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(dǎo)線的連接情況如圖11所示，可以看出，方向修正前部分轉(zhuǎn)角塔與它們之間的直線塔的朝向幾乎是同一個(gè)方向，這就會使它們生成的電力導(dǎo)線在一條直線上，導(dǎo)致電力導(dǎo)線出現(xiàn)交叉（圖11a），使生成的電力導(dǎo)線不符合實(shí)際；方向修正后生成的電力導(dǎo)線（圖11b）井然有序，可明顯地看出兩個(gè)回路的電力導(dǎo)線，無導(dǎo)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(shí)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(dǎo)線生成

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

圖12 導(dǎo)線連接圖

2.3 電力模型掛接

對桿塔結(jié)構(gòu)中各模型進(jìn)行掛接，效果如圖13所示。由轉(zhuǎn)角塔和直線塔掛接后的位置、形態(tài)可知，構(gòu)成桿塔整體的各模型位置正確，導(dǎo)線的端點(diǎn)與絕緣子串模型的連接點(diǎn)一一對應(yīng)，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(dǎo)線具有一定弧度，生成的導(dǎo)線沒有交叉，絕緣子串上連接導(dǎo)線的部位與生成的導(dǎo)線連接部位一一吻合，說明生成的絕緣子串和連接點(diǎn)ShapeFile數(shù)據(jù)位置正確，模型掛接后的場景更貼合實(shí)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(jié)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(jìn)行解析和地理編碼，生成該電力線路的地理實(shí)體；然后通過地理實(shí)體與電力模型的掛接，實(shí)現(xiàn)了電力線路的三維重建與可視化。由三維展示結(jié)果可知，在三維重建的輸電電力線路中，桿塔位置與實(shí)際相匹配，桿塔結(jié)構(gòu)部分和導(dǎo)線連接位置正確，生成的導(dǎo)線與實(shí)際一致，整體輸電電力線路三維重建效果良好。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的深入發(fā)展，國家電網(wǎng)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(diǎn)問題。為了更直觀地展示電力線路，使電力數(shù)據(jù)與空間關(guān)系一目了然，從而為電力線路的運(yùn)行、維護(hù)和規(guī)劃設(shè)計(jì)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(shù)等方面還存在一些問題，但隨著時(shí)間的推移和相關(guān)支撐技術(shù)的不斷發(fā)展完善，這些問題將被逐一擊破。