二三維一體化的電網地理信息系統建設

【摘要】 電網地理信息系統在傳統二維以及三維地理信息系統已有的空間查詢、分析、展示功能的基礎上，通過對緊密型二三維一體化方法的研究，實現了二三維一體化的電網地理信息系統建設，在二三維一體化的場景下，提供真實模擬電網場景、設備管理、變電站機器人巡檢、城市模型渲染、氣象信息展示等應用。

【關鍵詞】 二三維一體化 電網應用 地理信息系統

Abstract：Based on existing spatial queries and analysis and display function of the traditional 2D and 3D Grid Geographic Information System， through the study of closely the type of 2D and 3D integration method， achieved Integration Construction of 2D and 3D Grid Geographic Information System. In the scene of 2D and 3D integration， Grid Geographic Information System provided the applications that contain real scene simulation grid， equipment management， substation inspection robot， city model rendering， meteorological information display and so on.

Keywords：2D and 3D integration； grid applications； geographic information system

一、前言

隨著電力系統的發展，面對越來越密織的電網，復雜的電力設備，時刻變化的負荷信息，以及人們對供電質量、環保、電力市場化體制改革等問題的日益關注，傳統電網管理方式已經很難滿足電網的建設和安全經濟運行要求，電力規劃、運行、營業部門必須對極其龐大繁雜的信息進行采集、存儲、分析和快速處理。近幾年，國內各省網公司和直屬單位的“SG186”一體化企業級信息集成平臺建設已陸續完成，為建設“縱向貫通、橫向集成”的數字化信息化電網奠定了重要基礎。為了實現電網改造和發展的合理規劃，提高電能的質量和供電可靠性，提高電力設備運行的安全性、經濟性，需要進一步深入應用現代化計算機和地理信息技術用于電網管理，將各種圖形、地圖、數據信息統一共享。

傳統電網技術的不斷完善和新電網技術的創新發展，給電網管理帶來了新的挑戰。如何處理復雜數據、增強應急響應能力、提高服務質量，已成為管理者越來越重視的問題。借助于三維地理信息技術的日趨成熟，建設基于三維信息平臺的二三維一體化電網地理信息系統，在三維場景中一體化真實模擬電網場景、設備管理、變電站機器人巡檢、城市模型、氣象信息展示等，正成為提高電網運行水平、保障運行質量和效率的趨勢。

二、二三維一體化關鍵技術

二三維一體化電網地理信息系統借助二維GIS的空間查詢、分析、統計功能，三維GIS漫游、模型渲染、三維分析等功能，突破了空間信息在二維平面上抽象表現，為用戶創建一個直觀的、帶地理參考的、精確的三維數據場景，將分析結果經過后臺運算后再在三維客戶端進行表現，為信息判讀和空間分析提供更好的工具，為電網運營、設計提供更直觀的平臺。

目前大部分二三維結合GIS系統以松散型為主，即將二三維子系統集成于同一個系統中，二維數據和三維數據分別在二維窗口和三維窗口中獨立渲染，子系統之間通過接口和協議進行通信。實現緊密型的二三維一體化系統，必須突破二三維的低水平結合，即由二維GIS提供數據及各種服務，由三維系統實時渲染其自身的數據以及二維系統提供的數據和分析結果。其中的核心問題是如何在三維系統中渲染二維數據。通常二維系統提供的數據無法在三維系統中直接渲染，將二維數據作為一個圖層以紋理的形式疊加到三維地形表面是解決此問題的一條途徑，而實現二維圖層的實時快速渲染是其關鍵。本平臺針對此問題提出了基于LOD的二維圖層與三維地形疊加的渲染構架，實現了二三維渲染的同步。

在Windows操作系統中，二維應用程序通過GDI調用硬件設備驅動程序接口（DDI）渲染，其渲染構架可以抽象為下圖中的左虛線框部分，即系統經過對二維數據分析運算、空間坐標轉換等操作得到最終結果數據，然后通過GDI調用相關的硬件設備接口，將結果數據以二維符號的形式輸出到顯示介質上。而三維應用程序則使用Direct3DAPI調用硬件設備驅動程序接口輸出三維場景，即三維地形渲染由地形渲染引擎將地形數據和紋理數據經過三維空間變換后輸入三維渲染管道中，由Direct3DAPI調用相關的硬件設備接口進行場景渲染。由于地形及其影像紋理的數據量遠遠超出硬件的處理能力，因而渲染高質量的地形需要高效的數據結構和算法。通常使用LOD模型組織數據，根據一定的規則簡化被渲染目標，渲染時根據被渲染目標相對于觀察者（鏡頭）的距離選擇不同的細節程度渲染，越近則細節程度越高。基于LOD的地形渲染構架如下圖右虛線框部分所示，渲染引擎通過LOD規則選取那些可見部分的數據，并進行適當的簡化后生成地形頂點數據和紋理數據，并將這些數據輸出到硬件設備的渲染管道中，由圖形顯卡進行最終的輸出和渲染。

由于二維應用程序與三維應用程序采取不同的技術構架，因此二者的渲染不能直接結合。但可以將二維系統的輸出作為三維系統的輸入，由三維渲染引擎將二維圖層疊加到三維地形上，從而實現二三維系統渲染的有機結合。基于LOD二三維疊加渲染的工作流程下圖中間部分所示：三維地形引擎根據LOD規則向二維系統發出紋理請求；二維系統將指定范圍內的地圖輸出為一張圖片，返回到三維系統中；三維系統以紋理的形式將返回的圖層圖片疊加到地形表面上。緊密型二三維結合系統構架將二維系統作為三維系統的一個圖層來渲染。二維系統為三維系統提供紋理服務及其它服務，三維系統向二維系統發出紋理、空間查詢、空間分析等請求。二維系統接收到參數后，調用相應的方法，并將結果返回到三維系統，由三維系統負責渲染；二維系統也可以保留自己的界面，實現二三維聯動和對比。

在數據統一方面，平臺通過對二維GIS空間數據引擎進行拓展，增加高度信息字段，使空間數據引擎同時支持二維視圖和三維視圖的功能需求，將二維和三維數據統一進行存儲和管理，同時在.NET窗口嵌入二維GISCOM組件，實現二三維同時顯示。這樣充分利用二維的數據資源和三維的可視化效果與分析功能，在數據源統一的前提下實現電力系統的二三維一體化協同設計。

總之，在本平臺的設計和實施過程中，主要從以下兩個方面著手進行研究。

2.1數據存取方式的統一

二維地理信息系統經過多年的發展，積累了大量的數據資源，電力系統中用到的各類專題圖都已二維的形式存儲。要充分利用原有的數據資源，平臺必須要兼容二維的數據格式，同時為了保證數據的唯一性和準確性，二維數據和三維數據必須存在同一個數據庫中，采用統一的數據來源。為了達到這樣的目的，本平臺設計了統一的數據存儲與讀取的接口，并對原有的二維數據表進行擴展，加入了存儲高程的字段，使二維的數據與三維的數據進行兼容。

2.2數據展示效果的統一

在二三維一體化的設計中，二維視圖和三維視圖要做到緊密的統一。二維和三維窗口都可以通過比例尺和地圖中心點來定位，但是由于三維窗口中使用的數據為WGS84地理坐標，原始數據沒有經過投影，而是渲染過程中動態投影，因此二維與三維的投影必須保持一致才能使二維和三維視圖的對象形狀、大小完全相同。由于二維和三維使用的同一套數據，所以二維的原始數據也是未經投影的地理坐標，所以二維窗口也要動態投影。

三、系統主要功能應用

3.1無人機巡線

系統提供飛機巡線模擬仿真功能，為真實的無人機巡檢提供支撐。用戶可直接在三維場景中規劃無人機巡檢線路，設置航線類型（左單邊航線、右單邊航線、閉合航線），根據結果生成無人機飛行路線，同時支持巡檢路徑的導入導出。提供對需要模擬飛行的線路的參數進行相應設置，對完成參數設置的線路進行巡線模擬飛行，對接入的真實無人機飛行線路進行飛行回放。（圖6）

3.2變電站巡檢

實現試點變電站的機器人在線監控，監控的內容主要包括以下內容：變電站機器人是面對變電站一次設備進行檢測，主要包括紅外熱像儀、可見光攝像機、拾音器等檢測系統，獲取紅外熱圖、可見光圖片、音頻、錄像等原始數據。針對原始數據依據變電設備巡檢規范、紅外測溫導則，對設備狀態進行識別、診斷分析，產生測溫數據、刀閘分合、開關分合、儀表讀數、異物破損狀態、音頻狀態，將數據提供給生產系統和綜合自動化系統。

系統為機器人系統提供運動同步展示和缺陷告警的顯示，提供機器人行走道路、機器人停靠點、機器人充電室等示意模型。以不同視角（機器人視角、區域視角、全景視角）進行三維顯示，一次設備模型根據實際的分合狀態進行展示，同步展示機器人采集的數據。（圖7）

3.3氣象信息展示

根據接入的實時性氣象數據、災害性天氣，地質災害、森林火險、精細化數據，臺風、雷電等重大災害性、關鍵性、轉折性天氣等數據進行分析，并根據數據的特點，在圖形中以不同的狀態符號進行顯示展示，內容主要包括以下內容：氣象信息預報的展示，主要以文本或以圖片的方式按照不同時間段等的形式進行預報展現。不同災害性天氣如森林火險、地質災害等天氣狀況按危害等級程度不同進行顏色渲染，并將不同的預報預警以區域范圍的形式展示，為做好預警和應急保障，為電網重要線路走廊提供預警研判支撐。高溫、暴雪、暴雨等災害性天氣將依據氣象災害可能造成的危害程度、緊急程度和發展態勢，分別發布不同級別的預警信號信息。（圖8）

3.4三維電網分析

（1）電網設備淹沒分析

通過指定區域和水淹高度實現水體淹沒的分析及模擬；通過指定區域和水淹高度計算得到水淹范圍，依據水淹范圍計算水體體積；通過指定區域和水淹高度計算得到水淹范圍，依據水淹范圍快速查詢范圍內的變電站，輸電線路桿塔等電力設施。

（2）線路緩沖區分析

通過指定線路和參考分析圖層，設置緩沖區半徑、分析類型（電網資源類型或基礎地理對象類型）、分析方式（包含、相交等），進行緩沖區分析，根據緩沖區范圍分析相關內容，將分析結果在圖形中高亮顯示；將分析結果以列表方式顯示分析結果的詳細信息；可以對分析結果進行快速定位。

（3）線路剖面分析

自動生成指定線路的截面以及地形剖面圖，模擬實際線路弧垂；實現在剖面圖上任意高度和長度的測量。

（4）交叉跨越分析

指定線路和參考分析圖層，系統能夠自動分析出指定線路存在的交叉跨越的對象，在三維場景中高亮顯示分析結果，同時在交叉點提示高程差以及線的交叉角度；使用報表的形式將分析結果列出；可以對交叉對象快速定位。（圖9）

3.5二三維一體化

用戶通過二三維一體化展示功能，實現二維、三維之間的聯動，可以在二維和三維互相切換，二維與三維之間顯示的范圍始終保持一致。提供二三維設備相互定位的功能，二維中選擇某一電網設備，可以定位到三維中的該設備，在導航樹中選擇某一電網設備，可以定位到二維中的該設備，反之亦然。（圖10）

3.6輔助規劃設計

系統提供在三維場景中選定目標地點立塔，設定桿塔屬性（高度、絕緣子類型、金具類型等）和導線段屬性（弧垂值、線材等），系統自動快速地建立仿真線路，在三維場景中正確展示設計線路的桿塔、絕緣子、金具等模型掛接關聯，根據設備類型與三維模型進行仿真匹配。實現對桿塔、絕緣子、金具和導線庫的維護，包括基礎信息、設備三維模型匹配信息等，能夠對桿塔、絕緣子、金具以及導線型號進行設置，同時可以調整弧垂相關參數，根據三維選線線路路徑以及選定的設備型號，結合模型匹配及弧垂參數，實現設計線路的三維高效仿真。

系統對變電站選址提供輔助分析功能，能夠根據變電站不同電壓等級匹配不同的三維模型，根據選址位置在三維場景中自動加載顯示，根據選址原則及規劃位置，在三維場景中進行變電站選址，選址區域為多邊形區域，選址完成后加載變電站三維模型，根據污穢區域及地質條件對變電站選址位置進行校驗，同時對選址范圍內的現狀輸電線路、規劃設計線路進行統計，統計結果在三維場景上進行展示，并輸出統計報表。實現對選址范圍內的土方進行計算，計算結果為該區域內的挖方數據和填方數據，同時用戶可以設置土方計算的高程值。（圖11）

四、結語

二三維一體化的電網地理信息系統通過對緊密型二三維一體化技術的研究，構建統一數字化電網，建設開放式的、面向企業級應用的電網地理信息服務平臺，提升電網的精益化管理水平，為各類業務應用提供有力支撐，服務于智能電網的空間信息資源共享，為智能電網的經濟、高效運行提供輔助決策，為智能電網的自愈、可靠提供基礎支撐，為政府及相關部門提供電網基礎設施共享服務。

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