電力GIS系統的設計與實現

施文波++俞君杰++李校驍

摘 要： 電力GIS是我國電網建設需要使用的關鍵信息技術之一，廣泛應用于電網建設規劃、氣象、配電管理等方面。該系統的主要功能是通過建立逼真的地理環境及重要的建筑物、桿塔、變電站等三維模型，沿布重要桿塔線路以達到建立完整的電網模型并實現空間分析功能的目的。系統采用Clipmap作為大規模地形渲染技術，成功地展示了高清的地理數據、模型等。系統實現了線路、電力設備的瀏覽、編輯、管理和信息顯示輸出等功能，增強了信息的科學管理和綜合分析，有效地提高了電網的管理效率。

關鍵詞： DEM數據； 高分辨率遙感影像； 大規模地形渲染； Clipmap技術； 電力GIS

中圖分類號： TN915.853?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）21?0155?04

Design and realization of electric power GIS system

SHI Wenbo， YU Junjie， LI Xiaoxiao

（Jiangsu Electric Power Information Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210029， China）

Abstract： Electric power GIS is one of the key information technologies to satisfy the power grid construction in China， and widely used in power grid construction planning， weather， and power distribution management. The main function of the proposed system is to achieve the purposes of establishing the integrated power grid model and realizing the spatial analysis function by building the 3D model of the realistic geographic environment， the important buildings， towers， substations， and the important tower transmission line along with the construction. The Clipmap is taken as the large?scale terrain rendering technology by the system， the high definition geographic data and models are displayed successfully. The functions of browsing， editing and management of the circuit and electric power equipment， and information display output in the system are realized. The scientific management and comprehensive analysis of information are enhanced， and the management efficiency of the power grid can be improved greatly.

Keywords： DEM data； high?resolution remote sensing image； large?scale terrain rendering； Clipmap technology； electric power GIS

0 引 言

三維GIS（Geographic Information System，三維地理信息系統[1]）是由傳統的二維GIS發展而來，能夠同時表達和描述空間對象間的平面關系和垂向關系，它是將現實世界中獲得的三維數據進行輸入、存儲、編輯、查詢、模擬并輔助決策支持的計算機系統，其空間坐標都參加圖形顯示的運算。相比于二維GIS，三維GIS在對客觀世界的表達方面能給人以更真實的感受，它以三維立體的造型技術給用戶展現更真實的地理空間現象，不僅能夠表達空間對象間的平面關系，而且能夠描述表達它們之間的垂向關系。高精度三維GIS系統通過建立更加逼真的地理環境，清晰的建筑物模型、桿塔、變電站等三維模型和完整的電網模型，并且通過加強空間分析功能，把電網和地理信息很好地結合起來，從而實現線路、電力設備的瀏覽、編輯、管理和信息顯示輸出等功能，實現信息的科學管理和總體分析，有效提高電網的管理效率，降低線路運行維護成本。

現有的一些GIS軟件，如Skyline，ArcGIS等，更多的是一種通用平臺，他們對高精度三維系統的支持不夠，普遍存在以下問題：高精度模型加載到場景后信息有丟失，無法真實地再現原始模型；同時在場景中出現多個高精度模型時，上述兩款軟件都會出現操作延遲，瀏覽不流暢，甚至出現軟件崩潰的情況。部分產品在表達線路時僅能以簡單的線條展示出桿塔間的線路，無法展示線的弧度。由于這些產品的三維GIS引擎在表達三維模型時均不夠精細，無法滿足高精度三維電網建模的需求。另外，考慮到電力企業安全及相關保密數據，例如電力設備臺賬、桿塔、變電站坐標，實時運行數據等，這使得完全獨立研發一套三維GIS系統成為一種最好的選擇。

本文主要結合公司目前正在研究的三維GIS系統，分析了它的技術點、系統架構及應用情況。

1 三維GIS系統功能架構

三維GIS系統主要結構關系如圖1所示。系統主要由基礎數據服務，三維GIS引擎，功能組件，二次開發接口等組成。

基礎數據主要由影像數據、DEM高程、矢量數據三部分構成，數據服務根據當前視角范圍計算出對應的三維圖像數據并供前臺使用，它是三維GIS系統的底層支撐，是影響三維展示效果的關鍵因素。

系統采用免費的30 m影像圖及30 m DEM高程數據作為三維GIS系統的粗模，對高精度地圖數據的要求是：2.5 m影像圖，30 m DEM或者0.5 m影像圖，5～15 m DEM，局部地區采用0.25 m影像圖及5 m DEM或更高精度。對地圖數據的高標準要求是為了在更為清晰、真實的地形地貌上建立電力設備模型，以達到系統逼真顯示的目的，同時為三維空間分析提供準確的數據支持。

基礎數據服務通過計算影像數據及DEM高程數據向前臺提供相應的場景圖像數據，系統將三維地理場景數據生成模塊與前臺渲染模塊分離，達到高內聚、低耦合的效果，并且將生成的場景圖像數據經過壓縮后傳輸，所需帶寬保持在1 MB/s左右，性能足以達到系統需要。

三維GIS引擎支持多種數據庫，具備大規模地形渲染、碰撞檢測、特效編輯等功能，為基于三維地理數據的高級應用提供了開發接口。

功能組件由素材庫編輯組件、線路沿布、空間分析服務等組成，它們的功能是否強大，取決于三維圖像引擎的水平和二次開發能力。

2 圖像引擎

2.1 大規模地形渲染

由于GIS地形及影像數據通常都十分龐大，江蘇全省的5 m數字高程容量有40 GB，0.5 m衛星影像數據容量達到5 TB，不可能全部載入內存，需要一個動態調配的機制，快速地將當前視野范圍內的數據載入，并將超出視野范圍的數據釋放。由于三維渲染的特點是透視效果，近大遠小，即靠近視點的區域所占的屏幕區域大，遠處所占的屏幕區域小，因此本系統采用Clipmap技術[2]作為地形渲染技術，以視點為中心向周圍發散，并隨視點的移動更新每個層次的內容。

Geometry Clipmap算法是由Losasso和Hoppe在2004年提出的基于GPU優化的LOD算法[2]。Clipmap充分利用了GPU的批量渲染能力，系統將高程圖以二維紋理的形式存儲，直接存儲在顯存中，采樣過程及高程值更新直接由GPU芯片來完成。對地形數據則是把地形劃分為固定大小的塊，使用改進的異步多線程的后臺數據載入方式，保證海量數據的實時加載，并對處于視錐體的每個地形塊建立一個四叉樹結構進行LOD 簡化。

Geometry Clipmap 算法是一種紋理結構存儲和渲染策略，它的結構如圖2所示，每層紋理有最大尺寸ClipSize，Clipmap分為Clipmap Stack和Clipmap Pyramid兩部分。首先，對原始的高程大紋理創建Mipmap，再把每一個Mipmap層分割為大小為ClipSize的矩形網格。在定點著色器中，根據當前像素點所對應的紋理坐標，計算出所要采樣的紋理貼圖的等級，獲得具體的高程數據。當視點移動時Clipmap Pyramid不進行更新，直接采樣和過濾，因為高程紋理全部存儲在里面，需要更新的只是Clipmap stack中的紋理數據，保持其中的紋理數據與當前的視點相對應。

2.2 特效編輯

系統的3D特殊效果主要模擬電力設置面對的特殊場景，如風雨天氣、煙火、光照等，還有很多特定的效果。在場景中，光照的效果在很大程度上會影響到場景的美觀和真實性，在場景的設置中，添加了光照陰影工具，可以根據需求，自主設置光源的位置，光源包括點光源、探照燈光源、平行光源等。系統的難點在于如何優化引擎的性能，使得系統能夠在最大程度上實現現實光照的模擬。如果要為系統所有光源照向的物體表面做處理，則引擎需要非常多的資源完成光照效果，占用太多資源的后果就是系統的實時性、穩定性將受到挑戰。因此，本系統利用BSP?Portal技術[3]將參與渲染的幾何體和光源的總數量盡量降到最低，并且利用快速篩選的算法來處理動態光源與移動物體之間帶來的光照變化。經過優化后，光照系統能夠在保證圖像效果正確的基礎上，提高引擎的處理效率，并且達到實時渲染的效果。系統同時完成的還有通過粒子編輯水、火、電、霧等的特殊效果。

2.3 數據

數據分為柵格數據（衛星影像、航拍圖、數字高程等）和矢量數據（區劃線、水域等點線表示的數據）兩種[2]。引擎支持IMG，GTiff等國際通用的GIS柵格數據格式。而數據接口采用GDAL開源GIS開發接口[4]，是目前國際上兼容性最好，支持格式最廣，運行最穩定，效率最高的開源GIS數據存取代碼庫。平臺直接使用測繪部門提供的原始影像文件，無需做任何后期處理，只要將文件路徑加入地形數據源隊列，即可高效地展示地形地貌。由于是直接訪問原始影像文件，所以數據以文件形式保存，無需進入常規數據庫；這樣節省空間，同時具有最高的訪問效率，為Clipmap技術的動態更新提供了性能保障。

3 功能組件

三維GIS系統功能組件有素材庫編輯、線路沿布、控件分析服務、地形數據維護組件等。本節重點介紹素材庫編輯和數據維護組件。

3.1 素材庫編輯

素材庫管理系統，是對平臺所需要使用的各類模型進行管理[5]。仿真建立在仿真模型的基礎上，模型占據了相當重要的一份，因為模型和材質的種類繁多、數量龐大，導致了素材庫管理的有效性直接影響整個平臺使用的合理性和簡便性。所以系統建立一個便于管理，功能簡潔的素材庫，如圖5所示。在這個素材庫管理系統中，有效地對素材庫進行分類、對素材進行管理、對素材使用最簡單的方式進行選擇。素材庫模塊的設計需要對素材正確管理。素材的正確分類和存儲直接關系著素材庫的管理。素材庫使用配置文件的方式按照要求進行分類，可以分為需求給出的11類相關素材。提供所見即所得的素材庫管理和選擇界面。在素材庫的添加、刪除、修改上，直接對素材庫的配置文件進行相關操作，同樣提供直觀界面方式，在此方式中，用戶不用面對繁瑣的配置文件和復雜的模型，直接使用界面方式對素材進行管理。流行的模型制作工具主要是3DMAX和MAYA。對于這兩類的模型，素材庫管理提供界面可以直接使用，為了提高平臺的使用效率，還對這兩種模型進行轉化載入。

3.2 地形數據維護組件

地形數據維護模塊，即在使用真實底層數據的基礎上，對地形地貌進行編輯整理。因為數字高程數據精確度不夠，或者在某些細節部位有誤差，需要進行局部或者大范圍的整理。在對地形數據的預想或者設計上，也需要此部分功能。該功能對地形進行按要求修改，包括填平、升高、挖坑等一系列操作，同時還需要有可以進行微調的工具，滿足細部要求。系統對地形的編輯出于兩種情況考慮：一是對已經通過數字高程信息生成的真實地形進行細化和修改；二是單獨創建一種符合展示的地形。對于這兩種情況，對編輯系統的要求有所不同。在第一種情況下，所有的編輯基本定義為精細編輯，屬于局部修改，在地形局部精細度不夠或者有所變差的情況下作修改。第二種是對基本數據進行大規模修改，在這種情況下，需要原始地形，然后在此基礎上，對地形進行大規模的修改，對地形起伏、地形表面材質更改等。

4 三維GIS系統應用情況及總結

公司已經成功部署了一套三維GIS系統，用于展示全省500 kV線路。系統從數據庫中調取相關500 kV桿塔坐標、桿塔類型等信息，完成了線路半自動沿布，目前該系統運行良好。并且還沿布了特高壓交流工程的桿塔及線路，并結合二維平面GIS對工程中的重要跨越，河流湖泊及拆遷風險等進行了展示。沿布線路如圖6所示。

隨著三維GIS系統功能的不斷完善，公司將不斷挖掘各類業務在此方面的應用，通過技術創新和業務融合，實現各業務系統的綜合展示，為公司各層面分析決策提供有力支撐，也為公司的生產經營工作提供可靠保障。

5 結 語

通過電力GIS系統的實現，將電網信息和地理信息進行了有效融合，結合真實的三維地理地貌，展示了線路、設備真實所處的環境情況，為電力員工日常生產管理提供便捷的輔助工具，使生產管理更加信息化，極大地提升了電力信息化水平。

接下來的工作需要對已有的電力GIS進行平臺化，包括：

（1） 平臺化。整個平臺在功能上劃分為三維基礎數據配置管理工具，用于對基礎數據進行分組管理；平臺編輯端，對要展示的內容進行編輯；平臺展示端，結合后臺基礎數據及三維展示內容進行展示；如此劃分將方便項目的實施部署。

（2） 二次開發包。平臺提供上層應用的二次開發包，有利于平臺在不同領域的推廣。

（3） 支持多機渲染及幀同步。由于特定情況下需要在超高分辨率的環境下進行展示，平臺能夠滿足多臺圖形工作站能夠共同渲染同一場景的需求，并且為了保證用戶與平臺互動時響應一致，平臺擁有多機幀同步的功能。

參考文獻

[1] 王繼周，李成名，林宗堅.三維GIS的基本問題與研究進展[J].計算機工程與應用，2003（24）：40?44.

[2] LOSASSO F， HOPPE H. Geometry clipmaps： terrain rendering using nested regular grids [C]// Proceedings of 2004 ACM SIGGRAPH. New York： ACM， 2004， 23（3）： 769?776.

[3] 宋曉宇，馮開平，許素霞.大規模室外場景漫游中入口問題的研究[J].現代計算機：專業版，2007（10）：28?30.

[4] 楊峰，陳立潮.基于三維GIS的海量數據可視化關鍵技術研究[J].計算機與數字工程，2011（7）：98?100.

[5] 朱國敏，馬照亭，孫隆祥，等.城市三維地理信息系統中三維模型的快速構建方法[J].地理與地理信息科學，2007（4）：29?32.

[6] 閆俊生.三維地理信息系統中散亂點擬合曲面仿真方法[J].現代電子技術，2013，36（5）：118?120.