三維GIS技術在輸電線路可視化展示平臺中的研究

楊珂++吳發獻++楊先進++齊輝

摘 要：在國家電網的信息化飛速發展的帶領下，輸電線路需求的迅速增長，三維GIS技術作為一種能夠更加真實的再現輸電線路及其相關附屬設備的顯示技術，在電力行業具有廣泛運用。該文以輸電線路可視化展示平臺為例，研究如何利用現有的數字高程數據模型（DEM）及相關算法實現海量三維地表模型的構建和展示，并且通過建立數據中間層的方法將數字高程模型，輸電設備的三維模型及各類屬性信息有機結合在一起，從而實現輸電線路可視化展示平臺的各類維護及查詢要求。

關鍵詞：輸電線路 三維GIS 三維模型

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（a）-0039-03

現今，電力系統的發展越來越高端，輸電線路電網也越來越繁密，電力設備的相關應用也越來越復雜，但是為了促進科學化管理，GIS技術在電力行業的大范圍發展中得到了廣泛應用，特別是三維GIS這一關鍵技術。輸電線路的各種交叉與重疊等復雜狀況以及輸電線路是位于地理空間中的人為建物，其線路距離長，通過地區地理環境較為復雜，與其他電力線路和通信線路有交叉跨越，并且會通過一些其他的特殊區域。輸電線路桿塔的位置與其所在的地理位置有著密切關系。為了更加直觀展現出輸電線路的全貌二維GIS的應用已經不能滿足需求了，這種情況下二維GIS的發展受到了限制，而三維GIS卻能夠明確直觀表達與再現。該文通過運用三維GIS技術，結合模式設計方法，提出了一種構建三維輸電線路GIS系統的方法，并在實際的工程中得到了實現。

1 三維GIS技術概述及其應用現狀

三維GIS技術是GIS技術的一個新興的發展方向。三維GIS起源于二維GIS技術。由于人們所生活的環境是一個三維空間，二維GIS是簡單將投影與二維平面的模型，其本質就是抽象的符號化系統。在描述人們所生活的空間中存在缺陷。恰好三維GIS克服了這一缺陷。其以立體的展現形式技術給體驗者展現真實的地理空間現象，能夠清晰表達空間對象的平面關系。對空間對象進行三維空間分析、操作也是三維GIS特有的功能。三維GIS技術的出現將GIS技術推向了一個新的高度，應用的范圍也越來越廣泛。從三維GIS技術研發的基礎角度來看，目前三維GIS技術的發展主要有以下幾種趨勢。

（1）應用范圍從三維可視化領域向三維地理信息展示發展。這一特點與二維GIS管理一樣，都是從可視化角度出發，其目的是將地理數據變為可見的地理信息。

（2）管理模式從分散數據庫向系統集成拓展。三維GIS存儲與管理海量的空間信息和屬性信息，基于分散的關系型數據庫管理，將三維可視化與三維空間對象相耦合，從而形成系統集成。

目前，國內外還沒有成熟完整的三維GIS平臺，與三維GIS技術相關的系統大多數集中在可視化方面。

2 三維GIS技術在輸電線路展示平臺中應用到的主要技術

在輸電線路展示平臺中三維GIS技術的應用還需要結合相應的電力通訊技術、全景可視化技術與計算機科學技術。正是因為這些技術的綜合性應用，才使得三維GIS技術中的某些關鍵技術得到可靠應用。其中主要的技術有：空間索引與數據組織、多源化的數據庫集成與管理、海量數據處理技術、影像金字塔技術等。具體闡述如以下幾點。

2.1 空間索引和數據組織

由于輸電線路所處的空間、地質、地貌環境不同，所以輸電線路的分配也是不同的。

采用靈活的三角網在地理建物的展示中顯得尤為重要。采用這樣的三角網可以更加方便快捷的建立所需目標模型，也可以按照一定的比例在復雜的地形下架設輸電線路。

2.2 多元化的數據庫集成與管理

在三維模型數據庫里的集合圖形與影像數據等其他數據通常是需要很多字節的，但是數據的字節越多就會造成數據量的龐大，因此，這就需要對這些數據進行數據處理與優化。在三維GIS技術里面數據的管理是一項非常重要的技術。對數據庫的管理主要分為兩個方面的管理，分別為空間數據庫和ORACALE數據庫。

2.3 海量數據處理技術

根據現有的經驗與實踐結果表明，限制海量三維數據處理技術的因素主要有兩大方面，分別是幾何數據與紋理數據的龐大、地物數據種類繁多。根據這種技術的限制因素來講，這種技術主要運用有三個方面以實現數據的實時三維漫游。

（1）多級紋理交換技術。

紋理貼圖對于三維場景的真實重現起著舉足輕重的作用。正射影像、房屋墻壁等都是使用紋理貼圖實現的。一般來說，在三維場景中，紋理圖像的數據要占該場景所有數據量的90%甚至更多，如果解決好了紋理數據的問題，海量數據場景的管理和漫游問題也就迎刃而解。為了解決以上問題，采用“多級紋理交換”技術。該技術主導思想如下：①將場景中使用到的紋理拼合成為大小一致的紋理塊；②為每塊紋理生成5個細節等級的紋理，分別為0、1、2、3、4，其中1級紋理通過0級紋理1/4壓縮得到，2級紋理通過1級紋理1/4壓縮得到，……，依次類推；③在顯示每個物體之前，計算該物體最終在屏幕上成像的大小，并以此決定該使用那一級的紋理；④在內存中建立紋理緩沖池，使用LRU算法進行紋理塊的調度，確保使用頻率高的紋理調度次數盡可能少。

（2）多級幾何模型技術。

大范圍三維場景包含眾多的頂點、頂點索引、三角形等幾何信息，一個50 km×50 km、間距為10 m的DEM，僅網格點就要占據600M的空間。如此大的數據量，如果不作任何優化，任何3D加速卡都無法實現實時渲染，更不用說高速漫游。LOD（多級幾何模型技術）正是為了解決這一問題而出現的算法。LOD的核心思想如以下幾點。

①將DEM分塊；②對于每塊DEM，根據不同的閾值，抽取其中的關鍵點構造三角網以生成不同細節等級（LOD）的幾何模型；③DEM邊界上，各個細節等級的幾何模型使用相同的邊界信息；④在渲染的時候，根據DEM塊與視點的距離確定應該使用哪一個細節等級的幾何模型。

（3）數據分塊管理技術。

大范圍場景的三維模型包含很多地物，對場景中的所有地物進行碰撞檢測、紋理調度等操作需要耗費大量時間，給提高場景漫游速度造成了障礙。解決該問題的途徑之一是對地物（包括地表數據）進行分塊，每塊自成一體，碰撞檢測等耗費CPU時間較多的操作均以“塊”為單位進行，這樣可以極大提高程序執行效率。

2.4 影像金字塔技術

影像金字塔技術指的是在保持影像數據質量毫發無損的前提下實現影像快捷提取與顯示，影像金字塔技術有壓縮無損壓縮和非壓縮兩種方案并同時支持文件和數據庫兩種存儲方式。通過影像金字塔技術多幅影像可以拼接成一個連續、無縫和無損的海量影像層。金字塔技術的基本原理是將d維數據空間分割為2d個金字塔的集合，并提供了d維數據點到1維金字塔值的一一映射。這些值通過一種有序的一維索引結構存儲和訪問。

金字塔方法分割空間數據分為兩步：第一步，將數據空間劃分為2d個金字塔，這些金字塔以數據空間的中心（0.5，0.5，…，0.5）為頂點，以數據空間的（d-1）維表面作為基座。第二步，每個金字塔劃分多個平行于基座的部分，每個部分對應于B+樹的一個數據項。

3 三維GIS技術在輸電線路展示平臺中的應用

3.1 模型間無縫連接

隨著三維GIS技術研究的不斷深入和實踐工作的不斷深入，三維GIS技術在電力行業中得到廣泛應用，在電力行業中最典型的應用就是對輸電線路的三維場景建模，主要針對地物和設備，例如：建筑物、輸電桿塔、樹木、絕緣子等其他電力設備，三維GIS技術比較關注的是建筑物的外部結構和形態，而不是內部的拓撲結構，因為畢竟是為了是用戶更加真實的再現輸電線路現場的場景。因此，選用CGS（結構實體幾何法）模型類對地面模型進行描述。（如圖1）

由于地形形態是一個連續的空間層面的曲面，而非人們所說的平面，因此，如果不對CGS模型進行任何處理，建筑物底面與地形表面處相交的部分就會存在裂縫，會影響整個平臺的可視化效果，看起來不真實，進而影響空間分析。由于TIN可以以不同層次的分辨率來描述地形表面，對于粗糙不平底面的描述極具有優勢，根據實踐的要求，可以將TIN模型與CGS模型結合使用，從而實現模型間的無縫連接。

3.2 三維場景的顯示、查詢和空間分析

利用三維GIS技術強大的空間檢索與分析功能為輸電線路展示平臺提供了有力的技術可行性支持。

顯示功能支持實現：可以顯示整個三維場景并且可以在其中進行漫游、縮放、旋轉以及飛行瀏覽等操作，顯示整條輸電線路包括導線、桿塔模型、絕緣子并且可以直觀顯示出線路的耐張段情況，可以沿著線路進行飛行模擬直觀展示線路的交叉跨越情況。

查詢功能支持實現：在三維場景中可以快速查詢任一條線路及其相關屬性數據，包括線路的電壓等級、回路數、導線型號、桿塔的空間位置、絕緣子、金具等設備的信息。

空間分析功能支持實現：淹沒分析，土石方體積計算、兩點通視分析、弧垂分析等功能。

4 影響三維GIS技術發展的因素

影像三維GIS技術發展的因素分為促進與抑制兩個方面。

（1）促進發展的因素有以下幾點。

①二維GIS技術已經擁有比較成熟的理論與技術，而且應用到各行各業各領域。

②計算機科學技術的成熟與發展。為三維GIS技術提供了堅實的理論基礎。

③空間數據庫與面向對象數據庫的研發已經進入商業化階段。

（2）抑制發展的因素有以下幾點。

①由于遙感，數字測量技術發展的局限，三維GIS地理數據的廉價獲取還相當困難。

②三維GIS技術所需要的數據量遠遠高于其他系統，目前海量數據的處理技術還處于初級階段，這就對三維GIS技術的發展產生了一定限制。

③三維GIS技術的核心是三維空間數據庫，而三維空間數據庫的核心是數據庫結構設計和三維數據模型，在這方面缺少統一且權威的理論認證。

④現階段空間分析還處于二維分析階段，并非真正實現了三維的控件分析，且處于起步階段，這也是三維GIS技術發展所面臨的問題之一。

5 結論與展望

三維GIS技術和傳統地理信息系統技術結合而發展起來三維地理信息系統是，它除了擁有空間信息的分析、處理和組織功能等地理信息系統基本功能外而且有虛擬現實技術可以直觀、真實反映事物的優勢。輸電線路是電力系統重要的組成部分，具有明顯的地理特征等特點，因此，適合使用地理信息技術進行管理。將三維GIS技術融合到輸電線路的管理中建立具有輸電線路特色的數據組織平臺不但解決二維地理信息系統無法解決一些輸電線路具有的特點，可為輸電線路的設計、施工和運維等工作提供良好的支持與服務。該文對三維GIS技術在應用過程中所涉及到的幾種技術進行闡述，發現這幾種技術對平臺所運用到的數據具有一定的整理作用。綜上所述，三維GIS技術在輸電線路建設中的應用，為輸電線路的管理、基礎設計修建、擴建與決策提供有力的信息支持。

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