三維輸電線路GIS的構建和技術實現研究

鄭浩勇++高磊

摘 要：將三維可視化GIS用于電力信息系統是經濟社會發展的需要。該文探討了數據組織與空間索引方法、多源數據的集成與管理等幾種電力信息系統中三維GIS關鍵技術，在此基礎上，論文初步探討了三維輸電線路GIS系統的構建方法，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：電力信息系統 三維GIS 關鍵技術

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現實景觀，直觀地表達電力信息系統中對象同周圍地理環境在空間上的相互關系，并將有關電力信息系統的各種信息綜合起來，建立一個虛擬的環境，在這樣的虛擬環境中來規劃和設計電力信息系統中的輸電網、配電網及電站等，并采用一定的突進查詢分析相關對象的屬性信息，同時進行相應的專業電力分析，這是二維GIS所無法比擬的。但到目前為止，有關三維GIS在電力信息系統中的應用仍處于研究和探索階段。

把三維可視化GIS技術納入到電力信息系統方面的應用同時要借助于計算機技術、通訊技術、遙感技術、可視化技術、組件技術和虛擬現實等技術的有力支撐。這些技術將電力設備及其相關的基礎設施、功能設施數字化，建立起數據庫，并通過計算機高速通信網絡相連接，為電力信息系統提供高度自動化、智能化的規劃設計、工程施工、線路搶修、維護管理與統計分析等功能，為各相關部門提供多專業、多層次、多目標的綜合服務。在這個過程中，有多種數據的參與，包括地形DEM數據、表現地表景觀的DOM、矢量數據DLG、多種地物數據、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據，這種多源的數據需要采用一定的方法進行集成與管理，并采用一定的數據組織與空間索引方法。對于海量的、大范圍的電力線路數據漫游，則需利用動態裝載的方式。電力信息系統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，采用組件技術是一種較好的思路。

1 數據組織與空間索引方法

1.1 數字地面模型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。因此其架線構網的基礎是三維地形的構建。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據又十分復雜，故可采用靈活的不規則三角網TIN結構這種常用的方式來形成數字地面模型（DTM）。數字地形模型（Digital Terrain Mode，簡稱DTM），是在空間數據庫中存儲并管理的空間地形數據集合的統稱，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數字描述。地形表面形態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境信息系統不可缺少的組成部分。在信息系統分析和評價空間信息并以此為依據進行規劃和決策時，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應用中的基礎數據。

1.2 不規則三角網TIN

不規則三角網（TIN）是數字地面模型DTM表現形式之一，該法利用實測地形碎部點、特征點進行三角構網。基于不規則三角形建模是直接利用野外實測的地形特征點（離散點）構造出鄰接的三角形，組成不規則三角網結構。采用TIN結構，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果的三維表示極為重要。相對于規則格網，不規則三角網具有以下優點。

（1）三角網中點和線的分布密度和結構完全可以與地表的特征相協調，直接利用原始資料作為網格結點。（2）不改變原始數據和精度。（3）能夠插入地形線以保存原有關鍵地形特征。（4）能很好地適應復雜、不規則地形，從而將地表的特征表現得淋漓盡致。

但是數據量大、圖形結構復雜是采用TIN的最大困難所在，尤其是在線路較長的情況下數量更加巨大，問題更加突出，其有效的數據組織與管理自然就成了一個關鍵問題。從離散的大地點到DTM的生成，關鍵技術在于內插方式的選擇。使用內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重的定義，特別是對于很破碎的地形情況，很容易產生地形失真。相比之下，TIN由于可以適應各種數據分布，并能方便地處理斷裂線、構造線、不連續的地表等數據，故很容易顧及地形特征進而能生成質量較高的DEM而備受人們的青睞。

為了提高不規則三角網的查尋速度，采用了分塊索引、分層的邊界框和R-trees技術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據檢索的效率。為了恰當確定分塊大小，一般要計算三角形的平均邊長，并考慮整個區域的大小。

2 多源數據的集成與管理

2.1 多源數據的形成

利用三維可視化GIS來規劃設計和管理輸電配電網要涉及多種不同類型、來源的數據。首先是構成三維景觀的基本地形數據：數字高程模型數據DEM，矢量圖形數據DLG；其次是表現景觀的影像數據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、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據。這些數據的格式也各不相同：不同格式的DEM數據是一系列高程信息，地表景觀需要大量的遙感或航空影像數據，輸電線路、街道是三維線狀數據，房屋建筑為體狀地物；還有來自不同軟件制作的模型數據：如由AutoCAD得到的DXF二維矢量地物，由3DMAX得到的3DS模型數據等。數據庫中除了管理大比例尺地形和高分別率影像數據外，三維建筑物、電力線及桿塔形狀的重建和繪制、表面性質的描述和材質參數都已成為數據庫的一部分。一個成熟的3D數據庫包括幾何關系數據、照片紋理和其他附加信息數據，加起來將達到幾千億個字節的數據。如果系統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據加上長大線路的影像數據常常會達到幾十甚至上百個GB。如此復雜、龐大的海量數據必須進行有效的組織和管理。

2.2 多源數據的管理

在三維電力GIS中對于數據的管理是一個關鍵性問題。不同類型的數據在數據結構和操作上都存在很大的不同，因此必須提供不同類型數據的一體化管理。對不同介質、不同來源的數據進行存儲、管理、分析是實現三維可視化GIS融入到電力信息系統的必備功能之一。

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

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

3 三維輸電線路GIS系統的構建和技術實現

基于上述關鍵技術開發了基于衛星三維影像的輸電線路綜合信息管理系統。

3.1 系統結構

“基于衛星影像的電力線路三維信息系統”分為3個部分，包括電力線路地理綜合信息數據庫、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。系統的電力線路地理綜合信息數據庫主要包括基礎地理信息數據庫和電力相關信息數據庫。基礎地理信息數據庫存儲和管理了研究區域各級分辨率的遙感圖像數據、各種比例尺的數字高程模型等基礎地理信息，以及電力設施三維模型數據，這些數據在統一的地理空間基準下，實現標準化、一體化管理。電力相關信息數據庫存儲和管理了電力線路數據、桿塔、T接、變電站、線路周邊環境等與電力業務相關的資料數據。

系統在基礎地理信息數據庫的支撐下，以高分辨率遙感衛星數據、數字高程模型為基礎，構建研究區域高精度、大范圍的數字三維環境，并能加載建筑物和電力設施三維模型，以及各種地標信息，實現研究區域三維仿真顯示，為電力線路業務綜合應用提供可視化平臺。

在數據庫和可視化平臺支持下，為用戶提供多種電力線路業務綜合應用功能模塊。用戶能對研究區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 關鍵技術與實現途徑

（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、消雷器等的數量和位置都與現場一一對應，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計尤為重要。系統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計分析。當發生交叉點跨越故障，可以在系統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。

系統將二維和三維完美結合，二維全面反映整個電網，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。

三維應用就是對現實對象進行建模，并導入應用系統中。電力系統中的各種對象，不可能一一進行建模，數量多，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。只需利用系統提供的功能根據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。

實現衛星遙感影像、各種比例尺基礎地理數據、三維模型數據和屬性數據有機集成，使區域縮放漫游中涉及到圖像和數字高程模型時，系統能夠實現多來源、多分辨率衛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。

三維數字地形環境是承載三維電力線路信息，進行區域三維地理環境生成和顯示的基礎。針對三維環境仿真的特殊要求和地形數據的特點，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了大范圍地形的實時動態交互顯示。

（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據文件（如3DS、FLT等），通過編寫統一的軟件接口，實現其在三維環境中的模擬顯示。

（9）桿塔信息查詢的實現。

在系統中進一步開發子模塊，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，實現對輸電線路的科學管理。

4 結語

將三維可視化GIS用于電力信息系統是經濟社會發展的需要。對于經濟社會中電力信息系統的規劃決策領域而言，將GIS提供的區域規劃與供電能力相結合可解決供電能力不適應配電網結構的問題等，從而正確規劃區域的整體布局和發展重點；通過GIS的模擬、虛擬功能，對電網數據進行分析，推導出可視化表示結果，為最終供電能力預測、決策提供科學的依據，改造現有電網，規劃新電網；利用GIS可實現的地理網絡分析功能來確定最優化布線，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，同時可以為交通建設、城市規劃、水利建設、民航規劃等領域服務。

參考文獻

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