顧及對象語義的大規(guī)模桿塔電力線分頁細節(jié)層次模型構建＊

彭熾剛，許志海，廖如超，江萬壽，黃偉

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顧及對象語義的大規(guī)模桿塔電力線分頁細節(jié)層次模型構建＊

彭熾剛1，許志海1，廖如超1，江萬壽2，黃偉2

（1.廣東電網有限責任公司機巡作業(yè)中心，廣東 廣州 510600； 2.武漢大學 測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079）

分頁細節(jié)層次模型的構建是三維可視化的關鍵技術之一。如何建立合理的細節(jié)層次模型并進行有效的內外存調度，使占用盡量少的內存并保證三維可視化平臺的流暢運行，是大規(guī)模三維場景可視化技術的關鍵。針對電力桿塔、電力線這類特殊對象的可視化需求，充分利用電力桿塔和電力線的語義結構特征，提出了一種顧及對象語義的大規(guī)模桿塔電力線分頁細節(jié)層次模型的構建方法，在滿足不同觀察距離的細節(jié)感知要求的情況下，實現(xiàn)最大限度的細節(jié)簡化。實驗表明，顧及對象語義的分頁細節(jié)層次模型能夠很好地滿足大范圍桿塔和電力線可視化的實際需求。

電力桿塔；語義模型；模型簡化；分頁細節(jié)層次模型

自三維可視化技術誕生以來，細節(jié)層次模型（Leves of Details，LOD）以及面向內外存交換的分頁細節(jié)層次模型（Paged LOD，PagedLOD）的構建就一直是大規(guī)模三維場景可視化的關鍵技術之一[1-8]。最開始的地理信息可視化主要針對數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和數(shù)字正射影像（Digital Ortho Map，DOM）進行[1-3]，由于DEM、DOM的規(guī)則性，一般直接采用四叉樹結構就能滿足顯示需求。隨著三維建模技術的發(fā)展，三維可視化的對象已由規(guī)則的DEM、DOM發(fā)展到以建筑物物為主的三維城市模型，這使得可視化的復雜性有了很大的提高[4]。為滿足日漸增長的三維可視化需求，細節(jié)層次模型技術特別是通用型細節(jié)層次模型技術得到了深入的研究并取得了一定的進展（如基于三角網邊折疊的細節(jié)簡化算法[5-7]），不僅廣泛運用到三維實體模型的三維可視化，也開始用于三維地圖符號的可視化[9]。但通用型層次建模技術有其內在的缺陷，即在構建細節(jié)層次模型時無法顧及對象的組成及對象之間的語義關系，細節(jié)的簡化具有一定的盲目性，往往會出現(xiàn)重要的邊被刪減的情況，導致模型走樣[7]。因此，在構建LOD模型時需要充分考慮模型的內在結構及其語義，以進行更好的模型簡化[8]。

電力桿塔和電力線作為國家重要的基礎設施，從城市到農村普遍存在，其模型對構建輸電線路三維可視化管理平臺具有重要的意義[9]。傳統(tǒng)上，一般采用3D MAX、SketchUp或其他軟件工具來直接構建帶有材質的桿塔模型，該方法建立的桿塔模型能夠較好地反映桿塔的骨架特征和細節(jié)，但所建的模型在進行三維可視化時由于脫離了原有環(huán)境，只能以通用三角面元的形式保存，不僅缺乏語義，而且文件較大，既不利于多細節(jié)模型的構建，也不利于模型的網絡傳輸。

針對現(xiàn)有模型構建存在的文件大、缺乏語義等問題，本文充分利用桿塔的結構和部件關系，提出了一種顧及對象語義的大規(guī)模桿塔電力線分頁細節(jié)層次模型的構建方法。該方法從建模階段就考慮了模型的語義特征，不僅可以存儲桿塔的關鍵特征和屬性，也可以在三維顯示時有選擇的實現(xiàn)材質的渲染，可以在建立osg（Open Scene Graph，osg）的PagedLOD模型時按照細節(jié)層次需求直接生成簡化后的LOD文件，以最大程度減少多細節(jié)層次模型的存儲需求和傳輸需求。文章組織結構如下：簡單介紹桿塔和電力線的結構，然后介紹基于語義的桿塔電力線的建模方法和簡化策略，再介紹基于四叉樹的混合式桿塔電力線分頁細節(jié)模型實現(xiàn)，最后介紹深圳市桿塔電力線LOD生成的具體效果。

1 桿塔、電力線的結構

按使用材料的不同，架空輸電線路使用的桿塔可分為鋼筋混泥土電桿和鐵塔，本文僅以高壓線路使用的鐵塔為例說明。如圖1（a）所示，鐵塔一般由主材、斜材和綴材三部分構成[10-11]。主材起到上下支撐作用，斜材和綴材對主材起到橫向約束作用。三者的材料可以為同一類型也可以為不同類型，且三者材質寬度和厚度也隨著其重要性減小而逐漸減小。從三維可視化的角度出發(fā)，在近處看時，桿塔模型需要完整地反映桿塔的結構和材質；在遠處看的時候，桿塔模型不管是角鋼、薄壁型鋼或鋼管都可以簡化為一條直線；再遠一點時，則只需畫出桿塔的外輪廓，忽略桿塔的斜材和綴材。

絕緣子是連接導線與塔身的絕緣體，其作用是避免導線直接接觸塔身，引發(fā)漏電事故。如圖1中的（b）和（c），絕緣子一般根據(jù)導線的電壓由若干個絕緣子片串接而成，且電壓越高，絕緣子的片數(shù)越多。從三維可視化的角度出發(fā)，在近處看時，絕緣子模型需要完整地反映絕緣子的結構和材質；在遠處看的時候，則只需用直線表示絕緣子的位置。

圖1 鐵塔結構、材質、絕緣子與導線

電力線由導線和地線組成。導線通過絕緣子掛在桿塔上，而地線直接掛在桿塔的頂部。按照回路數(shù)的不同，導線可分為單回路、雙回路、三回路和四回路等情況。每個回路導線由A、B、C三相構成，每相導線又可分為2，3，4，6，8等多條分裂導線[13]。圖1（b）為雙回路導線，每相導線為二分裂；圖1（c）則為單回路導線，每相導線為三分裂。一般情況下，分裂導線橫截面分布在一個圓上，構成一個正多邊形。從三維可視化的角度出發(fā)，在近處看時，電力線模型需要完整地反映電力線的結構；在遠處看的時候，電力線模型只需用分裂導線中的一根來表示多分裂導線。

2 桿塔電力線建模方法與簡化策略

與基于3DMAX、SketchUp軟件直接建模出每個部件的三角形[10]不同，本文的桿塔和電力線建模采用語義建模法，即只采集桿塔部件、絕緣子和電力線的關鍵點。直接構建每個部件的三角形，可以直接把桿塔的結構和材質三角形化，脫離原有環(huán)境進行帶材質的三維顯示，但存儲的文件會比較大。本文以編寫osg的文件插件[14]的形式，加載自定義的桿塔文件*.ptm（power tower model，ptm），在加載.ptm文件時根據(jù)視覺感知的需要動態(tài)繪制桿塔（根據(jù)osg的插件命名規(guī)則，該插件名字為osgdb_ptm.dll）。該方法可以在生成LOD時根據(jù)桿塔按不同LOD級別加載*.ptm文件，從而直接得到不同細節(jié)的模型。

2.1 電力桿塔語義模型

為了便于數(shù)據(jù)的采集、編輯和可視化，本文以干字塔為例建立了如圖2所示的桿塔語義模型。不同結構的桿塔語義模型有所不同，比如貓頭塔和酒杯塔會包括內環(huán)和外環(huán)結構。圖2所示的桿塔語義模型只是一個示意性模型，對于每一個回路來說，至少會有3個橫擔，對于換位塔來說會有額外的換位橫擔。每一個絕緣子由于構造的關系往往不只是由一個絕緣子串組成，而是由多個絕緣子串組成I形、V形、Y形等結構。

圖2 干字塔語義模型（簡化版）

2.2 基于語義的桿塔電力線簡化策略

基于語義的桿塔電力線簡化即依據(jù)不同的可視化距離，有選擇地畫出不同復雜程度的桿塔電力線模型，即在近處看時，桿塔電力線模型需要完整地反映桿塔、電力線的結構和材質；在遠處看的時候，桿塔電力線模型可以忽略部分細節(jié)。

2.2.1 桿塔的簡化

桿塔簡化層次如表1所示，當視點距離很近時，生成的桿塔模型需要帶有材質和細節(jié)；當視點較遠時，則只需要用直線段代替桿塔的材料，比如把角鋼和鋼管都簡化為一根直線；當視點再遠一些時，則只畫出桿塔的外輪廓，忽略桿塔的斜材和綴材結果。

同理，對于絕緣子這種半徑變化的旋轉體，其三角形比桿塔本身多一個數(shù)量級，在較遠距離時直接用直線段代替絕緣子真實外表能極大地減少數(shù)據(jù)量。

2.2.2 電力線的簡化

電力線簡化層次如表2所示，電力線的簡化采取逐步減少繪制的電力線數(shù)量和減少電力線上的點數(shù)相結合的思路，即只有在視點距離足夠近時，才畫出電力線的所有相數(shù)的分裂線，在視點距離足夠遠時則只畫出分裂線中一根，再遠時則進一步減少繪制的相數(shù)和地線。

表1 桿塔簡化層次

視點距離近———————>遠 簡化層次01234 桿塔主材???? 桿塔輔材??? 桿塔綴材?? 絕緣子骨架???? 絕緣子細節(jié)? 桿塔材質?

表2 電力線簡化層次

視點距離近—————————>遠 簡化層次012345 相A?????? 相B??? 相C?? 地線?? 多分裂線? 點數(shù)9161311573

3 混合式桿塔電力線分頁細節(jié)模型實現(xiàn)

為了充分利用osg的PagedLOD功能[14-15]和本文設計的桿塔模型（如圖3所示），本文在設計桿塔電力線的分頁細節(jié)層次模型時將桿塔電力線LOD模型分為osgb（osg二進制文件格式）層和ptm層。其中，osgb層保存簡化后的桿塔模型和電力線，ptm層保存原始的桿塔語義模型。

osgb層如圖3所示，總共6層，L0和L1層由于可視距離較遠，桿塔會被壓縮到不到1個像素，因此只顯示電力線，而L2到L5層逐步加入桿塔及其細節(jié)。和L0到L4層相比，L5層進行了特殊設計：L0到L4層都屬于4叉層，L5層則根據(jù)本層當前瓦片的桿塔的多少，對每個桿塔建立了獨立的PageLOD，這樣可以方便地進行。

ptm層就是立體測塔的原始文件，保存了桿塔塔身、塔頭、橫擔、絕緣子等關鍵點位數(shù)據(jù)和各部件的材質。由于斜材、綴材、絕緣子實體模型是動態(tài)生成的，在文件中并不存儲，因此文件通常只有十幾KB。

在渲染時，直接利用osgb層渲染無材質的簡化模型，而只有在最精細的ptm模型層出現(xiàn)時，才動態(tài)渲染當前視野中的帶材質的質感模型。由于只有在一個桿塔占顯示窗口很大比例的情況下才進行真實感顯示，因此，動態(tài)渲染的工作量大大減少，從而實現(xiàn)以時間換取存儲空間的目標。

圖3 基于四叉樹的桿塔電力線LOD模型

4 實驗與效果

4.1 單個桿塔的PagedLOD對比實驗

本文選取3DMAX生成的深圳市嶺鯤甲線-N10桿塔LOD模型進行對比說明。如圖4所示，圖4（b）為某公司提供的利用3DMAX建立的桿塔模型的4級LOD模型文件，文件總大小為54 MB；圖4（c）為利用本文方法生成的PagedLOD模型文件，文件總大小為74.1 KB。為了進行更好的對比，圖4（d）為4個桿塔及其電力線的生成的PagedLOD模型文件，文件總大小只有550 KB，比3DMAX生成LOD的一個級別還要小至少100%.從數(shù)據(jù)上看，本文方法生成的PagedLOD文件占用空間很小，有利于桿塔的快速加載和數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 深圳市嶺鯤甲線-N10桿塔的LOD模型對比

4.2 深圳市桿塔電力線PagedLOD生成實驗

為了驗證本文方法的正確性和有效性，本文基于osgEarth搭建了實驗平臺（32位程序），并對深圳市110 kV、22 kV、500 kV共458條線路的桿塔和電力線數(shù)據(jù)進行LOD模型生成和三維可視化實驗，實驗結果如表3所示。所生成的桿塔電力線PageLOD總共615 MB。osgEarth平臺單獨加載桿塔電力線內存占用最少76 MB，最多只有475 MB；與深圳市DOM、傾斜攝影測量建立的高分辨率電力走廊地面模型一起加載，內存占用最少243 MB，最多只有1.3 GB，刷新率達到每秒60幀。

表3 深圳市桿塔電力線LOD模型及加載情況

可視化內容數(shù)據(jù)量內存占用刷新率/fps 桿塔與電力線615 MB76 M/475 MB60 DOM、架次模型、桿塔與電力線55.6 G+110 G+615 MB243 M/1.3 GB60

為了直觀表示，如圖5～6所示，本文截取了深圳市桿塔電力線由遠到近3種不同視點距離下的可視化結果。實驗結果表明，本方法能流暢快速地加載桿塔電力線LOD模型。

圖5 深圳市桿塔部分電力線遠景

圖6 深圳市桿塔部分電力線近景

5 結束語

針對電力桿塔和電力線這類特殊人造地物的可視化需求，本文根據(jù)其結構特征提出了一種顧及對象語義的大規(guī)模桿塔電力線分頁細節(jié)層次模型構建方法。與傳統(tǒng)方法相比，本文提出的方法通過實時計算桿塔的細節(jié)結構，能有效減少桿塔表示的數(shù)據(jù)量，有利于縮短網絡傳輸?shù)牡却龝r間，提高三維可視化平臺的響應速度；根據(jù)本文方法建立的PagedLOD模型占用硬盤空間小，便于網絡傳輸；占用內存少，可以在32位osgEarth程序上流暢瀏覽。實驗結果表明，針對不同可視化對象的結構特征，構建顧及對象語義的分頁細節(jié)層次模型，對于精細化的三維城市模型構建與可視化具有重要的意義，是可視化模型建立的重要趨勢之一。

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彭熾剛（1963—），男，碩士，高級工程師，主要從事高壓輸電、電力巡線等研究。

南方電網科技項目（編號：GDKJQQ20161187）

2095－6835（2019）03－0017－04

TM75

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.017

〔編輯：張思楠〕