WebGIS三維可視化平臺在電網數字化移交中的應用研究

王芳　尤一銘　余婷立

摘? 要：隨著智能電網建設的推進，傳統的紙質檔案移交管理已不能滿足電網工程信息化需求。針對新一代電網三維數字化移交，為解決移交不直觀、數據繁多等問題，文章提出多元異構數據處理方式，采用三維模型輕量化技術、三維仿真與調度技術，實現基于WebGIS的三維可視化平臺。該平臺是集成工程信息、地理信息、數字化模型和文檔資料，貫穿工程建設全過程，完成三維數字化移交的應用，為電網建設數字化、精細化、智能化提供可靠的平臺支撐。

關鍵詞：WebGIS;三維可視化;數字化移交;仿真模擬

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）17-0007-05

Abstract： With the advancement of smart grid construction， the traditional paper file handover management can not meet the informatization needs of power grid engineering. Aiming at the 3D digital handover of the new generation power grid， in order to solve the problems of non intuitive handover and numerous data， this paper puts forward a multivariate heterogeneous data processing method， and adopts 3D model lightweight technology， 3D simulation and dispatching technology to realize the 3D visualization platform based on WebGIS. The platform integrates engineering information， geographic information， digital models and documents， runs through the whole process of project construction， completes the application of 3D digital handover， and provides a reliable platform support for the digitization， refinement and intelligence of power grid construction.

Keywords： WebGIS; 3D visualization; digital handover; analogue simulation

0? 引? 言

隨著計算機硬、軟件系統和三維建模技術的發展以及地圖學、地理信息系統（GIS）、計算機視覺、遙感等學科的進步，國內外紛紛涌現出諸如World Wind、Google Earth、SuperMap等基于C/S架構的三維產品。基于C/S架構的三維產品具有數據共享難、更新復雜的特點，WebGL作為新的3D繪圖協議，將WebGL與三維GIS結合使用，使人們在網頁中瀏覽三維場景成為可能[1]。

在電網數字化領域，2015年召開的國家電網會議提出加快推進智能電網建設，對電網信息化水平提出了更高的要求。近年來，三維數字化電網解決方案逐漸涌現，各類GIS項目陸續應用于三維WebGIS等系統的開發[2]，大數據平臺的模型處理、多維數據可視化展示在電網業務領域得到廣泛應用。三維數字化移交作為貫穿電網工程建設全過程的管理手段，從全局角度進行統籌考慮，采集、處理在工程建設過程中形成的各類工程信息、地理信息、數字化模型、文檔資料等數據成果，實現對電網工程三維場景、三維模型的直觀展示以及對工程資料的綜合管理[3]，是移交模式的信息化突破和革新。

本文從電網數字化移交的實際應用出發，立足于解決電網數據移交不直觀、難管理、數據冗余、使用效率低等問題，開展多源異構數據處理、三維模型輕量化技術、三維仿真與調度技術的研究，構建基于WebGIS的三維數字化移交平臺，實現模型數據可視化、三維場景模擬仿真等模塊功能，完成三維數字化移交應用場景，對推進智能電網建設和提升電網領域的數字化、精細化、智能化管理水平具有重要意義。

1? WebGIS的三維平臺

1.1? 關鍵技術與難點

1.1.1? 多源異構數據處理

目前電網通用模型格式包括rvt、3ds、fbx、stl等，數據來源多樣、數據結構差異大。為了促進電網數據標準化，國家電網提出的《輸變電工程三維設計模型交互規范》（Grid Information Model， GIM）規范了電網模型的數據格式，這在一定程度上解決了模型多元異構問題，但依然面臨諸多困難。各商用軟件存在數據壁壘，用戶為查看不同模型往往需要購買、安裝多個軟件，操作復雜，使用成本高且成果難以共享。如何實現“多源數據一平臺應用”是平臺需要解決的關鍵問題。

1.1.2? 三維模型輕量化技術

三維模型是物體的多邊形表示，通常用計算機或其他視頻設備來顯示。作為點和其他信息集合的數據，一般包括幾何形狀、表面材質與紋理特征。三維模型輕量化旨在保持原有結構、幾何拓撲關系、紋理和材質，刪減一定量的頂點并重新構建三角面片，達到降低數據量的目的。電網設施和設備結構復雜，如何最大限度地簡化模型并保留模型細節，是平臺研究的重點和難點。

1.1.3? 三維場景仿真與調度

電網模型具有高密度分布的特點，輸電線路一般呈條帶狀，沿線分布了大量的桿塔、絕緣子/金具和導線等，線路兩端連接變電站、換流站等[4]，如此海量的數據通常集中在數百平的空間內，再加上構建影像、地形等基礎地理數據，平臺將面臨巨大的渲染壓力。如何實現基礎地理數據和工程數據的快速加載與響應，保障大小場景流暢切換以及導線弧垂的仿真效果，實現可瀏覽、可量測、可查閱、可分析，是平臺所要突破的重點也是難點。

1.2? 技術實現與架構

1.2.1? 總體架構

按照多源數據處理邏輯進行平臺系統架構的設計，提供高效率、輕量級的三維可視化服務。核心數據處理工具遵循GIM標準要求，將GIM數據存儲于輕量級數據庫中，進行GIM數據的自動解析與存儲管理。采用數據處理方案和性能優化策略，加載GIM模型數據、地形、影像等基礎地理數據，實現工程模型在三維場景中的可視化展示。用戶終端享有三維模型操作、場景漫游等基礎功能，能快速流暢地切換場景，實現對各類工程三維模型、設計參數的管理、瀏覽及查詢，形成相關成果輸出。總體架構如圖1所示。

1.2.2? 數據處理方案

TB級的數字正射影像（DOM）及數字高程模型（DEM）的融合渲染、幾何模型的快速渲染，均需要建立嚴密有序的數據處理及組織方式[5]，這樣才能保證數據在Web三維可視化平臺中的渲染效果，滿足平臺在數字化移交應用中的需要。以下是數據處理方案：

（1）地理信息數據處理。地理信息數據處理將不同來源的數據進行規范化處理，并將數據納入統一的坐標系統，實現數據無縫拼接與疊加，配置后進行切片緩存，提高加載效率。數字正射影像需要進行七參數糾正、去邊、切片處理，使用緩存機制提高地圖訪問速度。平臺中的數字高程模型一般處理成不規則三角格網，準確反應地形地貌的細節特征。基礎地理數據、電網專題數據將被處理成標準WMS、WMTS地圖服務或者geojson文件。

（2）GIM模型解析。通過利用平臺自研的GIM數據處理工具實現GIM模型的解析和格式轉換。首先解析GIM相關參數，獲取CBM、DEV、PHM、MOD文件夾信息，采用GIM的三維參數化建模方法，生成交換模型，在此基礎上對交換模型進行輕量化操作。然后將線路工程模型轉換為glb模型，將變電站工程模型轉換為3dtiles模型。glb模型是二進制文件，能節約存儲空間、便于網絡傳輸，有效提高模型數據請求和下載效率。3dtiles模型是分層分塊的金字塔型結構，配合平臺的調度策略，能有效地實現模型的高效渲染。

1.2.3? 性能優化策略

基礎地理數據及模型數據的處理，一定程度上提高了三維平臺的渲染速度，但隨著線路、變電站（換流站）場景的構建，平臺依然承擔著較大的內存和渲染壓力，致使可視化效果也隨之下降。為減輕平臺渲染壓力，保障可視化效果，本平臺采取以下策略來優化性能：

（1）LOD策略。LOD（Levels of Detail）是解決海量數據顯示和調度的常用策略，它最顯著的特點是能夠保證三維可視化系統在調度數據時，根據需要進行加載。在渲染處理方面，平臺根據模型在環境中所處的位置和重要程度，動態調配資源，降低可視域遠處模型細節，加快單圖元渲染速度。

（2）可視范圍裁剪策略。平臺通過判斷渲染對象是否落在可視范圍內，決定是否對其進行加載和渲染，渲染對象落在可視范圍內則對其進行加載和渲染，反之則不渲染，這一策略可有效地降低資源消耗提高平臺性能。

（3）動態加（卸）載模型。通過計算可視域內視點與模型的距離，實時加載或卸載模型。對于架空輸電線路場景，當模型距離相機較近時加載模型數據，當模型距離相機較遠時卸載模型，以此降低資源消耗。對于變電站（換流站）場景，小比例尺時請求粗略模型，大比例尺時請求可視域內高精度切片數據，緩存周圍低精度數據，實現場景瀏覽的快速響應，保證平臺的流暢性和可視化效果。

1.3? 平臺功能設計

地理信息數據作為三維平臺的核心，平臺需支持常用的地理數據，并提供逼真的三維場景和友好的三維交互操作功能。考慮到三維平臺的基本功能和業務需求，平臺提供了以下四種功能模塊：

（1）地理數據可視化。平臺支持地理數據可視化，包括高清衛星影像、高精度地形、傾斜攝影模型、激光點云數據等，用戶可根據具體應用場景選擇數據，如衛星影像可選天地圖衛星影像、谷歌衛星影像、百度地圖衛星影像、航飛正射影像等，地形包括cesium世界地形、ArcGIS全球地形、航飛數字高程模型等。

（2）三維模型可視化。平臺支持3dtiles和gltf/glb三維數據規范，配合模型文件的加載、渲染、調度等策略，實現三維場景的模擬仿真，使用空間位置及姿態編輯功能，可將模型渲染到三維虛擬地球的任意位置。

（3）場景漫游。平臺支持第一人稱漫游、第三人稱漫游、場景穿透等功能，強大的漫游體系可滿足大、小三維場景的各類應用需求，配合鍵鼠能快速便捷地實現場景縮放、旋轉、平移、飛行瀏覽等功能。

（4）通用功能。平臺提供通用功能，輔助用戶快速實現空間量測、繪制標注、成果導出。空間量測功能包括經緯度量測、高程量測、距離量測、面積量測，通過交互的方式直觀、實時地展示量測結果。繪制標注功能包括點標注、線標注、面標注、體標注，以及導出功能。

2? 三維數字化移交應用

2.1? 數據模型

三維數字化移交以數字化的方式貫穿電網工程建設的全過程，三維數字化移交的數據模型包括工程概況信息、地理信息數據、三維設計成果和文檔資料[3]，詳情如表1所示。

2.2? 應用成果

三維數字化移交平臺實現了工程信息、地理信息、數字化模型和文檔資料的統一管理，利用三維可視化表達技術可以更加直觀、高效地表達數字化電網中的地理空間信息以及塔基地形的空間形態和分布特征。實現電網數據的動態、全方位、多角度展示。

2.2.1? 工程信息

工程信息主要包含電網工程在初步設計、施工圖設計、竣工圖三個階段的工程概述信息和主要經濟技術指標[3]，如工程概況、電壓等級、變電站類型、線路長度、回路數、參建單位、概算動態總投資等。平臺采用關系型數據庫存儲、管理結構化數據，使用RESTful數據服務實現工程信息的增刪改查，以統計圖表直觀地展示各項工程信息。

2.2.2? 地理信息

平臺以全球衛星影像數據和數字高程模型為基礎創建虛擬地球，動態疊加各類地理空間數據，為用戶提供一個高性能、高精度、高質量的虛擬仿真平臺，虛擬仿真平臺的全球視野如圖2所示，全球衛星影像疊加數字高程模型效果如圖3所示。用戶只需通過鼠標鍵盤操作即可實現三維場景漫游，支持三維場景的縮放、旋轉、平移。提供地名查找和經緯度定位功能，輔助用戶快速定位。

平臺可疊加展示各類地理數據，在電網數字化移交中，通常會疊加展示：

（1）行政區劃、交通、居民地、河流、植被等基礎地理數據。

（2）污區、冰區、震區、氣象區、舞動區、雷害區、鳥害區、規劃區、風景區、自然保護區、林區、礦區、文物保護區、軍事禁區等電網專題數據，冰區專題地圖如圖4所示。

上述數據作為公共數據而進行統一管理，用戶可根據工程需要控制公共數據的顯隱、透明度，并可快速定位至相應圖層。

電網工程通道數據通常被處理成geojson格式，平臺讀取并繪制文件中的點、線、面狀要素，并按照約定的樣式將其渲染在地球上，用戶可以根據需要控制圖層的顯隱，并可快速定位至圖層，如圖5所示。

航空攝影測量作為工程數據采集的主要方式，數據成果包括數字正射影像、數字高程模型、激光點云、傾斜攝影模型等。工程數字正射影像將疊加到全球衛星影像上，數字高程模型將替換全球數字高程模型加載到三維虛擬地球上。激光點云數據和傾斜攝影數據將被處理成3dtiles模型加載到三維場景中，傾斜攝影模型可視化效果如圖6所示。

2.2.3? 三維設計成果

GIM是電網三維設計成果中的主要成果，包括電網設備設施模型及屬性和交叉跨越地物模型及屬性[3]。平臺將GIM數據模型解析成幾何信息和屬性信息，實現三維模型在線加載、無極縮放，結合三維地球場景中的各類地理信息，用戶可對電網工程進行全方位、多視角的三維瀏覽。

除了常規的漫游操作外，平臺提供第一人稱漫游功能，用戶可以以第一人稱漫游模式進入變電站模型內部，對變電站模型進行瀏覽漫游。建筑物穿透功能，使用戶能夠穿透變電站房屋瀏覽內部設備。建筑物顯隱控制功能，可以用以隱藏變電站外部房屋，暴露房屋內部的設備，方便用戶查看，變電站模型可視化效果如圖7所示。

線路工程除了加載展示電網設備設施模型外，采用廣告牌、帶紋理的折線和多面體對象客觀形象地表示樹林、房屋、電力線等交叉跨越物，為用戶提供一個逼真的虛擬三維線路場景，線路工程可視化效果如圖8所示。

2.2.4? 文檔資料

平臺按照《國家電網有限公司電網建設項目檔案管理辦法》和《輸變電工程三維設計建模規范》對電網工程在初步設計、施工圖設計、竣工圖階段產生的設計資料進行統一管理。平臺提供目錄配置功能，用戶可根據工程類型、電壓等級來配置文檔目錄，使用上傳、下載、預覽、刪除等功能管理文檔。提供文檔和設備模型關聯功能，雙擊拾取設備模型可查看設備關聯的文檔。

3? 結? 論

隨著三維可視化技術的發展，基于WebGIS的三維可視化技術被廣泛地應用到電網工程中。本文論述了基于WebGIS的三維可視化技術以及其在三維數字化移交中的應用。三維數字化移交平臺對電網工程建設中產生的各種工程信息、地理信息、數字化模型、文檔資料等數據成果進行統一的管理，實現對電網工程三維場景、三維模型的直觀展示和對工程資料的綜合管理，對促進智能電網建設和提高電網行業數字化、精細化、智能化管理水平，具有重要意義。

參考文獻：

[1] 李艷麗.淺析基于WebGL的BIM數據網絡三維可視化 [J].計算機科學與應用，2021，11（1）：7.

[2] 馬洪成，錢建國，楊戈.基于Cesium的三維電網WebGIS開發與實現 [J].測繪與空間地理信息，2018，41（11）：73-76.

[3] 董躍周，王秀芳，彭玉培，等.電網工程三維數字化移交數據生產關鍵技術流程研究 [J].科學技術創新，2020（26）：1-4.

[4] 任培祥，侯小波，郭雁，等.電網三維模型簡化與渲染優化方法研究 [J].電力勘測設計，2015（2）：61-64.

[5] 周陽，佘江峰，唐一鳴.基于WebGL的三維數字水利展示系統研究 [J].測繪與空間地理信息，2014，37（3）：44-48.

作者簡介：王芳（1987—），女，漢族，湖北武漢人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：WebGIS;尤一銘（1990—），男，漢族，河南永城人，工程師，碩士研究生，研究方向：WebGIS;余婷立（1994—），女，漢族，湖北孝感人，助理工程師，碩士研究生，研究方向：地圖學與地理信息系統。