三维输电线路GIS的构建和技术实现研究

摘 要：将三维可视化GIS用于电力信息系统是经济社会发展的需要。该文探讨了数据组织与空间索引方法、多源数据的集成与管理等几种电力信息系统中三维GIS关键技术，在此基础上，论文初步探讨了三维输电线路GIS系统的构建方法，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：电力信息系统 三维GIS 关键技术

中图分类号：TM726 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）12（c）-0001-03

由于电力信息系统中的输电线路和杆塔等设施是以三维空间形式存在的，各种线路在三维空间上存在着不同程度和方式的交叉和重叠，因此目前二维GIS对于完整地描述电力信息系统对象是有一定限制的。而三维GIS能以其真实可视化效果生动地再现现实景观，直观地表达电力信息系统中对象同周围地理环境在空间上的相互关系，并将有关电力信息系统的各种信息综合起来，建立一个虚拟的环境，在这样的虚拟环境中来规划和设计电力信息系统中的输电网、配电网及电站等，并采用一定的突进查询分析相关对象的属性信息，同时进行相应的专业电力分析，这是二维GIS所无法比拟的。但到目前为止，有关三维GIS在电力信息系统中的应用仍处于研究和探索阶段。

把三维可视化GIS技术纳入到电力信息系统方面的应用同时要借助于计算机技术、通讯技术、遥感技术、可视化技术、组件技术和虚拟现实等技术的有力支撑。这些技术将电力设备及其相关的基础设施、功能设施数字化，建立起数据库，并通过计算机高速通信网络相连接，为电力信息系统提供高度自动化、智能化的规划设计、工程施工、线路抢修、维护管理与统计分析等功能，为各相关部门提供多专业、多层次、多目标的综合服务。在这个过程中，有多种数据的参与，包括地形DEM数据、表现地表景观的DOM、矢量数据DLG、多种地物数据、纹理、描述性文本资料，同时还有图片、声音和录像等多种媒体数据，这种多源的数据需要采用一定的方法进行集成与管理，并采用一定的数据组织与空间索引方法。对于海量的、大范围的电力线路数据漫游，则需利用动态装载的方式。电力信息系统有其自成一体的框架和体系，它不仅包含空间信息的处理与分析，而且还包括非空间信息的管理，这要求三维GIS以松散的方式去耦合，采用组件技术是一种较好的思路。

1 数据组织与空间索引方法

1.1 数字地面模型DTM

输电线路是位于地理空间中的人工建筑物，线路距离长，通过地区地理条件复杂，有平地、丘陵、沼泽、森林、田地、公路、铁路、河流、湖泊等。它与众多电力线路、通讯线路交叉跨越，还常常通过居民地、公园、风景名胜保护区。因此其架线构网的基础是三维地形的构建。电力线的架设需要在大比例尺的地形上设计，而所要处理的大比例尺高精度地形数据又十分复杂，故可采用灵活的不规则三角网TIN結构这种常用的方式来形成数字地面模型（DTM）。数字地形模型（Digital Terrain Mode，简称DTM），是在空间数据库中存储并管理的空间地形数据集合的统称，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。地形表面形态的属性信息一般包括高程、坡度、坡向等。它是建立不同层次的资源与环境信息系统不可缺少的组成部分。在信息系统分析和评价空间信息并以此为依据进行规划和决策时，十分注重地表属性的三维特征，诸如高度、坡度、坡向等重要的地貌要素，并使这些要素成为地学分析和生产应用中的基础数据。

1.2 不规则三角网TIN

不规则三角网（TIN）是数字地面模型DTM表现形式之一，该法利用实测地形碎部点、特征点进行三角构网。基于不规则三角形建模是直接利用野外实测的地形特征点（离散点）构造出邻接的三角形，组成不规则三角网结构。采用TIN结构，可以灵活、逼真、快速地建立具有任意边界形状的目标模型，这对于空间查询和分析结果的三维表示极为重要。相对于规则格网，不规则三角网具有以下优点。

（1）三角网中点和线的分布密度和结构完全可以与地表的特征相协调，直接利用原始资料作为网格结点。（2）不改变原始数据和精度。（3）能够插入地形线以保存原有关键地形特征。（4）能很好地适应复杂、不规则地形，从而将地表的特征表现得淋漓尽致。

但是数据量大、图形结构复杂是采用TIN的最大困难所在，尤其是在线路较长的情况下数量更加巨大，问题更加突出，其有效的数据组织与管理自然就成了一个关键问题。从离散的大地点到DTM的生成，关键技术在于内插方式的选择。使用内插方式的主要问题在于难以选择合适的邻域点集合以及权重的定义，特别是对于很破碎的地形情况，很容易产生地形失真。相比之下，TIN由于可以适应各种数据分布，并能方便地处理断裂线、构造线、不连续的地表等数据，故很容易顾及地形特征进而能生成质量较高的DEM而备受人们的青睐。

为了提高不规则三角网的查寻速度，采用了分块索引、分层的边界框和R-trees技术用来支持快速的索引和搜索。分块大小的确定在很大程度上也会影响数据检索的效率。为了恰当确定分块大小，一般要计算三角形的平均边长，并考虑整个区域的大小。

2 多源数据的集成与管理

2.1 多源数据的形成

利用三维可视化GIS来规划设计和管理输电配电网要涉及多种不同类型、来源的数据。首先是构成三维景观的基本地形数据：数字高程模型数据DEM，矢量图形数据DLG；其次是表现景观的影像数据DOM；另外是多种地物信息和属性信息，如电力线、杆塔模型、绝缘子、电站、编码、颜色、材质、纹理、描述性文本资料，同时还有图片、声音和录像等多媒体数据。这些数据的格式也各不相同：不同格式的DEM数据是一系列高程信息，地表景观需要大量的遥感或航空影像数据，输电线路、街道是三维线状数据，房屋建筑为体状地物；还有来自不同软件制作的模型数据：如由AutoCAD得到的DXF二维矢量地物，由3DMAX得到的3DS模型数据等。数据库中除了管理大比例尺地形和高分别率影像数据外，三维建筑物、电力线及杆塔形状的重建和绘制、表面性质的描述和材质参数都已成为数据庫的一部分。一个成熟的3D数据库包括几何关系数据、照片纹理和其他附加信息数据，加起来将达到几千亿个字节的数据。如果系统中的杆塔模型是通过3DMAX建立的3DS模型，一条线路上成千上百个模型的数据加上长大线路的影像数据常常会达到几十甚至上百个GB。如此复杂、庞大的海量数据必须进行有效的组织和管理。

2.2 多源数据的管理

在三维电力GIS中对于数据的管理是一个关键性问题。不同类型的数据在数据结构和操作上都存在很大的不同，因此必须提供不同类型数据的一体化管理。对不同介质、不同来源的数据进行存储、管理、分析是实现三维可视化GIS融入到电力信息系统的必备功能之一。

（1）空间数据库引擎SDE。把GIS数据放在RDBMS中，但是一般的RDBMS都没有提供GIS的数据类型（如点、线、多边形以及它们之间的拓扑关系和投影坐标等相关信息），RDBMS只提供了少量的数据类型支持： int、float、double、long、char等，一般都是数字、字符串和二进制数据几种。并且RDBMS不仅没有提供对GIS数据类型的存储，也没有提供对这些基础类型的操作（如：判断包含关系，相邻、相交、求差、距离、最短路径等）。ESRI公司推出的空间数据库引擎（Spatial DatabaseEngine，简称SDE）是目前国际上领先的GIS数据处理的网络计算模型，用以支持超大型空间数据库管理以及在网络环境中对多用户并发空间数据访问的快速访问的快速响应方面的应用。SDE采用真正的客户/服务器体系结构，是高性能、面向目标的空间数据库管理系统，并提供一系列用于管理和访问大型分布式地理数据的功能，由一个多线程的空间数据库服务器和客户应用程序接口（API）组成。

（2）Oracle数据库。传统的文件管理由于在数据共享、并发控制等方面存在弱点，无法成为海量数据管理的主流，而数据库的发展就成了必然的趋势。近几年发展起来的对象关系型数据库如Oracle对海量的空间数据管理有它独特的优势。Oracle是以高级结构化查询语言（SQL）为基础的大型关系数据库，通俗地讲，它是用方便逻辑管理的语言操纵大量有规律数据的集合，是目前最流行的客户/服务器（Client/Server）体系结构的数据库之一。采用Oracle数据库完成对非GIS业务数据的管理。

3 三维输电线路GIS系统的构建和技术实现

基于上述关键技术开发了基于卫星三维影像的输电线路综合信息管理系统。

3.1 系统结构

“基于卫星影像的电力线路三维信息系统”分为3个部分，包括电力线路地理综合信息数据库、高精度三維可视化平台和电力线路综合应用服务功能模块。系统的电力线路地理综合信息数据库主要包括基础地理信息数据库和电力相关信息数据库。基础地理信息数据库存储和管理了研究区域各级分辨率的遥感图像数据、各种比例尺的数字高程模型等基础地理信息，以及电力设施三维模型数据，这些数据在统一的地理空间基准下，实现标准化、一体化管理。电力相关信息数据库存储和管理了电力线路数据、杆塔、T接、变电站、线路周边环境等与电力业务相关的资料数据。

系统在基础地理信息数据库的支撑下，以高分辨率遥感卫星数据、数字高程模型为基础，构建研究区域高精度、大范围的数字三维环境，并能加载建筑物和电力设施三维模型，以及各种地标信息，实现研究区域三维仿真显示，为电力线路业务综合应用提供可视化平台。

在数据库和可视化平台支持下，为用户提供多种电力线路业务综合应用功能模块。用户能对研究区域进行线路三维巡视漫游、多种信息查询检索、电力辅助决策和地形量测分析。

3.2 关键技术与实现途径

（1）設备的真实反映。

将电力线路上的各种设备对照图纸，等比例建模。在系统中按照施工图进行线路架设，杆塔上的绝缘子、金具、防震锤、消雷器等的数量和位置都与现场一一对应，真实反映线路情况。

（2）直观反映交叉跨越。

由于交叉跨越点的线路故障具有一定的普遍性，因此针对交叉跨越的分析和统计尤为重要。系统直观反映线路的交叉跨越以及新增的交叉跨越（包括交叉跨越下方电力线路）情况，对跨越点的地形地貌进行统计分析。当发生交叉点跨越故障，可以在系统中迅速查找受影响线路和设备以及周边情况。

（3）二维与三维切换。

系统将二维和三维完美结合，二维全面反映整个电网，三维反映局部信息。在二维中选取某条线路将直接定位到三维，直观反映这条线路的实际情况。

（4）模型组合。

三维应用就是对现实对象进行建模，并导入应用系统中。电力系统中的各种对象，不可能一一进行建模，数量多，无法修改，如：某个杆塔上增加一个绝缘子都要重新建模。进行模型组合，省去了建模的复杂过程。只需利用系统提供的功能根据实际选取需要的几种模型组合在一起。

（5）剖面分析。

架设一条线路，需要跨越很多山川、河流。利用剖面分析功能，分析杆塔之间的跨越对象。

（6）多源、多类型、多维信息集成技术。

实现卫星遥感影像、各种比例尺基础地理数据、三维模型数据和属性数据有机集成，使区域缩放漫游中涉及到图像和数字高程模型时，系统能够实现多来源、多分辨率卫星遥感影像和多维信息的高效率显示。

（7）高效三维地形引擎算法的实现。

三维数字地形环境是承载三维电力线路信息，进行区域三维地理环境生成和显示的基础。针对三维环境仿真的特殊要求和地形数据的特点，采用了一种符合生理视觉特征的全新地形模型表示方法——LOD模型，依据视线的视向、视阈及其场景离视点的远近来决定场景中地形块的绘制分辨率，提高显示效率的基础上实现了大范围地形的实时动态交互显示。

（8）基于Google Sketchup建模软件的三维目标建模。

三维目标的建模是对其进行仿真显示和模拟的基础，目前许多商品化的造型软件如3DMAX、Multigen、Softimage、Lightwave等均提供了功能强大的编辑制作三维实体模型的功能，其中3DMAX在三维目标建模与仿真可视化方面具有许多其他软件所没有的独特优势，在这里将其作为首选的三维建模工具，并将三维模型保存为标准格式的数据文件（如3DS、FLT等），通过编写统一的软件接口，实现其在三维环境中的模拟显示。

（9）杆塔信息查询的实现。

在系统中进一步开发子模块，生成杆塔照片、材料情况、缺陷等所需信息并可点击进行记录并查询，实现对输电线路的科学管理。

4 结语

将三维可视化GIS用于电力信息系统是经济社会发展的需要。对于经济社会中电力信息系统的规划决策领域而言，将GIS提供的区域规划与供电能力相结合可解决供电能力不适应配电网结构的问题等，从而正确规划区域的整体布局和发展重点；通过GIS的模拟、虚拟功能，对电网数据进行分析，推导出可视化表示结果，为最终供电能力预测、决策提供科学的依据，改造现有电网，规划新电网；利用GIS可实现的地理网络分析功能来确定最优化布线，保证配电线路的传输畅通，资源得到高效合理的利用；根据MIS的管理功能和三维GIS直观形象的特点，可及时定位排除故障，便于设备的维修和管理。三维可视化GIS不但可以用于电力信息系统，同时可以为交通建设、城市规划、水利建设、民航规划等领域服务。

参考文献

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[2] 吴慧欣.三维GIS空间数据模型及可视化技术研究[D].西安：西北工业大学，2007.

[3] 郝平，李瑞麟，应时彦，等.组件式地理信息系统技术[J].浙江工业大学学报，2001，29（3）：301-304.

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