电网三维模型简化与渲染优化方法研究

任培祥，侯小波，郭 雁，董 健，董鉥涛

(1.北京洛斯达数字遥感技术有限公司，北京 100120；2.西北电力设计院，陕西 西安 710000)

电网三维GIS系统核心的数据包括两部分：基础地理数据和电网三维模型。基础地理数据主要用来还原现场的地形、地貌，将真实的地理环境呈现出来，技术上采用金字塔瓦片、动态调度来实现数据的高效加载及渲染；电网三维模型主要是用1∶1建模以及经过材质、纹理贴图等处理的精细化模型来模拟线路、变电站的真实场景。从地理空间上看，电网模型具有高密度分布的特点，输电线路一般呈条带状，沿线分布了大量的杆塔、绝缘子/金具和导线等，线路两端连接变电站、换流站等。

为了实现大量高精度的电网三维模型的动态调度与快速渲染，本文首先研究了模型简化机制，对各种精细的电网设备模型，在保持原设备不失真的情况下进行简化，构建多细节层次(Levels of Detail，LOD)模型文件；针对模型地理密度大的特点，建立分块索引机制，提高模型查找速度，减少模型的实时载入量；设计并实现了面向对象的模型数据动态调度，形成基于大批量电网模型的三维渲染引擎；采用LOD技术，在不影响视觉效果的情况下降低数据复杂程度和每秒进行读写(Input/Output,IO)吞吐量，从而更好的提高模型数据的访问和渲染效率，最终实现整个电网设备的高效快速渲染。

1 模型组织优化

1.1 提高设备模型的复用率

电网设备一般都是由较小一级的设备组建而成，上一级的设备包含较多重复的小设备例如一个绝缘子串由多个相同的绝缘子片构成，一个变电站内包含多个避雷针、电抗器、断路器等。针对电网设备的这种特点，使用实体—引用的建模方式可以大大提高模型的复用率，实体是物理模型，引用是一个指向某个物体模型的指针，通过引用创建的模型副本并不增加实际多边形数量。

本文使用对象建模技术对原始电网模型进行结构解析，以设备对象为建模单元，通过引用关系组装电网模型。将设备模型与其位置、属性建立统一序列标识，进而组织成完整的带有属性信息的电网模型。这种模型组织方式保证了电网模型的局部设备的独立性与全局模型的完整性。各个设备模型得到充分复用，提高了资源利用率，减少了模型的内存消耗。

以变电站为例，变电站由主变压器、配电变压器、断路器、电抗器等一系列设备组成，这些设备在变电站中可能同时存在多个。在建模的时候，每个设备单独建模，之后根据设备的位置、属性建立模型与空间上的引用关系，构建完整的变电站模型。

1.2 减少多边形数量

任何实时系统的图形硬件，在一个给定的帧频率下都只能对有限数量的多边形进行各种实时的计算处理。如果模型的多边形数量超过了系统的处理能力，仿真应用就无法顺畅地运行。

本文在保证电网模型可视效果的情况下，一方面去除电网模型不必要的设备组件；一方面采用纹理替代模型细节的方法，使用纹理丰富模型细节，在视觉上给人以真实感。图1中，建筑物模型本身是个简单的几何体，在每个面上贴上纹理后，建筑物就显得比较真实了，图中的门窗都是通过纹理表现。

图1 建筑物纹理贴图

1.3 模型简化

模型简化的目的是在尽可能保持原模型可视特征的条件下，减少模型的三角面数目，实际上就是用尽可能少的表面采样点来表示原始模型的细节信息。常见的简化机制包括顶点聚类、增量式简化、采样和自适应细分，简化算法基本都采用了这四种机制的某种结合或者是变形。

本文采用半边折叠算法对模型进行简化预处理。半边折叠是增量式简化算法的一种，该算法具有简化模型质量高、健壮性好的优点。为了保持模型的外形特征，本文使用Hussain等人提出的保持特征的高效简化算法，用顶点在邻域内的尖锐程度度量每个原始顶点的视觉重要性，以此查找折叠边。

半边折叠仅对原始模型顶点进行子集采样，算法不会产生新顶点。图2所示一次半边折叠的简化操作完成，从原始网格中删除了两个面、一个点、三条边。通过在原始模型上进行一系列的半边折叠操作，原模型就被简化成了一系列的中间近似模型，最后形成目标模型。

图2 半边折叠操作示意图

在模型简化的过程中，生成了不同细节层次的模型，这些模型都是原始模型的子集，将这些模型以增量的方式存储起来，形成了一个连续的LOD模型，见图3。图3(a)是0级模型即LOD0，图3(b)是1级模型即LOD1，图3(c)是2级模型即LOD2，可以看到随着LOD层级的增加，模型的顶点个数明显减少，见图3和表1。

图3 不同层级模型的对比图

表1 不同层级模型顶点数量对比

2 模型的调度与渲染机制优化

2.1 分块索引技术

在大规模场景漫游时，对于一个给定的视点位置和视线方向，通常只有一部分范围可见。因此，在对整个场景进行可视化前，应该根据当前视点位置及视线方向等参数对场景中的模型进行拣选，只渲染在当前视野范围内模型数据。为了能够快速地访问多分辨率的模型数据，必须建立快速的空间索引机制。

本文采取四叉树结构对电网三维模型建立空间索引，见图4。四叉树中的每个节点都包含了空间位置信息，叶节点存储模型数据。

图4 四叉树结构图

实时仿真时，系统根据模型四叉树结构划分，检查单个设备模型外包盒与场景中的四叉树节点相交情况，如果不相交则放弃遍历该节点及其子树；反之，则继续遍历直到叶节点为止。利用该技术减少了场景中模型的载入量，提高了模型的调度效率。

2.2 LOD模型的调度与渲染

LOD技术是为了解决可视化仿真过程中系统的实时性和模型的逼真度之间的矛盾而出现的，广泛应用于飞行仿真、复杂三维场景的快速绘制、交互可视化和虚拟现实等领域。其基本思想是对同一场景或场景中的物体，使用不同细节的描述方法得到一组模型，在图形绘制中依据视点选择合适的细节层次模型进行绘制。

本文运用LOD思想实现电网三维场景的调度与渲染。如图5—图9是从显示地理接线图、导地线、简化模型、精细模型的整个过程。这种模型的调度方式，不但提高了系统的渲染速度，也符合视觉习惯，达到模型渲染速度与渲染效果的最佳平衡。

2.3 实例化(Instancing)技术

实例化技术是一种批量渲染技术，当三维模型中具有多个相同几何形状但是空间位置不同的物体时，采用实例化技术可以实现使用一个模型数据，绘制多个模型实例的效果。该技术在增加同类物体数量的情况下而不增加实际多边形数量，这样既节省系统的内存空间和磁盘存储空间，还可以改善实时系统的处理性能。

电网模型使用组件化建模方法，以设备模型为基础，采用设备组装的方式构建整体模型。这种模型组织结构十分切合实例化技术的要求。本文采用实例化技术渲染电网模型，并将该技术集成到电网三维GIS平台的渲染引擎中。电网模型渲染时，不同空间位置但设备模型相同的多个模型，一次全部渲染完成，大大提高了电网模型的渲染速度。

3 应用实例

目前，本文中所述的技术已经在“三维全景智能电网信息化支撑平台(NSC Globe)”上得到应用，利用该技术可实现GB级数据量模型的加载及渲染，且运行效率优于国内主流三维GIS平台。同时以NSC Globe为三维GIS基础平台搭建了适用于电网建设规划、设计、施工、运行等全过程的多个业务系统，为业主单位带来了良好的经济效益和社会效益。

4 结论

电网三维模型作为电力三维GIS系统的核心基础数据，其显示的效率及效果直接影响到用户的体验，本文通过对电网三维模型数据进行深入分析，组织并设计了适用于此类模型的数据结构，通过技术手段实现了电网三维模型尤其是大数据量模型的快速调度及渲染，这为后续三维GIS基础平台建设以及应用奠定了良好的基础。

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