基于WebGIS的三维全景变电站远程监控系统设计与应用

胡常胜+黄昊+黄晓婧+卓旭

摘 要：基于现有的2D平面展示技术与3D建模技术目前存在的种种不足，该文提出了一种基于WebGIS的三维全景技术对变电站的实际应用场景进行虚拟展示，给出了三维全景技术变电站监控系统功能设计，包括球形投影技术、HTML5前端展示、WebGIS前端、GIS后端和数据库；给出了三维全景变电站监控系统结构的详细说明，并将三维全景变电站监控系统应用到实际变电站中，实际效果表明，该技术在成本、效率和可维护性上较2D平面展示技术和3D建模展示技术都表现出了较大优势。

关键词：三维全景 变电站远程监控系统 WebGIS

中图分类号：TM764 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）08（b）-0006-02

在实时监控方面，现有变电站以摄像机监视主站为基础，但是清晰度高度依赖于视频监控系统，对设备细节的完整呈现存在不足；目前还采用了基于2D的平面技术及基于3D的建模技术这两种主要手段对变电站进行虚拟展示，其中第二种方法需要对变电站内部进行深度模拟展示，从而对变电站图形进行一体化建模，但技术实现难度高且成本不易控制。

该文以三维全景技术对变电站运行场景进行仿真展示，并基于WebGIS的监控特点，建立具有辅助决策的智能监控平台，实现跨平台数据共享。

1 三维全景技术

相比传统技术手段，三维全景技术是实现环境要素空间信息化的最好选择[1]。近年来，基于全景图像的虚拟现实技术也得到了迅速发展，对数字博物馆、虚拟旅游、房地产展示等虚拟漫游应用领域起到了重要的行业发展推动作用[2]。三维全景技术有着无法比拟的优势[1]，主要体现在以下几方面。

（1）数据量小，数据采集和处理简便。

（2）数据冗余度低。

（3）与场景复杂度无关。

（4）对运行计算机的性能要求不高。

（5）对特殊装置的依赖程度低。

2 三维全景技术变电站监控系统设计及应用

2.1 三维全景变电站监控系统功能设计

三维全景变电站监控系统架构的关键技术主要由5部分组成，以下将一一进行详细技术说明。

2.1.1 球形投影技术

球形投影的原理是将照片投影到一个具有经/纬度的全景球面上，与直线投影不同，球形投影将图片中所有的水平或垂直线投影到球面上时都会弯曲（0°经/纬线除外）。其合成全景图的水平视角可达360°，垂直视角可达180°，适用于近距广角镜头的大视角全景观察[3]。因此，球形投影方式非常适合变电站内局部场景的展示。目前，球形投影方式几乎被所有的硬件拍摄设备以及合成软件支持，也是使用的最广泛的全景投影方式之一。

2.1.2 HTML5前端展示

现有主流的浏览器都支持HTML5的WebGL标准。WebGL是一种3D绘图标注，这种绘图技术标准允许把JavaScript和OpenGL ES 2.0结合在一起。WebGL可以为HTML5的Cavas标签提供硬件3D加速渲染，这样Web开发人员可以借助系统显卡在浏览器里更流畅地展示3D场景和模型[4]。

直接使用WebGL进行三维全景的展示比较繁琐，可以借助three.js或者是panolens.js等开发库来缩减开发的工作量。

2.1.3 WebGIS前端

OpenLayers作为一种轻量级的开源WebGIS开发框架，具有成本低、开发简单，支持多种地图格式和Web页面，实现页面的无刷新动态实时更新等特点，更方便地将空间信息和非空间信息进行集成管理，非常适用于构建中小范围、小尺度下的地理信息系统项目[5]。

2.1.4 GIS后端

目前主流的GIS服务器都被Openlayers所支持，如 ArcGIS、MapInfo等。对于变电站远程监控，可以考虑更经济且灵活的开源解决方案，如GeoServer。

GeoServer是一个符合J2EE规范且实现了WCS、WMS及WFS规格，并支持Transaction WFS（WFS-T）；支持ESRI Shapefile及Post GIS、Oracle、ArcSDE等空间数据库；输出的GML档案满足GML2.l的要求；且由于它的开源，所以开发组织可以基于GeoServer灵活实现特定的目标要求。

2.1.5 数据库

数据库的选择范围较广，可以从现有开发经验和应用需求上进行考虑。主流的商业数据库，如OracleSQL Server以及开源数据库，如MySql、PostgreSQL、Sqlite等都提供了对空间数据的存储支持。

2.2 三维全景变电站监控系统结构说明

系统以电网统一的视频监控平台为核心，接口开放是变电站综合数据协议接入网关、监控智能联动及应用服务器等设备进行交互的关键，以实现站内监控系统的智能分析、联动等功能。基于WebGIS的三维全景变电站监控系统结构如图1所示。

整个系统内部传输的数据主要有控制及联动数据、设备状态、三维及二维图片媒体数据等，由串口设备接入，在上级电网公司部署流媒体服务器以及变电站相关的综合数据协议转换接入网关实现各类数据的协议转换；为满足全景展示应用服务的要求，需要在变电站内部部署图片引擎服务器，主要存储内容为电子地图，同时为了能够对图片业务进行在线发布，系统应单独安装Web服务器；每一台服务器的运行状态需要统一监控管理，操作人员可通过网管服务器对系统的实时状态进行信息查询，同时能够将系统的实时操作及时快速地反映在全景图像中。

2.3 三维全景变电站监控系统应用

如图2所示，左边是常见的地理信息展示（2D展示界面），用于对较大场景进行展示；右边是3D全景展示界面，用于对局部场景的展示。在地理信息展示界面中设置相应的热点，如图中的圈，点击后在右边的界面对局部的细节采用三维全景技术进行展示。在三维全景展示界面中，通过热点对现场安装设备进行数据显示或者是交互操作。

3 结语

将基于WebGIS的三维全景技术应用在变电站远程监控系统当中，可以有效地解决2D平面展示技术与3D建模技术目前存在的种种不足，同时在成本、效率和可维护性上都具备显著的优势。

参考文献

[1] 郭林岗，周洁，张冰，等.GIS集成三维全景在环境应急中的应用[J].环境科学导刊，2013（S1）：134-136.

[2] 邓杏杏，朱大明，杨袁聪.基于全景图的虚拟现实系统研究与讨论[J].地矿测绘，2009，25（1）：26-28.

[3] 高铁.全景照片合成技术及PTGUI的运用[J].电脑知识与技术，2010，6（25）：7114-7117.

[4] 荣艳冬.基于WebGL的3D技术在网页中的运用[J].信息安全技术，2015（8）：90-92.

[5] 杨鹏，邹时林.基于OpenLayers的WebGIS客户端的研发[J].测绘与空间地理信息，2012，35（3）：131-133.