三维GIS技术在输电线路可视化展示平台中的研究

杨珂++吴发献++杨先进++齐辉

摘 要：在国家电网的信息化飞速发展的带领下，输电线路需求的迅速增长，三维GIS技术作为一种能够更加真实的再现输电线路及其相关附属设备的显示技术，在电力行业具有广泛运用。该文以输电线路可视化展示平台为例，研究如何利用现有的数字高程数据模型（DEM）及相关算法实现海量三维地表模型的构建和展示，并且通过建立数据中间层的方法将数字高程模型，输电设备的三维模型及各类属性信息有机结合在一起，从而实现输电线路可视化展示平台的各类维护及查询要求。

关键词：输电线路 三维GIS 三维模型

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（a）-0039-03

现今，电力系统的发展越来越高端，输电线路电网也越来越繁密，电力设备的相关应用也越来越复杂，但是为了促进科学化管理，GIS技术在电力行业的大范围发展中得到了广泛应用，特别是三维GIS这一关键技术。输电線路的各种交叉与重叠等复杂状况以及输电线路是位于地理空间中的人为建物，其线路距离长，通过地区地理环境较为复杂，与其他电力线路和通信线路有交叉跨越，并且会通过一些其他的特殊区域。输电线路杆塔的位置与其所在的地理位置有着密切关系。为了更加直观展现出输电线路的全貌二维GIS的应用已经不能满足需求了，这种情况下二维GIS的发展受到了限制，而三维GIS却能够明确直观表达与再现。该文通过运用三维GIS技术，结合模式设计方法，提出了一种构建三维输电线路GIS系统的方法，并在实际的工程中得到了实现。

1 三维GIS技术概述及其应用现状

三维GIS技术是GIS技术的一个新兴的发展方向。三维GIS起源于二维GIS技术。由于人们所生活的环境是一个三维空间，二维GIS是简单将投影与二维平面的模型，其本质就是抽象的符号化系统。在描述人们所生活的空间中存在缺陷。恰好三维GIS克服了这一缺陷。其以立体的展现形式技术给体验者展现真实的地理空间现象，能够清晰表达空间对象的平面关系。对空间对象进行三维空间分析、操作也是三维GIS特有的功能。三维GIS技术的出现将GIS技术推向了一个新的高度，应用的范围也越来越广泛。从三维GIS技术研发的基础角度来看，目前三维GIS技术的发展主要有以下几种趋势。

（1）应用范围从三维可视化领域向三维地理信息展示发展。这一特点与二维GIS管理一样，都是从可视化角度出发，其目的是将地理数据变为可见的地理信息。

（2）管理模式从分散数据库向系统集成拓展。三维GIS存储与管理海量的空间信息和属性信息，基于分散的关系型数据库管理，将三维可视化与三维空间对象相耦合，从而形成系统集成。

目前，国内外还没有成熟完整的三维GIS平台，与三维GIS技术相关的系统大多数集中在可视化方面。

2 三维GIS技术在输电线路展示平台中应用到的主要技术

在输电线路展示平台中三维GIS技术的应用还需要结合相应的电力通讯技术、全景可视化技术与计算机科学技术。正是因为这些技术的综合性应用，才使得三维GIS技术中的某些关键技术得到可靠应用。其中主要的技术有：空间索引与数据组织、多源化的数据库集成与管理、海量数据处理技术、影像金字塔技术等。具体阐述如以下几点。

2.1 空间索引和数据组织

由于输电线路所处的空间、地质、地貌环境不同，所以输电线路的分配也是不同的。

采用灵活的三角网在地理建物的展示中显得尤为重要。采用这样的三角网可以更加方便快捷的建立所需目标模型，也可以按照一定的比例在复杂的地形下架设输电线路。

2.2 多元化的数据库集成与管理

在三维模型数据库里的集合图形与影像数据等其他数据通常是需要很多字节的，但是数据的字节越多就会造成数据量的庞大，因此，这就需要对这些数据进行数据处理与优化。在三维GIS技术里面数据的管理是一项非常重要的技术。对数据库的管理主要分为两个方面的管理，分别为空间数据库和ORACALE数据库。

2.3 海量数据处理技术

根据现有的经验与实践结果表明，限制海量三维数据处理技术的因素主要有两大方面，分别是几何数据与纹理数据的庞大、地物数据种类繁多。根据这种技术的限制因素来讲，这种技术主要运用有三个方面以实现数据的实时三维漫游。

（1）多级纹理交换技术。

纹理贴图对于三维场景的真实重现起着举足轻重的作用。正射影像、房屋墙壁等都是使用纹理贴图实现的。一般来说，在三维场景中，纹理图像的数据要占该场景所有数据量的90%甚至更多，如果解决好了纹理数据的问题，海量数据场景的管理和漫游问题也就迎刃而解。为了解决以上问题，采用“多级纹理交换”技术。该技术主导思想如下：①将场景中使用到的纹理拼合成为大小一致的纹理块；②为每块纹理生成5个细节等级的纹理，分别为0、1、2、3、4，其中1级纹理通过0级纹理1/4压缩得到，2级纹理通过1级纹理1/4压缩得到，……，依次类推；③在显示每个物体之前，计算该物体最终在屏幕上成像的大小，并以此决定该使用那一级的纹理；④在内存中建立纹理缓冲池，使用LRU算法进行纹理块的调度，确保使用频率高的纹理调度次数尽可能少。

（2）多级几何模型技术。

大范围三维场景包含众多的顶点、顶点索引、三角形等几何信息，一个50 km×50 km、间距为10 m的DEM，仅网格点就要占据600M的空间。如此大的数据量，如果不作任何优化，任何3D加速卡都无法实现实时渲染，更不用说高速漫游。LOD（多级几何模型技术）正是为了解决这一问题而出现的算法。LOD的核心思想如以下几点。

①将DEM分块；②对于每块DEM，根据不同的阈值，抽取其中的关键点构造三角网以生成不同细节等级（LOD）的几何模型；③DEM边界上，各个细节等级的几何模型使用相同的边界信息；④在渲染的时候，根据DEM块与视点的距离确定应该使用哪一个细节等级的几何模型。

（3）数据分块管理技术。

大范围场景的三维模型包含很多地物，对场景中的所有地物进行碰撞检测、纹理调度等操作需要耗费大量时间，给提高场景漫游速度造成了障碍。解决该问题的途径之一是对地物（包括地表数据）进行分块，每块自成一体，碰撞检测等耗费CPU时间较多的操作均以“块”为单位进行，这样可以极大提高程序执行效率。

2.4 影像金字塔技术

影像金字塔技术指的是在保持影像数据质量毫发无损的前提下实现影像快捷提取与显示，影像金字塔技术有压缩无损压缩和非压缩两种方案并同时支持文件和数据库两种存储方式。通过影像金字塔技术多幅影像可以拼接成一个连续、无缝和无损的海量影像层。金字塔技术的基本原理是将d维数据空间分割为2d个金字塔的集合，并提供了d维数据点到1维金字塔值的一一映射。这些值通过一种有序的一维索引结构存储和访问。

金字塔方法分割空间数据分为两步：第一步，将数据空间划分为2d个金字塔，这些金字塔以数据空间的中心（0.5，0.5，…，0.5）为顶点，以数据空间的（d-1）维表面作为基座。第二步，每个金字塔划分多个平行于基座的部分，每个部分对应于B+树的一个数据项。

3 三维GIS技术在输电线路展示平台中的应用

3.1 模型间无缝连接

随着三维GIS技术研究的不断深入和实践工作的不断深入，三维GIS技术在电力行业中得到广泛应用，在电力行业中最典型的应用就是对输电线路的三维场景建模，主要针对地物和设备，例如：建筑物、输电杆塔、树木、绝缘子等其他电力设备，三维GIS技术比较关注的是建筑物的外部结构和形态，而不是内部的拓扑结构，因为毕竟是为了是用户更加真实的再现输电线路现场的场景。因此，选用CGS（结构实体几何法）模型类对地面模型进行描述。（如图1）

由于地形形态是一个连续的空间层面的曲面，而非人们所说的平面，因此，如果不对CGS模型进行任何处理，建筑物底面与地形表面处相交的部分就会存在裂缝，会影响整个平台的可视化效果，看起来不真实，进而影响空间分析。由于TIN可以以不同层次的分辨率来描述地形表面，对于粗糙不平底面的描述极具有优势，根据实践的要求，可以将TIN模型与CGS模型结合使用，从而实现模型间的无缝连接。

3.2 三维场景的显示、查询和空间分析

利用三维GIS技术强大的空间检索与分析功能为输电线路展示平台提供了有力的技术可行性支持。

显示功能支持实现：可以显示整个三维场景并且可以在其中进行漫游、缩放、旋转以及飞行浏览等操作，显示整条输电线路包括导线、杆塔模型、绝缘子并且可以直观显示出线路的耐张段情况，可以沿着线路进行飞行模拟直观展示线路的交叉跨越情况。

查询功能支持实现：在三维场景中可以快速查询任一条线路及其相关属性数据，包括线路的电压等级、回路数、导线型号、杆塔的空间位置、绝缘子、金具等设备的信息。

空间分析功能支持实现：淹没分析，土石方体积计算、两点通视分析、弧垂分析等功能。

4 影响三维GIS技术发展的因素

影像三维GIS技术发展的因素分为促进与抑制两个方面。

（1）促进发展的因素有以下几点。

①二维GIS技术已经拥有比较成熟的理论与技术，而且应用到各行各业各领域。

②计算机科学技术的成熟与发展。为三维GIS技术提供了坚实的理论基础。

③空间数据库与面向对象数据库的研发已经进入商业化阶段。

（2）抑制发展的因素有以下几点。

①由于遥感，数字测量技术发展的局限，三维GIS地理数据的廉价获取还相当困难。

②三维GIS技术所需要的数据量远远高于其他系统，目前海量数据的处理技术还处于初级阶段，这就对三维GIS技术的发展产生了一定限制。

③三维GIS技术的核心是三维空间数据库，而三维空间数据库的核心是数据库结构设计和三维数据模型，在这方面缺少统一且权威的理论认证。

④现阶段空间分析还处于二维分析阶段，并非真正实现了三维的控件分析，且处于起步阶段，这也是三维GIS技术发展所面临的问题之一。

5 结论与展望

三维GIS技术和传统地理信息系统技术结合而发展起来三维地理信息系统是，它除了拥有空间信息的分析、处理和组织功能等地理信息系统基本功能外而且有虚拟现实技术可以直观、真实反映事物的优势。输电线路是电力系统重要的组成部分，具有明显的地理特征等特点，因此，适合使用地理信息技术进行管理。将三维GIS技术融合到输电线路的管理中建立具有输电线路特色的数据组织平台不但解决二维地理信息系统无法解决一些输电线路具有的特点，可为输电线路的设計、施工和运维等工作提供良好的支持与服务。该文对三维GIS技术在应用过程中所涉及到的几种技术进行阐述，发现这几种技术对平台所运用到的数据具有一定的整理作用。综上所述，三维GIS技术在输电线路建设中的应用，为输电线路的管理、基础设计修建、扩建与决策提供有力的信息支持。

参考文献

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