基于多源数据融合的变电站三维可视化模型设计

李 伟，周晓虎，宋 勤

（1.国网浙江省电力有限公司培训中心，杭州 310015；2.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007）

0 引言

电力系统智能化程度的提升，对变电站监控工作提出更高的要求，变电站监管工作在电力系统运行管理工作中的作用越发重要。其运行的稳定性与安全性直接影响到电力用户的使用体验，在当前的电力系统管理过程中，人们对其的重视度不断提升[1]。在电网规模不断扩大的今天，电力系统设备性能不断提升，变电站智能化水平越来越高，承载信息量逐渐增加。传统的变电站监测方法已经无法满足电力高速发展的要求。因此，提出一种新型的变电站监测方法对于电力系统的稳定发展具有很重要的现实意义。

如今，无人看管变电站的数量不断增加，监控人员无法进入变电站中进行实地监测，对于变电站场景没有完整的认识。与此同时，由于变电站数量的激增，监控人员负责的变电站数量相对较多，采用原有的实地监测方法已经无法完成变电站管理工作，因此，产生了变电站三维可视化模型，此模型可辅助变电站管理人员完成管理工作[2]。在多次应用过程中发现，当前的变电站三维可视化模型存在数据处理性能较差的问题。在对多种数据处理方法进行分析后，选择多源数据融合技术对当前的模型构建方法展开优化，力求在当前模型构建方法的基础上，提升模型构建过程中的数据处理能力，保证模型构建后的可靠性，为电力系统的运行管理工作提供帮助。

1 基于多源数据融合的变电站三维可视化模型构建

1.1 多源数据标准化处理

变电站的数据来源多种多样，数据格式具有较大的差异。根据变电站监测的需要，收集多源异构数据，其中包含：基础设备信息数据、变电站遥感影像信息、数字高程模型信息、精细变电站模型数据、现场调查数据以及多媒体数据[3]。变电站数据由于性质的不同，可分为4类，分别为基础设备信息、变电站地理位置信息、业务数据以及模型数据。为保证数据的使用效果，将此部分数据划分为中类、子类，每种数据最多可划分为3个级别。在数据类别划分完成后，对数据进行标准化处理。对收集到的多源异构数据进行编码、空间坐标、存储格式、精度以及分辨率等内容的规范化处理，将其纳入一个系统的数据框架中。

由于变电站模型构建过程中所需数据类别较为复杂且分散，在进行编码的过程中采用13位编码体系，编码整体采用数字组成，第一位表示数据大类，为上文中设定的四种；第二、三位表示数据的第一级分类；第四、五位表示数据的第二层级信息，以此递推到第十三位。以变压器为例，具体编码结构采用图1中形式表示：

图1 数据编码结构示意图

根据上述编码形式，可对采集到的数据进行初步的分类与整理。由于多源数据具有坐标系差异性，必须将其转化为统一的坐标系。在本次研究中使用ArcGIS软件提供的坐标转换系统实现多源的坐标系统归一化处理，此部分将变电站内部设备的空间匹配以及矢量数据坐标转换作为主要工作内容。

在采集到的变电站多源数据中，除去传统的统计与文字信息，同时还包含大量的图片、视频等多媒体数据，在本次研究中将其转化为二进制字节流存入到数据库中，在使用时再将其恢复成原始数据类型，以便于模型构建过程中的数据处理与查询。

1.2 变电站三维基础模型构建

将处理后的多源数据作为变电站三维模型的数据来源，使用3D MAXS软件构建三维基础模型。根据采集到变电站数据，使用IHS算法[4]对三维模型的色彩进行处理，通过亮度、色调、饱和度调节变电站三维可视化模型的外观。由于IHS算法立足视觉原理，三种属性具有差异性，可以实现模型色彩强度以及色彩分开。将色度学应用到此次部分处理中，将彩色图像中的R、G、B变换成亮度（I）、色度（H）、饱和度（S）。使用上述设定可对采集的数据进行形状变换。则变电站RGB数据转化为HIS数据的过程可表示为：

在上述公式中，若G＜B，则H=360°-H。根据上述公式对模型的色彩进行调控后，将其他可应用到模型构建中的多源数据整理为多维正交线性变换形式。设定A={Ai，i=1，2，…，N}∈Rn，V表示A的协方差矩阵特征向量排列组合后形成的变换矩阵，则有：

根据主成分分析算法，其中W={Wi，i=1，2，…，N}∈Rn，根据此公式，将构建后的图像表示为向量的形式，设变电站图像中有J的特征组I1，I2，…，Ij，经过色彩处理后的各图像大小为n，将Iu，u=1，…j展开成为n×1的行向量，则三维可视化模型基础图像可表示为：

根据此公式得到变电站三维模型的外观特征，并根据此特征选择合适的图像进行填充，得到模型的影像空间信息，而后，使用加权平均融合算法完成模型的拼接工作。设定处理后的图像为E1，E2，…En，则加权过程可表示为：

将其他数据信息融合到此图像中后，J1，J2，…Jn表示图像处理过程中的加权系数，将此系数代入到式(1)～式(3)中，对图像进行实时处理，得到多源数据融合图像，提高图像信噪比，在一定程度上模糊图像边缘轮廓，便于图像的拼接。

1.3 变电站模型渲染填充处理

根据上文中处理后的图像，拼接构建变电站三维基础模型。为实现模型三维可视化要求，对模型展开渲染填充处理。可视化纹理与三维模型的构建是相互交叉、互相生成的。上文中的三维模型只是构建变电站的几何框架，要使此模型更加真实，需要对此模型进行纹理渲染与贴图。在对变电站模型的使用环境进行分析后，选择包裹贴图方式，通过色彩处理对基础图像展开优化，而后根据贴图坐标将图像位置以及大小调整好，实现模型图像的无缝连接。在包裹贴图处理过程中，由于技术的限制可能会出现模型中不规则物体重心与模型重心出现偏差的问题。为控制此问题对模型构建结果的影响，将偏差检测公式设定如下：

其中，d表示两个三维模型之间的距离，以模型重心作为基准点，p1，p2表示两个三维模型对应面的边长。根据此公式降低模型重心设定偏差，保证模型构建效果。

在对当前模型构建方法进行分析后可知，由于多源数据的复杂性，三维可视化模型的明暗处理能力较差。为此，在渲染结束后，使用双线性光强插值法[5]对模型的明暗程度进行调节。在模型构建后，各顶点的法向量具有固定的取值结果，无需计算。设定各顶点相邻的多边形矢量分别为L1，L2，L3，L4，则该顶点的平均法向量可以表示为：

根据此公式得到法向均量，使用光照模型计算变电站三维模型顶点的光照度，其计算公式可表示为：

在上述公式中，Hx、Hy、Hi分别表示每个三维模型顶点以及内部的三个光强，各顶点的坐标值分别使用x，y表示，则双线性光强插值公式可表示为：

使用此公式可控制不同模型顶点的光照值，并根据此计算结果对不同顶点的光照值展开增强，光照增强公式可表示为：

使用式(11)与式(10)可有效提升三维模型明暗处理中的运算过程，解决简单的三维模型色彩突变问题，使模型表面更加光滑，变电站模型的真实度得到质的飞跃。对上文中设定的内容展开处理与连接，将其应用到当前模型构建方法中，至此，基于多源数据融合的变电站三维可视化模型构建完成。

2 实验论证分析

在本次研究中提出一种基于多源数据融合的变电站三维可视化模型设计方法，为详细比较本设计方法与其他可视化模型设计方法的优劣，设计实验环节，比较各方法的使用效果。

2.1 实验平台

为保证本次实验结果具有真实性与可控制性，将整个实验过程放置于Windows 10操作系统中，由于三维模型构建过程对于实验平台的显卡要求较高，将显卡参数设定为ATI系列显卡，同时使用Visual C++6.0编程语言控制模型构建过程。在本次实验过程中，涉及动态展示技术，故将实验平台的实验结果传输接口设定为ObenGL API接口。通过上述设定，完成实验平台的组建过程，并将其应用到本次实验中。

2.2 实验数据来源

本次实验过程中，将实验数据设定为可进行批量转化的某变电站摄影测量模型以及变电站多源数据，并使用专用的数据服务器发布相应数据的存储地址。由于变电站摄像测量模型中会存在遮挡部分，这样观察不到变电站模型的渲染效果，因此，在本次实验中将对基础摄像测量模型进行预处理，为后续的实验提供帮助。为了保证本次实验结果具有真实性，对采集到的变电站数据进行分类处理，具体结果如表1所示。

表1中数据为实验前期获取的变电站相关数据，本次实验将上述数据作为实验数据来源。根据上述内容对文中提出的多源数据融合模型设计方法进行验证。

表1 变电站数据采集结果及类别划分

2.3 实验方案

本次实验为验证实验，用以验证文中提出的基于多源数据融合的变电站三维可视化模型设计方法的实现效果。将本次实验划分为两部分，一方面测定模型设计方法在变电站场景切换过程中能否实现渲染；另一方面，如渲染效果符合要求，能否调节模型明暗程度，从而确定模型设计方法的渲染精细程度。

仅对文中提出方法展开实验验证具有一定的片面性，为此选择三维全景快速模型设计方法以及WebGIS三维模型设计方法与多源数据融合设计方法展开对比，以此确定不同方法使用后的优劣性。

2.4 实验测定指标

根据上述设定的实验方法，将渲染流畅程度指标通过模型的帧率体现，其计算公式可表示为：

其中，frameNum表示模型构建完成后固定帧数；elapsedTime表示模型帧数的使用时间。根据此公式可得到模型渲染流畅程度，根据以往研究结果，在本次实验中，将帧率指标标准值设定为[30fpb，40fpb]之间，如实验结果符合此区间，说明模型渲染流畅度较好。根据此标准，完成实验过程。

2.5 实验结果分析

根据上述实验方案，得到模型帧率实验结果，具体如图2所示：

图2 三维模型帧率实验结果

在以往的研究中，帧率通常表示单位时间内，相同模型图像在显示器上出现的频率，其单位为（f/s），帧率高的模型表示其在展示与使用的过程中更加流畅、更加稳定。根据此理论对上述实验结果展开分析可以看出，多源数据融合方法使用后，模型的帧率为三种方法使用后最高帧率，说明此方法可一直保持较高的流畅性与稳定性。与此同时可以发现，三种方法均符合当前模型帧率要求，为此，可进行后续的明暗度对比过程。为了降低操作难度，将变压器三维模型作为对比对象，对三种模型设计方法展开对比，实验结果如图3所示：

图3 模型明暗程度实验结果

对上述实验结果进行直观观察后可以发现，不同的建模方法使用后造成模型明暗程度差异较大。对实验结果图像进行分析后可以看出，三维全景快速模型设计方法使用后所构建的模型较为明亮，使用此模型对变电站进行监测会对工作人员的日常使用造成不便；WebGIS三维模型设计方法使用后所构建模型较为灰暗，部分细节内容无法突出显示，不利于日常工作的进行；多源数据融合设计方法所构建的模型色彩较为稳定、适中，不会对变电站监测工作造成不良影响。由此，可以判定多源数据融合设计方法的模型构建效果更佳。

3 结语

本次研究中，使用多源数据融合技术对当前变电站三维可视化模型构建过程展开了优化。同时，在优化的过程中增加三维地理信息系统，提升了模型构建速度，并取得了相应的研究成果：完成变电站三维可视化模型数据标准化；构建变电站数据库。本次研究在为变电站监测工作提供便利的同时，存在部分需要优化的问题，在未来的研究工作中，还应选择合适的技术完善本次研究中提出方法的不足。