電力gis系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

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電力GIS系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)　　摘要：電力GIS是我國電網(wǎng)建設(shè)需要使用的關(guān)鍵信息技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃、氣象、配電管理等方面。該系統(tǒng)的主要功能是通過建立逼真的地理環(huán)境及重要的建筑物、桿塔、變電站等三維模型，沿布重要桿塔線路以達到建立完整的電網(wǎng)模型并實現(xiàn)空間分析功能的目的。系統(tǒng)采用Clipmap作為大規(guī)模地形渲染技術(shù)，成功地展示了高清的地理數(shù)據(jù)、模型等。系統(tǒng)實現(xiàn)了線路、電力設(shè)備的瀏覽、編輯、管理和信息顯示輸出等功能，增強了信息的科學(xué)管理和綜合分析，有效地提高了電網(wǎng)的管理效率?！　￡P(guān)鍵詞：DEM數(shù)據(jù)；高分辨率遙感影像；大規(guī)模地形渲染；Clipmap技術(shù)；電力GIS　　中圖分類號：TN915.853?34文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1004?373X（2015）21?0155?04　　DesignandrealizationofelectricpowerGISsystem　　SHIWenbo，YUJunjie，LIXiaoxiao　　（JiangsuElectricPowerInformationTechnologyCo.，Ltd.，Nanjing210029，China）　　Abstract：ElectricpowerGISisoneofthekeyinformationtechnologiestosatisfythepowergridconstructioninChina，andwidelyusedinpowergridconstructionplanning，weather，and10 powerdistributionmanagement.Themainfunctionoftheproposedsystemistoachievethepurposesofestablishingtheintegratedpowergridmodelandrealizingthespatialanalysisfunctionbybuildingthe3Dmodeloftherealisticgeographicenvironment，theimportantbuildings，towers，substations，andtheimportanttowertransmissionlinealongwiththeconstruction.TheClipmapistakenasthelarge?scaleterrainrenderingtechnologybythesystem，thehighdefinitiongeographicdataandmodelsaredisplayedsuccessfully.Thefunctionsofbrowsing，editingandmanagementofthecircuitandelectricpowerequipment，andinformationdisplayoutputinthesystemarerealized.Thescientificmanagementandcomprehensiveanalysisofinformationareenhanced，andthemanagementefficiencyofthepowergridcanbeimprovedgreatly.　　Keywords：DEMdata；high?resolutionremotesensingimage；large?scaleterrainrendering；Clipmaptechnology；electricpowerGIS　　0引言　　三維GIS（GeographicInformation10 System，三維地理信息系統(tǒng)[1]）是由傳統(tǒng)的二維GIS發(fā)展而來，能夠同時表達和描述空間對象間的平面關(guān)系和垂向關(guān)系，它是將現(xiàn)實世界中獲得的三維數(shù)據(jù)進行輸入、存儲、編輯、查詢、模擬并輔助決策支持的計算機系統(tǒng)，其空間坐標(biāo)都參加圖形顯示的運算。相比于二維GIS，三維GIS在對客觀世界的表達方面能給人以更真實的感受，它以三維立體的造型技術(shù)給用戶展現(xiàn)更真實的地理空間現(xiàn)象，不僅能夠表達空間對象間的平面關(guān)系，而且能夠描述表達它們之間的垂向關(guān)系。高精度三維GIS系統(tǒng)通過建立更加逼真的地理環(huán)境，清晰的建筑物模型、桿塔、變電站等三維模型和完整的電網(wǎng)模型，并且通過加強空間分析功能，把電網(wǎng)和地理信息很好地結(jié)合起來，從而實現(xiàn)線路、電力設(shè)備的瀏覽、編輯、管理和信息顯示輸出等功能，實現(xiàn)信息的科學(xué)管理和總體分析，有效提高電網(wǎng)的管理效率，降低線路運行維護成本?！　‖F(xiàn)有的一些GIS軟件，如Skyline，ArcGIS等，更多的是一種通用平臺，他們對高精度三維系統(tǒng)的支持不夠，普遍存在以下問題：高精度模型加載到場景后信息有丟失，無法真實地再現(xiàn)原始模型；同時在場景中出現(xiàn)多個高精度模型時，上述兩款軟件都會出現(xiàn)操作延遲，瀏覽不流暢，甚至出現(xiàn)軟件崩潰的情況。部分產(chǎn)品在表達線路時僅能以簡單的線條展示出桿塔間的線路，無法展示線的弧度。由于這些產(chǎn)品的三維GIS引擎在表達三維模型時均不夠精細，無法滿足高精度三維電網(wǎng)建模的需求。另外，考慮到電力企業(yè)安全及相關(guān)保密數(shù)據(jù)，例如電力設(shè)備臺賬、桿塔、變電站坐標(biāo)，實時運行數(shù)據(jù)等，這使得完全獨立研發(fā)一套三維GIS系統(tǒng)成為一種最好的選擇。　　本文主要結(jié)合公司目前正在研究的三維GIS系統(tǒng)，分析了它的技術(shù)點、系統(tǒng)架構(gòu)及應(yīng)用情況。　　1三維GIS系統(tǒng)功能架構(gòu)　　三維GIS系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)，三維GIS引擎，功能組件，二次開發(fā)接口等組成。10 　　基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要由影像數(shù)據(jù)、DEM高程、矢量數(shù)據(jù)三部分構(gòu)成，數(shù)據(jù)服務(wù)根據(jù)當(dāng)前視角范圍計算出對應(yīng)的三維圖像數(shù)據(jù)并供前臺使用，它是三維GIS系統(tǒng)的底層支撐，是影響三維展示效果的關(guān)鍵因素?！　∠到y(tǒng)采用免費的30m影像圖及30mDEM高程數(shù)據(jù)作為三維GIS系統(tǒng)的粗模，對高精度地圖數(shù)據(jù)的要求是：2.5m影像圖，30mDEM或者0.5m影像圖，5～15mDEM，局部地區(qū)采用0.25m影像圖及5mDEM或更高精度。對地圖數(shù)據(jù)的高標(biāo)準(zhǔn)要求是為了在更為清晰、真實的地形地貌上建立電力設(shè)備模型，以達到系統(tǒng)逼真顯示的目的，同時為三維空間分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持?！　』A(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)通過計算影像數(shù)據(jù)及DEM高程數(shù)據(jù)向前臺提供相應(yīng)的場景圖像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將三維地理場景數(shù)據(jù)生成模塊與前臺渲染模塊分離，達到高內(nèi)聚、低耦合的效果，并且將生成的場景圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮后傳輸，所需帶寬保持在1MB/s左右，性能足以達到系統(tǒng)需要。　　三維GIS引擎支持多種數(shù)據(jù)庫，具備大規(guī)模地形渲染、碰撞檢測、特效編輯等功能，為基于三維地理數(shù)據(jù)的高級應(yīng)用提供了開發(fā)接口。　　功能組件由素材庫編輯組件、線路沿布、空間分析服務(wù)等組成，它們的功能是否強大，取決于三維圖像引擎的水平和二次開發(fā)能力?！　?圖像引擎　　2.1大規(guī)模地形渲染　　由于GIS地形及影像數(shù)據(jù)通常都十分龐大，江蘇全省的5m數(shù)字高程容量有40GB，0.5m衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)容量達到510 TB，不可能全部載入內(nèi)存，需要一個動態(tài)調(diào)配的機制，快速地將當(dāng)前視野范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)載入，并將超出視野范圍的數(shù)據(jù)釋放。由于三維渲染的特點是透視效果，近大遠小，即靠近視點的區(qū)域所占的屏幕區(qū)域大，遠處所占的屏幕區(qū)域小，因此本系統(tǒng)采用Clipmap技術(shù)[2]作為地形渲染技術(shù)，以視點為中心向周圍發(fā)散，并隨視點的移動更新每個層次的內(nèi)容?！　eometryClipmap算法是由Losasso和Hoppe在2004年提出的基于GPU優(yōu)化的LOD算法[2]。Clipmap充分利用了GPU的批量渲染能力，系統(tǒng)將高程圖以二維紋理的形式存儲，直接存儲在顯存中，采樣過程及高程值更新直接由GPU芯片來完成。對地形數(shù)據(jù)則是把地形劃分為固定大小的塊，使用改進的異步多線程的后臺數(shù)據(jù)載入方式，保證海量數(shù)據(jù)的實時加載，并對處于視錐體的每個地形塊建立一個四叉樹結(jié)構(gòu)進行LOD簡化。　　GeometryClipmap算法是一種紋理結(jié)構(gòu)存儲和渲染策略，它的結(jié)構(gòu)如圖2所示，每層紋理有最大尺寸ClipSize，Clipmap分為ClipmapStack和ClipmapPyramid兩部分。首先，對原始的高程大紋理創(chuàng)建Mipmap，再把每一個Mipmap層分割為大小為ClipSize的矩形網(wǎng)格。在定點著色器中，根據(jù)當(dāng)前像素點所對應(yīng)的紋理坐標(biāo)，計算出所要采樣的紋理貼圖的等級，獲得具體的高程數(shù)據(jù)。當(dāng)視點移動時ClipmapPyramid不進行更新，直接采樣和過濾，因為高程紋理全部存儲在里面，需要更新的只是Clipmapstack中的紋理數(shù)據(jù)，保持其中的紋理數(shù)據(jù)與當(dāng)前的視點相對應(yīng)?！　?.2特效編輯10 　　系統(tǒng)的3D特殊效果主要模擬電力設(shè)置面對的特殊場景，如風(fēng)雨天氣、煙火、光照等，還有很多特定的效果。在場景中，光照的效果在很大程度上會影響到場景的美觀和真實性，在場景的設(shè)置中，添加了光照陰影工具，可以根據(jù)需求，自主設(shè)置光源的位置，光源包括點光源、探照燈光源、平行光源等。系統(tǒng)的難點在于如何優(yōu)化引擎的性能，使得系統(tǒng)能夠在最大程度上實現(xiàn)現(xiàn)實光照的模擬。如果要為系統(tǒng)所有光源照向的物體表面做處理，則引擎需要非常多的資源完成光照效果，占用太多資源的后果就是系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性將受到挑戰(zhàn)。因此，本系統(tǒng)利用BSP?Portal技術(shù)[3]將參與渲染的幾何體和光源的總數(shù)量盡量降到最低，并且利用快速篩選的算法來處理動態(tài)光源與移動物體之間帶來的光照變化。經(jīng)過優(yōu)化后，光照系統(tǒng)能夠在保證圖像效果正確的基礎(chǔ)上，提高引擎的處理效率，并且達到實時渲染的效果。系統(tǒng)同時完成的還有通過粒子編輯水、火、電、霧等的特殊效果?！　?.3數(shù)據(jù)　　數(shù)據(jù)分為柵格數(shù)據(jù)（衛(wèi)星影像、航拍圖、數(shù)字高程等）和矢量數(shù)據(jù)（區(qū)劃線、水域等點線表示的數(shù)據(jù)）兩種[2]。引擎支持IMG，GTiff等國際通用的GIS柵格數(shù)據(jù)格式。而數(shù)據(jù)接口采用GDAL開源GIS開發(fā)接口[4]，是目前國際上兼容性最好，支持格式最廣，運行最穩(wěn)定，效率最高的開源GIS數(shù)據(jù)存取代碼庫。平臺直接使用測繪部門提供的原始影像文件，無需做任何后期處理，只要將文件路徑加入地形數(shù)據(jù)源隊列，即可高效地展示地形地貌。由于是直接訪問原始影像文件，所以數(shù)據(jù)以文件形式保存，無需進入常規(guī)數(shù)據(jù)庫；這樣節(jié)省空間，同時具有最高的訪問效率，為Clipmap技術(shù)的動態(tài)更新提供了性能保障?！　?功能組件10 　　三維GIS系統(tǒng)功能組件有素材庫編輯、線路沿布、控件分析服務(wù)、地形數(shù)據(jù)維護組件等。本節(jié)重點介紹素材庫編輯和數(shù)據(jù)維護組件?！　?.1素材庫編輯　　素材庫管理系統(tǒng)，是對平臺所需要使用的各類模型進行管理[5]。仿真建立在仿真模型的基礎(chǔ)上，模型占據(jù)了相當(dāng)重要的一份，因為模型和材質(zhì)的種類繁多、數(shù)量龐大，導(dǎo)致了素材庫管理的有效性直接影響整個平臺使用的合理性和簡便性。所以系統(tǒng)建立一個便于管理，功能簡潔的素材庫，如圖5所示。在這個素材庫管理系統(tǒng)中，有效地對素材庫進行分類、對素材進行管理、對素材使用最簡單的方式進行選擇。素材庫模塊的設(shè)計需要對素材正確管理。素材的正確分類和存儲直接關(guān)系著素材庫的管理。素材庫使用配置文件的方式按照要求進行分類，可以分為需求給出的11類相關(guān)素材。提供所見即所得的素材庫管理和選擇界面。在素材庫的添加、刪除、修改上，直接對素材庫的配置文件進行相關(guān)操作，同樣提供直觀界面方式，在此方式中，用戶不用面對繁瑣的配置文件和復(fù)雜的模型，直接使用界面方式對素材進行管理。流行的模型制作工具主要是3DMAX和MAYA。對于這兩類的模型，素材庫管理提供界面可以直接使用，為了提高平臺的使用效率，還對這兩種模型進行轉(zhuǎn)化載入?！　?.2地形數(shù)據(jù)維護組件10 　　地形數(shù)據(jù)維護模塊，即在使用真實底層數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對地形地貌進行編輯整理。因為數(shù)字高程數(shù)據(jù)精確度不夠，或者在某些細節(jié)部位有誤差，需要進行局部或者大范圍的整理。在對地形數(shù)據(jù)的預(yù)想或者設(shè)計上，也需要此部分功能。該功能對地形進行按要求修改，包括填平、升高、挖坑等一系列操作，同時還需要有可以進行微調(diào)的工具，滿足細部要求。系統(tǒng)對地形的編輯出于兩種情況考慮：一是對已經(jīng)通過數(shù)字高程信息生成的真實地形進行細化和修改；二是單獨創(chuàng)建一種符合展示的地形。對于這兩種情況，對編輯系統(tǒng)的要求有所不同。在第一種情況下，所有的編輯基本定義為精細編輯，屬于局部修改，在地形局部精細度不夠或者有所變差的情況下作修改。第二種是對基本數(shù)據(jù)進行大規(guī)模修改，在這種情況下，需要原始地形，然后在此基礎(chǔ)上，對地形進行大規(guī)模的修改，對地形起伏、地形表面材質(zhì)更改等?！　?三維GIS系統(tǒng)應(yīng)用情況及總結(jié)　　公司已經(jīng)成功部署了一套三維GIS系統(tǒng)，用于展示全省500kV線路。系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取相關(guān)500kV桿塔坐標(biāo)、桿塔類型等信息，完成了線路半自動沿布，目前該系統(tǒng)運行良好。并且還沿布了特高壓交流工程的桿塔及線路，并結(jié)合二維平面GIS對工程中的重要跨越，河流湖泊及拆遷風(fēng)險等進行了展示。沿布線路如圖6所示。　　隨著三維GIS系統(tǒng)功能的不斷完善，公司將不斷挖掘各類業(yè)務(wù)在此方面的應(yīng)用，通過技術(shù)創(chuàng)新和業(yè)務(wù)融合，實現(xiàn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的綜合展示，為公司各層面分析決策提供有力支撐，也為公司的生產(chǎn)經(jīng)營工作提供可靠保障?！　?結(jié)語　　通過電力GIS系統(tǒng)的實現(xiàn)，將電網(wǎng)信息和地理信息進行了有效融合，結(jié)合真實的三維地理地貌，展示了線路、設(shè)備真實所處的環(huán)境情況，為電力員工日常生產(chǎn)管理提供便捷的輔助工具，使生產(chǎn)管理更加信息化，極大地提升了電力信息化水平?！　〗酉聛淼墓ぷ餍枰獙σ延械碾娏IS進行平臺化，包括：　?。?）10 平臺化。整個平臺在功能上劃分為三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)配置管理工具，用于對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行分組管理；平臺編輯端，對要展示的內(nèi)容進行編輯；平臺展示端，結(jié)合后臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及三維展示內(nèi)容進行展示；如此劃分將方便項目的實施部署。　?。?）二次開發(fā)包。平臺提供上層應(yīng)用的二次開發(fā)包，有利于平臺在不同領(lǐng)域的推廣?！　。?）支持多機渲染及幀同步。由于特定情況下需要在超高分辨率的環(huán)境下進行展示，平臺能夠滿足多臺圖形工作站能夠共同渲染同一場景的需求，并且為了保證用戶與平臺互動時響應(yīng)一致，平臺擁有多機幀同步的功能。　　參考文獻　　[1]王繼周，李成名，林宗堅.三維GIS的基本問題與研究進展[J].計算機工程與應(yīng)用，2003（24）：40?44.　　[2]LOSASSOF，HOPPEH.Geometryclipmaps：terrainrenderingusingnestedregulargrids[C]//Proceedingsof2004ACMSIGGRAPH.NewYork：ACM，2004，23（3）：769?776.　　[3]宋曉宇，馮開平，許素霞.大規(guī)模室外場景漫游中入口問題的研究[J].現(xiàn)代計算機：專業(yè)版，2007（10）：28?30.　　[4]楊峰，陳立潮.基于三維GIS的海量數(shù)據(jù)可視化關(guān)鍵技術(shù)研究[J].計算機與數(shù)字工程，2011（7）：98?100.　　[5]朱國敏，馬照亭，孫隆祥，等.城市三維地理信息系統(tǒng)中三維模型的快速構(gòu)建方法[J].地理與地理信息科學(xué)，2007（4）：29?32.　　[6]10 閆俊生.三維地理信息系統(tǒng)中散亂點擬合曲面仿真方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（5）：118?120.10