基于三維GIS技術(shù)的輸電線路地理信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn).doc

摘要針對當(dāng)前計算機(jī)圖形及GIS技術(shù)的發(fā)展和電力系統(tǒng)輸電線路管理需求的特點，本文以輸電線路地理信息系統(tǒng)平臺為例，研究了如何利用現(xiàn)有的數(shù)字高層模型（DEM）及相應(yīng)算法實現(xiàn)海量三維地表模型的構(gòu)建和如何運用設(shè)計模式的構(gòu)造方法實現(xiàn)輸電設(shè)備的關(guān)聯(lián)組合等問題，并通過建立方位數(shù)據(jù)中間層的方法將地表數(shù)字高層模型、輸電設(shè)備三維模型及各類屬性信息有機(jī)的結(jié)合在一起，從而滿足了輸電線路GIS系統(tǒng)的各類維護(hù)及查詢要求，并為該平臺日后成為線路設(shè)計、培訓(xùn)模擬等高層應(yīng)用的平臺構(gòu)建了良好的開放性框架。 1引言隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS）在整個電力行業(yè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。將GIS引入配電管理系統(tǒng)（DMS），并與用電MIS，負(fù)荷管理及SCADA等子系統(tǒng)相結(jié)合，為各級管理人員提供一套簡單、迅速、方便的配電網(wǎng)運行管理系統(tǒng)已成為現(xiàn)代電力企業(yè)提高管理水平和工作效率的有效手段。然而，目前在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的主要還是基于二維坐標(biāo)的GIS系統(tǒng)，其空間表現(xiàn)和分析能力都有很大的局限性。輸電線路是位于地理空間中的人工構(gòu)建物，其線路距離長，通過地區(qū)的地理條件比較復(fù)雜，與眾多電力線路和通訊線路交叉跨越，并且通常會通過居民區(qū)、公園和其它特殊區(qū)域。輸電線路及其桿塔位置與地理空間位置密切相關(guān)，特別是在垂直方向上的層次信息尤為重要，這使得二維地理信息系統(tǒng)無法達(dá)到其管理的需求。近年來，計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展和計算機(jī)硬件性能的成倍提高使得三維表現(xiàn)技術(shù)日益完善，通過這些技術(shù)，我們能夠構(gòu)造更接近于現(xiàn)實的三維地表模型和各類設(shè)備模型，使得GIS系統(tǒng)從二維向三維發(fā)展。本文通過運用三維GIS技術(shù)，結(jié)合模式設(shè)計方法，提出了一種構(gòu)建三維輸電線路GIS系統(tǒng)的方法，并在實際的工程中得到了實現(xiàn)。2三維輸電線路GIS系統(tǒng)的的特點及其實現(xiàn)難點相對于二維的GIS系統(tǒng)，三維輸電線路GIS在其實現(xiàn)過程中有著明顯的特點和實現(xiàn)難點，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）在三維GIS中，無論是基于矢量結(jié)構(gòu)還是基于柵格結(jié)構(gòu)，對于不規(guī)則地學(xué)對象的精確表達(dá)都會遇到大數(shù)據(jù)量的存儲與處理問題。在輸電線路GIS系統(tǒng)中，一條完整的線路往往要延續(xù)幾十甚至幾百公里，這使得相應(yīng)的數(shù)字地面模型規(guī)模巨大，加上眾多的河流、道路、居民區(qū)等地表特征物模型和數(shù)以千萬計的輸電設(shè)備模型，導(dǎo)致整個三維場景結(jié)構(gòu)復(fù)雜。如果沒有較好的數(shù)據(jù)模型和管理策略，系統(tǒng)難以達(dá)到預(yù)定的顯示效果，更談不上良好的交互式界面。（2）在二維配網(wǎng)GIS系統(tǒng)中，一般用點狀或線狀等抽象符號表達(dá)電力設(shè)備，無法直觀的顯示設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)和相互間的關(guān)聯(lián)；在三維GIS系統(tǒng)中，模擬真實的輸電設(shè)備（如桿塔、絕緣子、輸電線）是虛擬現(xiàn)實的基本要求，這使得模型本身會變得比較復(fù)雜，甚至要進(jìn)行組合構(gòu)造。以桿塔為例，不但每個桿塔的高度、塔頭有差別，而且其包含的絕緣子也會根據(jù)桿塔的類型、方位、旋轉(zhuǎn)角度甚至與其它桿塔的關(guān)聯(lián)性而有不同的表現(xiàn)方式，因此，選用合理的設(shè)計模式和組織方法來處理電力設(shè)備對象也是實現(xiàn)輸電GIS系統(tǒng)的一個重點。（3）三維輸電線路GIS系統(tǒng)是一個集數(shù)字地表模型、輸電設(shè)備模型和各類相關(guān)地理、設(shè)備信息數(shù)據(jù)的綜合管理平臺，如何將這幾類數(shù)據(jù)有機(jī)的結(jié)合在一起，以提供良好的交互式查詢和維護(hù)功能，是系統(tǒng)整體性的要求。由于當(dāng)前還沒有比較成熟的三維空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)，運用中間層技術(shù)將傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫和三維模型庫相關(guān)聯(lián)是一種可行的折中方案。3三維輸電線路GIS系統(tǒng)的構(gòu)建和技術(shù)實現(xiàn)31三維輸電線路GIS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計針對三維GIS的技術(shù)特點和輸電線路管理的基本需求，作者在參考了其它一些成品GIS軟件和輸電線路管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了該系統(tǒng)的三層體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示?；谀壳斑€沒有比較成熟的三維空間數(shù)據(jù)庫解決方案，在三維GIS系統(tǒng)中的三維模型數(shù)據(jù)（如數(shù)字地表模型、地表特征物模型及輸電設(shè)備模型等）和其在三維場景中的方位信息及相關(guān)屬性信息往往以不同的方式存儲，前者一般是文件格式，無法共享，而后者可以放在通用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。考慮到模型在場景中的變化主要是位置變化，我們?yōu)槊恳活愒O(shè)備或地物建立相應(yīng)的三維模型原形，形成模型原形庫，然后在系統(tǒng)運行時為場景中要顯示的每個輸電設(shè)備或其它要參與交互操作的模型個體建立一個實例，該實例從關(guān)系數(shù)據(jù)庫中得到相應(yīng)的方位信息（如桿塔底部中心的大地坐標(biāo)）和設(shè)備屬性信息，并同時記錄著一個或多個指向三維模型原形庫中的模型索引，如圖2所示。這些設(shè)備或其它特征物的實例結(jié)合起來就形成了一個記錄空間和屬性數(shù)據(jù)的中間層，它緊密的聯(lián)系著模型原形和設(shè)備信息之間的關(guān)系，但又使設(shè)備的表現(xiàn)（模型顯示）和設(shè)備內(nèi)部屬性相對分離。采用這種體系結(jié)構(gòu)，不但可以很好的保證交互式操作的要求，而且大大節(jié)約了存儲空間（多個實例可公用一個模型原形），使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在一定程度上可以共享（每個客戶端用戶只要擁有相同的模型原形庫，就可以根據(jù)關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的共享信息建立對應(yīng)的輸電線路GIS場景）。32三維地表的動態(tài)建模及設(shè)備模型的顯示輸電線路所在地域的地形一般比較復(fù)雜且范圍較廣，相應(yīng)的地表模型需要有效的表面建模技術(shù)。針對復(fù)雜特征目標(biāo)的三維表示，可以采用混合使用基于不規(guī)則三角形網(wǎng)（TIN）和方格網(wǎng)的表面描述方法。采用TIN結(jié)構(gòu)，可以靈活、逼真、快速的建立具有任意邊界形狀的目標(biāo)模型，這對于空間查詢和分析結(jié)果的三維表示極為重要。碎部等級（LOD）方法是一種解決大數(shù)據(jù)量三維地形顯示和管理的優(yōu)化方法，它將復(fù)雜目標(biāo)以不同的質(zhì)量等級進(jìn)行預(yù)處理和存儲，繪制算法根據(jù)屏幕上目標(biāo)的大小來決定用哪個圖形來顯示。遠(yuǎn)離視點的目標(biāo)顯示得小且不會有質(zhì)量的可見損耗，可用極快的速度以低級的LOD方式顯示出來。運用LOD方法，我們可以在兩個方面對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示優(yōu)化：一是為地形建立具有不同細(xì)致等級的DEM層次體系，用層塊行列的層次結(jié)構(gòu)組成DEM數(shù)據(jù)的空間索引，它允許對數(shù)據(jù)的快速存取而不管其數(shù)據(jù)量的大小，且具有無縫性，從而保證在同一時刻構(gòu)成地表模型的TIN數(shù)目為一個恒定值，最大限度的提高用戶的交互效率；二是對場景中代表輸電設(shè)備的三維模型進(jìn)行分層管理：首先，利用輸電線路的松耦合性，在查詢或維護(hù)某條輸電線路時，可對屬于其它線路的設(shè)備模型進(jìn)行消隱操作（跨越模型除外）；其次，可根據(jù)設(shè)備地理位置離屏幕視點的距離大小用不同復(fù)雜度的模型原形來表示設(shè)備實例，即讓各個設(shè)備實例保留幾個不同細(xì)致程度的模型原形的索引，當(dāng)該設(shè)備實例距離屏幕較遠(yuǎn)時，用簡單的模型顯示，當(dāng)距離屏幕較近時，用比較復(fù)雜的模型進(jìn)行顯示，這樣能夠減少許多三維場景中渲染、變換和效應(yīng)的工作，提高界面的刷新速度。33設(shè)計模式在輸電設(shè)備建模中的運用設(shè)計模式是對被用來在特定場景下解決一般設(shè)計問題的類和相互通信的對象的描述，它可以使我們更加方便的復(fù)用成功的設(shè)計和體系結(jié)構(gòu)1。三維輸電線路GIS系統(tǒng)中的設(shè)備實例管理是一項比較復(fù)雜的工程。從整個系統(tǒng)看，它們只是一組帶有方位坐標(biāo)的點或線元素，但從設(shè)備層次的角度看，輸電設(shè)備種類繁多，而且很多設(shè)備本身是由其它種類的設(shè)備組合而成（如帶有不等數(shù)量的絕緣子的桿塔），再加上每個設(shè)備實例和其它實例具有很強(qiáng)的耦合性（如桿塔移動會帶動其所屬絕緣子的移動，而絕緣子的移動會改變線路走向，從而影響相鄰桿塔絕緣子的方位），使得設(shè)備層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果沒有良好的設(shè)計和層次結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的設(shè)備管理程序會變得復(fù)雜且難以維護(hù)。運用對象結(jié)構(gòu)型模式COMPOSITE（組合），我們可以用樹形結(jié)構(gòu)來表示輸電設(shè)備的層次關(guān)系和相互關(guān)聯(lián)，如圖3所示。該模式使得單個設(shè)備和組合設(shè)備的使用接口具有一致性，不但保證了整個設(shè)備對象層次清晰，而且可方便地加入新的電力設(shè)備層，而不用改動已有的用戶接口程序。另外，我們還用工廠方法（Factory Method）的模式設(shè)計方法來定義各種不同桿塔模型的模板，使用戶可以方便的加入各類單回路或雙回路的塔型。對于設(shè)備實例在三維場景中的模型顯示，也可通過代理（Proxy）模式將模型顯示與對象實體分離，這也體現(xiàn)了整個系統(tǒng)中間層的概念。4三維輸電線路GIS系統(tǒng)實現(xiàn)的功能及其特點三維輸電線路GIS系統(tǒng)結(jié)合了虛擬現(xiàn)實和GIS的技術(shù)特點，使用戶可以在三維的空間中認(rèn)識和管理輸電系統(tǒng)，它不但包含了二維GIS的AMFM等基本功能，也使得一些依賴于高層信息的查詢和管理功能成為可能，其主要功能如下：（1）將目標(biāo)范圍內(nèi)的地表特征和輸電網(wǎng)用三維模型形象化，并提供斷面圖、桿塔定位圖和三維立體模型圖；在三維場景中可進(jìn)行漫游、縮放、旋轉(zhuǎn)及飛行等操作；（2）多方式方便快捷地查詢?nèi)我惠旊娋€路的有關(guān)數(shù)據(jù)資料，包括線路的電壓等級、連接方式、起止點、回路數(shù)、路徑長度、導(dǎo)線型號等設(shè)備屬性，并可直觀地在三維場景中顯示耐張段；（3）多方式方便快捷地查詢輸電線路任一桿塔的空間位置及其單線圖、結(jié)構(gòu)圖、桿塔材料表等信息，可查看實物圖象及相關(guān)文檔；（4）結(jié)合對應(yīng)的二維GIS系統(tǒng)，可在三維和二維系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)互動，即通過二維圖上的精確定位來實現(xiàn)桿塔、線路等設(shè)備管理和維護(hù)；（5）通過飛行或漫游，查詢線路經(jīng)過的跨越物，并對跨越物進(jìn)行統(tǒng)計和管理；（6）通過模擬淹沒，可查詢洪水災(zāi)害對輸電線路設(shè)備的影響；（7）可對線路運行與檢修的技術(shù)資料進(jìn)行功能強(qiáng)大的管理，查詢線路運行管理的有關(guān)規(guī)程規(guī)定、技術(shù)生產(chǎn)指標(biāo)圖表、線路維護(hù)、檢修技術(shù)記錄等，形象地提供歷史上發(fā)生事故的類型、次數(shù)和位置等信息；（8）能選出最佳搶修路線，標(biāo)注上山路口，以便盡快恢復(fù)供電。5實例運用作者用本文研究的幾個主要技術(shù)方法，結(jié)合軟件工程的基本思想，開發(fā)了一套基于三維GIS技術(shù)的輸電線路管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括的區(qū)域范圍將近500平方公里，地表模型用數(shù)字地圖生成，并將河流、湖泊、公路、居民區(qū)等地表特征物以面的形式覆蓋在數(shù)字地表模型上。系統(tǒng)在運行初期只包含了一條含60多個桿塔的輸電線路，但其提供相應(yīng)功能使用戶可以任意增加其它的輸電線路。通過在現(xiàn)場的實際運用，該系統(tǒng)可以在中等硬件水平的PC電腦上較好的實現(xiàn)各項交互功能，完成系統(tǒng)理論上應(yīng)提供的功能。該GIS系統(tǒng)的全景圖如圖4所示。6總結(jié)與展望本文根據(jù)三維GIS的技術(shù)特點和輸電線路管理的需求，通過合理的利用三維模型構(gòu)建和模式設(shè)計方法，提出了一種基于三維GIS技術(shù)的輸電線路地理信息系統(tǒng)的設(shè)計方案和實現(xiàn)方法，并在輸電管理系統(tǒng)中得以實現(xiàn)。由于本系統(tǒng)采用合理的軟件體系和模塊化設(shè)計模式，將來也可以方便的成為維修模擬培訓(xùn)、雷電區(qū)域分析和輸電線路設(shè)計等高層應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)平臺。隨著計算機(jī)圖形技術(shù)的飛速發(fā)展和硬件水平的不斷提高，三維GIS將是整個電力行業(yè)GIS的發(fā)展方向。我們生活在一個充滿三維物體的三維世界中，只有基于三維的GIS系統(tǒng)才能讓人們更加直觀、形象的認(rèn)識和理解地理和設(shè)備信息，從而提高管理水平和工作效率。參考文獻(xiàn)1Erich Gamma，Richard Helm，Ralph Johnson，John VlissidesDesign PatternsM北京：機(jī)械工業(yè)出版社（China Machine Press），20002Rick Germ，GertVan Maren