基于osgEarth的配网三维GIS技术研究

基于osgEarth的配网三维GIS技术研究
胡剑锋1 ，林庆农2，陆巍巍3
（1,2,3 南京南瑞继保电气有限公司，江苏省，南京市，邮编211102）
摘要：本文阐述了一种基于osgEarth的配电自动化系统的三维GIS技术实现方案，论述了如何利用osgEarth的技术实现配快速环境建模和设备建模，降低工程建模的工作量，介绍了如何采用动态三维仿真和交互技术，实时展示配网设备元件的运行状态，增强了设备巡视和操作的易用性，提高了用户的参与度。

关键字:三维；GIS；配电自动化；DAS；osgEarth；OSG；OpenSceneGraph
Research on 3D GIS of power distribution automation system developed based on osgEarth
Hu-jianfeng, Lin-qingnong，Lu-weiwei
（NANJING NARI-RELAYS ELECTRIC CO.,LTD.NANJING, 211100）
Abstract：Intrduce to a three-dimensional GIS technology based osgEarth for power distribution automation system it has been developed based on the technical characteristics of the osgEarth, using rapid modeling and device 3d model management to reduce the workload of engineering models, using dynamic 3D simulation and interactive technology, to real-time display the running state of the distribution network equipment instruments, providing a convenient for display and operation instruments in 3D envirament , enhanced the ease of use of the equipment inspection and operation, and improved user participation and made a useful exploration of the practical use of 3D GIS for the distribution network.
Key words：three dimension；GIS；power distribution automation；DAS；osgEarth；
OpenSceneGraph
1引言
随着三维GIS技术的快速发展，三维GIS逐渐进入实用化阶段，目前配电自动化系统（简称DAS）也有一些三维GIS的应用，交互的直观真实感和强大的空间分析功能，充分展示了三维GIS 的优点，但三维GIS仍未能如二维GIS那样在配电自动化中广泛使用。

个人工程经验认为，主要原因就是工程实施工作量较大，用户可参与度不高，这个缺点与其带来的更高体验相比，显得效能比较差，因此往往只作为科技项目在推广，而无法产品化。

如何提高配电自动化系统三维GIS 的实用性，降低工程量，提高用户参与度，是需要发展配电自动化三维GIS必须要解决的问题。

本文介绍的基于osgEarth的配电电动化三维GIS系统，利用osgEarth的技术特点，采用快速建模和设备模型管理，降低工程模型工作量，采用基于osg的动态三维仿真和交互技术，实时展
示配网设备元件的运行状态，提供方便易用的UI交互，对设备进行浏览和操作，提高用户的参与度。

因此，本系统对提高配电自动化的三维GIS的实用化，解决上文两个问题上，进行了一些有益的研究。

2. 开发环境介绍
OSG(OpenSceneGraph)三维仿真图形开发包是一个开源的、采用C++开发、基于工业标准OpenGL 的高性能3D引擎，它让用户能够更加快速、便捷地创建高性能、跨平台的交互式图形程序。

本系统采用最新稳定版本OSG3.0作为3D功能的基础平台。

osgEarth是一个基于OSG的地形开发包,是OpenSce-
neGraph体系中的一个插件式模块，它提供XML格式地形数据文件和丰富开放的二次开发接口，开发人员可以通过创建一个XML文件或在程序中调用接口的方式，将多种格式的空间地形数据、矢量地形数据、图形图像、三维模型等加载到OSG应用中，与开放标准的地理数据兼容，很方便部署地形模型。

本系统采用最新稳定版本osgEarth2.2作为地理地形功能开发支持。

osgEarth 支持离线和在线两种浏览方式，可以允许用户将地形和模型部署在服务器或本地。

3.系统介绍
系统功能结构采用三层结构(如图1所示)，底层基于osgEearth开发包和配电自动化DAS平台,分别为三维GIS提供技术支持和配网数据、分布式通信的支持；中间层提供建模技术、层管理、设备管理、设备状态更新、交互操作支持、空间分析功能模块、导航支持等功能模块。

空间分析模块采用插件模式，提供诸如规划分析、高度分析、距离分析、土方分析等分析功能；上层为UI 层，提供建模维护工具和运行环境，其中建模维护工具实现模型库管理、快速构建城市模型和自动生成配网设备等功能。

运行环境提供三维GIS显示和操作的用户交互环境，使得用户可以浏览三维空间环境，查询和定位设备，执行各种测量和分析。

二维GIS系统同样基于DAS平台开发，保证二三维的一致性和交互。

图1 系统模块结构
图2 GIS图层管理
4.图层管理
三维GIS以圆形地球为基础，上面覆盖各种图层，包括地理基础层和各个专题层。

所有图层都可以灵活配置，可以切换显示，可设置层的显示级别，设置数据刷新频率，设置操作权限等内容，以提高效率和安全性。

如图2所示。

本系统在维护工具中生成图层并存为XML格式文件，每个图层一个文件，在运行环境中加载这些图层文件，即可形成完整的三维GIS场景。

5.设备的模型与数据
地表特征物模型及配电设备模型在三维场景中的方位信息及相关属性信息一般存在在关系型数据库中即可，并同时记录着一个或多个指向三维模型原形库中的模型索引，如图3所示。

地表特征物及配电设备通过两者关系在三维空间场景中生成实例显示。

图3 设备的模型与数据关联
6.实施步骤
配电三维GIS工程实施过程分为几个步骤：获取资料、构建地形模型、构建城市模型、构建配电设备模型和场景集成和测试。

(1)获取资料：三维GIS系统的基础数据资源一般影像数据、高程数据、地名数据、矢量框架数据等，具体情况如下：①影像数据：采用卫星影像数据、航摄影像，对于配电自动化系统要求来说，全球影像要求低，局部要求高(分辨率0.25m)。

②高程数据：对于配电自动化系统要求来说，全球高程采用目前可以免费下载的90m格网间距数字高程模型数据即可，局部要求5m格网间距数字高程模型数据；③地名数据：包括行政地名数据（市、县、乡镇、自然村）和自然地名数据（水库、山脉）等；④城市基础测绘CAD数据：配网系统范围内准确测绘数据，包括交通要素（道路、桥梁、重要设施等）、主要建筑物等。

(2)构建地形模型：三维GIS通过数字高程数据、高分辨率的卫星影像数据生成三维的地形模型，如图4所示。

通过osgEarth开发包提供的xml格式文件将高程数据和影像数据直接配置进去，就可以在运行环境中显示三维地理，为了提高渲染效率，可以使用其提供的工具osgEarth_seed将其生成瓦片缓存。

<map version="2">
<!—地球影像数据-->
<image driver="gdal" name="world-tiff" cache_enabled="false">
<url>../data/world.tif</url>
<caching_policy usage="no_cache"/>
</image>
<!-- 地球高程数据-->
<heightfield name = "SRTM_GTOPO_u30" driver = "gdal">
<url>..\data\world\SRTM_GTOPO_u30_mosaic.tif</url>
</heightfield>
<options lighting="false"/>
</map>
图4 地形模型生成原理
(3)快速构建城市建模：一般来说，各个大中小型城市均有CAD测绘图.通过这个CAD图可以快速生成城市的粗模模型，包括街道、桥梁和建筑物等。

两种方式：（1）使用CityEngine（或其他工具），导入CAD文件，通过定义规则，设置图块的属性来快速生成。

（2）通过3dmax等商用3D建模工具导入CAD文件建模。

生成的模型导出为ive或osga格式文件，在维护工具中加载该文件，生成城市图层文件，即可以在osgEarth中加载显示。

图5 CityEngine快速生成城市模型
(4)自动构建配电设备模型：配电设备信息存放在DAS数据库中，这些信息包括设备类型、属性和坐标信息，为了自动生成这些设备的三维图层，需要预先为这些设备定义三维模型。

维护工具提供设备模型维护功能，将3dsmax等工具绘制的设备模型导入osg格式后管理，并可以配置模型的决策信息和挂节点信息，形成设备模型库。

DAS数据库中变电站（开关站、馈线柜、变电所）和馈线均有地理坐标信息。

利用DAS数据库中各种设备的地理位置、线路的连接关系、各设备对应的三维模型等信息来生成XML图层文件，然后调用osgEarth的XML文件加载接口在osgEarth上显示整个场景。

在生成过程中，按照变电站、杆塔、线路等类型分不同图层管理和存储。

图6 设备图层自动生成过程
某类设备图层生成过程如下，首先从获取DAS库中的获取该类设备列表和坐标信息，以OID 为关键字更新图层中的设备对象。

然后从模型库中为图层的设备对象选择正确的模型，建立了图层对象-DAS对象-三维模型库三者的关联关系，从而生成了最新的设备图层，进行显示和操作的测试后，保存设备图层文件。

如图6所示。

馈线的图层比较特殊，由于需要保证馈线与沿线杆塔的挂接关系，必须在杆塔图层生成完成的基础上，才能自动生成馈线图层，后文将会描述馈线图层的生成原理。

(5)场景集成与测试：在运行环境中，将各个图层按设定的加载顺序，读入场景，生成完整场景。

通过地形场景漫游、设备定位、设备操作、设备状态显示等功能检查，来验证是否正确。

7. 几个关键技术
在整个系统的实现过程中有几个关键技术需要特别说明。

(1)馈线与杆塔的模型挂接。

维护工具加载杆塔三维模型，然后根据馈线和杆塔的关系生成馈线三维模型。

馈线三维模型是三维曲线，生成时需要与杆塔准确挂接。

由于馈线的三维模型是在维护工具中自动生成，因此需要通过程序来实现。

本系统采用的方式是在绘制杆塔三维模型时，确定每条线路A、B、C、N相挂节点相对于杆塔模型中心点的位置DA0、DB0、DC0、DN0（不同的杆塔类型可能有一到两条线路的挂节点，位置编号将累加），并将相别和相对位置记录在杆塔模型的配置信息文件中。

维护工具根据馈线与杆塔的关系，按馈线始端至末端的顺序列出馈线沿线的杆塔三维模型对象，然后一段一段生成馈线段三维模型，比如杆塔T1至杆塔T2的馈线段三维模型生成就是将T1与T2的DA0、DB0、DC0、DN0两两生成带重力效果的三维曲线段。

重复该过程，就生成了整条馈线的各相馈线段三维模型，加入到OSG::Group节点下，该节点即为本馈线的三维模型，生成完成后将馈线的OID记录在该节点的属性中。

当全部馈线生成后，保存该所有馈线三维模型，以供运行时加载。

(2)设备模型的显示和操作。

设备的三维模型含有一个或多个活动部件，用来表现状态变化和操作机构，在维护工具中对活动部件的定义采用了决策的方式。

通过对现场设备的活动部件进行总结，活动部件的变化包括显示和操作两方面，于是针对这两方面为活动部件设置动作决策和显示决策。

显示决策根据设备状态来改变相应的显示。

采用三种OSG方式来实现：①SWITCH方式；②粒子效果；③纹理图片替换；④数值显示。

显示决策主要定义设备的状态和缺陷对应的表现方式，以及需要的参数。

一个部件对应多项显示决策，按顺序从上往下执行。

动作决策包括动作的行为方式和目的。

动作的行为是指当鼠标点击该活动部件时触发的变化。

方式在本文中采用OSG提供的三种方式，包括：①无动作，不执行任何动作，只是发送命令；②DOF节点。

它是一种旋转变换节点；③SWITCH方式。

它是一种通过几个模型的简单切换来达到“动”的效果；④动画路径，它是一种较复杂动作方式。

在动作的决策中，对于后两种方式的处理都是直接执行即可，而第一种方式，需要定义其旋转的轴、方向和幅度。

动作的目的是和仿真系统息息相关的，指示该动作的执行要实现什么样的目的，动作的目的包括普通动作（门操作）、就地操作、空开操作、压板操作、场景切换、调二维图形等，类似于监控系统中的敏感点功能。

因此动作决策的人机界面需要定义包括动作行为参数(DOF旋转参数、是否连续动作等)和动作目的参数（动作类型、动作命令参数、是否五防校验等）。

下面是动作决策的结构，一个节点对应一项动作决策。

维护工具为每种设备三维模型均配置相应的决策，存为决策文件，并与设备模型文件一起存储。

下表为某个设备的一个活动部件state的决策信息。

<Component name="state" node=" SW_TRH_STATE" NodeType="0" >
<ShowDecision>
<DeciItem Pic="" effecttype="0" Switchid="1" State="0" />
<DeciItem Pic="" effecttype="0" Switchid="2" State="1" />
</ ShowDecision >
<ActionDecision RotateType="0" MaxH="2" Param="" ActionType="7" OsgAction="0" AntiClockWise="1"
MaxP="2" Return="0" MaxR="2" />
</ Component >
运行环境读入设备图层后，通过解析图层XML文件，读入设备模型名和设备OID，根据设
备模型名创建设备模型对象DecNode，并读入相应的决策文件，根据设备OID从DAS数据库获取设备信息数据。

通过遍历DecNode的子节点找到决策文件中各个Component对应的子节点comNode, 调节点comNode的setUserData()函数,并将设备信息数据和决策信息（合并为MObjData）存入comNode。

运行时，通过场景中节点回调的处理，保证场景显示时设备状态和DAS系统设备状态的一致性。

实现方式是：初始化时设备图层中DecNode和comNode，均通过调节点的setUpdateCallback 函数，给需要更新的节点类型设置一个类型为MNodeUpdateCallback的更新回调对象。

场景刷新时，OSG会不断执行节点的回调类MNodeUpdateCallback的更新函数，并在更新函数中调用节点的getUserData()函数，来获取其记录的MObjData指针。

根据节点类型和MObjData执行决策的处理。

void UpdateNode( osg::ref_ptr<osg::Node> nd )
{
//获取自定义数据
osg::ref_ptr<MObjData> userData = dynamic_cast<MObjData*> (node->getUserData() );
if(0==userData) return;
//执行表现决策
UpdateDisplay(nd,userData);
//执行动作决策
UpdateAction(nd,userData);
}
设备的操作触发是通过鼠标键盘事件的处理，完成对三维GIS场景中活动部件的点选和识别来实现。

点选的方法是通过屏幕中点击的位置x和y，发出的射线与场景中的物体相交，得到由穿过的多个物体形成的相交路径。

路径一般有两条相同（正反两个方向穿透），遍历第一条路径中的物体，找到想要的活动节点。

识别是通过选中节点所记录的配置信息实现。

识别出设备的操作部件后，就通过MObjData中定义的行为决策来调用相应的操作处理模块。

(3)配电自动化与地理信息系统信息交互。

配电自动化系统与三维地理系统基于同一个电网数据模型和分布式数据通信平台，不同之处的只是展示方式的区别，因此两者的交互是全方面无障碍。

交互内容包括设备状态、设备操作、查询、相互定位等。

由于两者使用同一电网数据模型，状态显示始终保持一致，并且三维GIS对设备状态的展示更加真实；两者调用同一设备操作模块，设备操作保持一致；查询操作针对的也是同一设备管理库；相互之间可以通过设备OID或地理坐标进行互相定位。

8. 三维GIS的主要应用
配网信息自动化系统的三维GIS主要为运行人员提供空间上的辅助决策，目前主要应用在：(1)设备的空间管理，可以查询并在三维空间中定位查看设备，可以定义线路飞行巡视，帮助运行人员不断熟悉配网设备和线路沿线环境;(2)三维环境中的设备巡检、查询和操作，用户可以浏览和查看配电线路上的电杆、线路及其相关设备和配电线路本身的属性信息,可以三维环境中直接执行操作;（3）故障定位：可以在三维环境中快速故障定位，让决策者了解故障点周边环境，辅助完善抢修方案；（4）辅助线路规划，通过空间剖面分析，可以分析线路规划中沿线在高度上的分析结果；通过土方分析，可以分析土建施工的工作量。

由于三维GIS的信息比二维的更接近真实情况，随着三维GIS技术和分析算法的发展，必将在辅助管理和决策中发挥更大的作用。

9 总结
本文介绍的配网三维GIS系统，采用osgEarth开发环境，通过osgEarth对开放性数据标准的强大支持，以及采用自动的设备建模技术，大大降低了建模工作量。

同时利用OSG的动态模型技术和DAS一体化数据源设计，提高了配电设备的状态显示能力和操作能力，大大提高了三维GIS 的实用性。

参考文献
[1] 王锐，钱学雷.OpenSceneGraph三维渲染引擎设计与实现［M］.北京.清华大学出版社.2009.
[2] FlySky[肖鹏].OSG编程入门指南［M］.
[3] 姜芳芳，来文青. 电力信息系统中三维GIS关键技术的应用研究[J]. 计算机与现代
化.2010.05
[4] 王金宏，朱军等. 基于osgEarth的虚拟校园场景建模研究J]. 地理信息世界.2011.01
[5] 鱼江海，占怡. 基于OSG的三维场景构建[J]. 黑龙江科技信息.2010.01
作者简介
胡剑锋（1975－），男，湖北省蕲春县,高工,硕士, 主要从事三维仿真和三维GIS的开发。

林庆农（1964－），男，江苏省南京市,教高,硕士, 主要从事配电自动化信息系统产品开发。

陆巍巍（1974- ），男，江苏省海门市,高工,硕士, 主要从事配电自动化信息系统产品开发。