基于三维GIS技术的输电线路地理信息系统的设计与实现

摘要针对当前计算机图形及GIS技术的发展和电力系统输电线路管理需求的特点，本文以输电线路地理信息系统平台为例，研究了如何利用现有的数字高层模型（DEM）及相应算法实现海量三维地表模型的构建和如何运用设计模式的构造方法实现输电设备的关联组合等问题，并通过建立方位数据中间层的方法将地表数字高层模型、输电设备三维模型及各类属性信息有机的结合在一起，从而满足了输电线路GIS系统的各类维护及查询要求，并为该平台日后成为线路设计、培训模拟等高层应用的平台构建了良好的开放性框架。

1引言随着计算机技术的飞速发展，地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）在整个电力行业中得到了越来越广泛的应用。

将GIS引入配电管理系统（DMS），并与用电MIS，负荷管理及SCADA 等子系统相结合，为各级管理人员提供一套简单、迅速、方便的配电网运行管理系统已成为现代电力企业提高管理水平和工作效率的有效手段。

然而，目前在电力系统中广泛应用的主要还是基于二维坐标的GIS 系统，其空间表现和分析能力都有很大的局限性。

输电线路是位于地理空间中的人工构建物，其线路距离长，通过地区的地理条件比较复杂，与众多电力线路和通讯线路交叉跨越，并且通常会通过居民区、公园和其它特殊区域。

输电线路及其杆塔位置与地理空间位置密切相关，特别是在垂直方向上的层次信息尤为重要，这使得二维地理信息系统无法达到其管理的需求。

近年来，计算机图形学的发展和计算机硬件性能的成倍提高使得三维表现技术日益完善，通过这些技术，我们能够构造更接近于现实的三维地表模型和各类设备模型，使得GIS系统从二维向三维发展。

本文通过运用三维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。

2三维输电线路GIS系统的的特点及其实现难点相对于二维的GIS系统，三维输电线路GIS在其实现过程中有着明显的特点和实现难点，主要表现在以下几个方面：（1）在三维GIS中，无论是基于矢量结构还是基于栅格结构，对于不规则地学对象的精确表达都会遇到大数据量的存储与处理问题。

在输电线路GIS系统中，一条完整的线路往往要延续几十甚至几百公里，这使得相应的数字地面模型规模巨大，加上众多的河流、道路、居民区等地表特征物模型和数以千万计的输电设备模型，导致整个三维场景结构复杂。

如果没有较好的数据模型和管理策略，系统难以达到预定的显示效果，更谈不上良好的交互式界面。

（2）在二维配网GIS系统中，一般用点状或线状等抽象符号表达电力设备，无法直观的显示设备本身的结构和相互间的关联；在三维GIS系统中，模拟真实的输电设备（如杆塔、绝缘子、输电线）是虚拟现实的基本要求，这使得模型本身会变得比较复杂，甚至要进行组合构造。

以杆塔为例，不但每个杆塔的高度、塔头有差别，而且其包含的绝缘子也会根据杆塔的类型、方位、旋转角度甚至与其它杆塔的关联性而有不同的表现方式，因此，选用合理的设计模式和组织方法来处理电力设备对象也是实现输电GIS系统的一个重点。

（3）三维输电线路GIS系统是一个集数字地表模型、输电设备模型和各类相关地理、设备信息数据的综合管理平台，如何将这几类数据有机的结合在一起，以提供良好的交互式查询和维护功能，是系统整体性的要求。

由于当前还没有比较成熟的三维空间数据库技术，运用中间层技术将传统关系数据库和三维模型库相关联是一种可行的折中方案。

3三维输电线路GIS系统的构建和技术实现3．1三维输电线路GIS系统的体系结构设计针对三维GIS的技术特点和输电线路管理的基本需求，作者在参考了其它一些成品GIS软件和输电线路管理系统的基础上，提出了该系统的三层体系结构，如图1所示。

基于目前还没有比较成熟的三维空间数据库解决方案，在三维GIS系统中的三维模型数据（如数字地表模型、地表特征物模型及输电设备模型等）和其在三维场景中的方位信息及相关属性信息往往以不同的方式存储，前者一般是文件格式，无法共享，而后者可以放在通用的关系数据库中。

考虑到模型在场景中的变化主要是位置变化，我们为每一类设备或地物建立相应的三维模型原形，形成模型原形库，然后在系统运行时为场景中要显示的每个输电设备或其它要参与交互操作的模型个体建立一个实例，该实例从关系数据库中得到相应的方位信息（如杆塔底部中心的大地坐标）和设备属性信息，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2所示。

这些设备或其它特征物的实例结合起来就形成了一个记录空间和属性数据的中间层，它紧密的联系着模型原形和设备信息之间的关系，但又使设备的表现（模型显示）和设备内部属性相对分离。

采用这种体系结构，不但可以很好的保证交互式操作的要求，而且大大节约了存储空间（多个实例可公用一个模型原形），使系统的数据在一定程度上可以共享（每个客户端用户只要拥有相同的模型原形库，就可以根据关系数据库中的共享信息建立对应的输电线路GIS场景）。

3．2三维地表的动态建模及设备模型的显示输电线路所在地域的地形一般比较复杂且范围较广，相应的地表模型需要有效的表面建模技术。

针对复杂特征目标的三维表示，可以采用混合使用基于不规则三角形网（TIN）和方格网的表面描述方法。

采用TIN结构，可以灵活、逼真、快速的建立具有任意边界形状的目标模型，这对于空间查询和分析结果的三维表示极为重要。

碎部等级（LOD）方法是一种解决大数据量三维地形显示和管理的优化方法，它将复杂目标以不同的质量等级进行预处理和存储，绘制算法根据屏幕上目标的大小来决定用哪个图形来显示。

远离视点的目标显示得小且不会有质量的可见损耗，可用极快的速度以低级的LOD方式显示出来。

运用LOD方法，我们可以在两个方面对系统的数据进行显示优化：一是为地形建立具有不同细致等级的DEM层次体系，用层－＞块－＞行列的层次结构组成DEM数据的空间索引，它允许对数据的快速存取而不管其数据量的大小，且具有无缝性，从而保证在同一时刻构成地表模型的TIN数目为一个恒定值，最大限度的提高用户的交互效率；二是对场景中代表输电设备的三维模型进行分层管理：首先，利用输电线路的松耦合性，在查询或维护某条输电线路时，可对属于其它线路的设备模型进行消隐操作（跨越模型除外）；其次，可根据设备地理位置离屏幕视点的距离大小用不同复杂度的模型原形来表示设备实例，即让各个设备实例保留几个不同细致程度的模型原形的索引，当该设备实例距离屏幕较远时，用简单的模型显示，当距离屏幕较近时，用比较复杂的模型进行显示，这样能够减少许多三维场景中渲染、变换和效应的工作，提高界面的刷新速度。

3．3设计模式在输电设备建模中的运用设计模式是对被用来在特定场景下解决一般设计问题的类和相互通信的对象的描述，它可以使我们更加方便的复用成功的设计和体系结构［1］。

三维输电线路GIS系统中的设备实例管理是一项比较复杂的工程。

从整个系统看，它们只是一组带有方位坐标的点或线元素，但从设备层次的角度看，输电设备种类繁多，而且很多设备本身是由其它种类的设备组合而成（如带有不等数量的绝缘子的杆塔），再加上每个设备实例和其它实例具有很强的耦合性（如杆塔移动会带动其所属绝缘子的移动，而绝缘子的移动会改变线路走向，从而影响相邻杆塔绝缘子的方位），使得设备层次结构复杂，如果没有良好的设计和层次结构，相应的设备管理程序会变得复杂且难以维护。

运用对象结构型模式—COMPOSI TE（组合），我们可以用树形结构来表示输电设备的层次关系和相互关联，如图3所示。

该模式使得单个设备和组合设备的使用接口具有一致性，不但保证了整个设备对象层次清晰，而且可方便地加入新的电力设备层，而不用改动已有的用户接口程序。

另外，我们还用工厂方法（Factory Method）的模式设计方法来定义各种不同杆塔模型的模板，使用户可以方便的加入各类单回路或双回路的塔型。

对于设备实例在三维场景中的模型显示，也可通过代理（Proxy）模式将模型显示与对象实体分离，这也体现了整个系统中间层的概念。

4三维输电线路GIS系统实现的功能及其特点三维输电线路GIS系统结合了虚拟现实和GIS的技术特点，使用户可以在三维的空间中认识和管理输电系统，它不但包含了二维GIS的AM／FM等基本功能，也使得一些依赖于高层信息的查询和管理功能成为可能，其主要功能如下：（1）将目标范围内的地表特征和输电网用三维模型形象化，并提供断面图、杆塔定位图和三维立体模型图；在三维场景中可进行漫游、缩放、旋转及飞行等操作；（2）多方式方便快捷地查询任一输电线路的有关数据资料，包括线路的电压等级、连接方式、起止点、回路数、路径长度、导线型号等设备属性，并可直观地在三维场景中显示耐张段；（3）多方式方便快捷地查询输电线路任一杆塔的空间位置及其单线图、结构图、杆塔材料表等信息，可查看实物图象及相关文档；（4）结合对应的二维GIS系统，可在三维和二维系统中实现数据互动，即通过二维图上的精确定位来实现杆塔、线路等设备管理和维护；（5）通过飞行或漫游，查询线路经过的跨越物，并对跨越物进行统计和管理；（6）通过模拟淹没，可查询洪水灾害对输电线路设备的影响；（7）可对线路运行与检修的技术资料进行功能强大的管理，查询线路运行管理的有关规程规定、技术生产指标图表、线路维护、检修技术记录等，形象地提供历史上发生事故的类型、次数和位置等信息；（8）能选出最佳抢修路线，标注上山路口，以便尽快恢复供电。

5实例运用作者用本文研究的几个主要技术方法，结合软件工程的基本思想，开发了一套基于三维GIS技术的输电线路管理系统。

该系统包括的区域范围将近500平方公里，地表模型用数字地图生成，并将河流、湖泊、公路、居民区等地表特征物以面的形式覆盖在数字地表模型上。

系统在运行初期只包含了一条含60多个杆塔的输电线路，但其提供相应功能使用户可以任意增加其它的输电线路。

通过在现场的实际运用，该系统可以在中等硬件水平的PC电脑上较好的实现各项交互功能，完成系统理论上应提供的功能。

该GIS系统的全景图如图4所示。

6总结与展望本文根据三维GIS的技术特点和输电线路管理的需求，通过合理的利用三维模型构建和模式设计方法，提出了一种基于三维GIS技术的输电线路地理信息系统的设计方案和实现方法，并在输电管理系统中得以实现。

由于本系统采用合理的软件体系和模块化设计模式，将来也可以方便的成为维修模拟培训、雷电区域分析和输电线路设计等高层应用软件的数据平台。

随着计算机图形技术的飞速发展和硬件水平的不断提高，三维GIS将是整个电力行业GIS的发展方向。

我们生活在一个充满三维物体的三维世界中，只有基于三维的GIS系统才能让人们更加直观、形象的认识和理解地理和设备信息，从而提高管理水平和工作效率。