电力GIS系统的设计与实现

施文波++俞君杰++李校骁

摘 要： 电力GIS是我国电网建设需要使用的关键信息技术之一，广泛应用于电网建设规划、气象、配电管理等方面。该系统的主要功能是通过建立逼真的地理环境及重要的建筑物、杆塔、变电站等三维模型，沿布重要杆塔线路以达到建立完整的电网模型并实现空间分析功能的目的。系统采用Clipmap作为大规模地形渲染技术，成功地展示了高清的地理数据、模型等。系统实现了线路、电力设备的浏览、编辑、管理和信息显示输出等功能，增强了信息的科学管理和综合分析，有效地提高了电网的管理效率。

关键词： DEM数据； 高分辨率遥感影像； 大规模地形渲染； Clipmap技术； 电力GIS

中图分类号： TN915.853?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）21?0155?04

Design and realization of electric power GIS system

SHI Wenbo， YU Junjie， LI Xiaoxiao

（Jiangsu Electric Power Information Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210029， China）

Abstract： Electric power GIS is one of the key information technologies to satisfy the power grid construction in China， and widely used in power grid construction planning， weather， and power distribution management. The main function of the proposed system is to achieve the purposes of establishing the integrated power grid model and realizing the spatial analysis function by building the 3D model of the realistic geographic environment， the important buildings， towers， substations， and the important tower transmission line along with the construction. The Clipmap is taken as the large?scale terrain rendering technology by the system， the high definition geographic data and models are displayed successfully. The functions of browsing， editing and management of the circuit and electric power equipment， and information display output in the system are realized. The scientific management and comprehensive analysis of information are enhanced， and the management efficiency of the power grid can be improved greatly.

Keywords： DEM data； high?resolution remote sensing image； large?scale terrain rendering； Clipmap technology； electric power GIS

0 引 言

三维GIS（Geographic Information System，三维地理信息系统[1]）是由传统的二维GIS发展而来，能够同时表达和描述空间对象间的平面关系和垂向关系，它是将现实世界中获得的三维数据进行输入、存储、编辑、查询、模拟并辅助决策支持的计算机系统，其空间坐标都参加图形显示的运算。相比于二维GIS，三维GIS在对客观世界的表达方面能给人以更真实的感受，它以三维立体的造型技术给用户展现更真实的地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能够描述表达它们之间的垂向关系。高精度三维GIS系统通过建立更加逼真的地理环境，清晰的建筑物模型、杆塔、变电站等三维模型和完整的电网模型，并且通过加强空间分析功能，把电网和地理信息很好地结合起来，从而实现线路、电力设备的浏览、编辑、管理和信息显示输出等功能，实现信息的科学管理和总体分析，有效提高电网的管理效率，降低线路运行维护成本。

现有的一些GIS软件，如Skyline，ArcGIS等，更多的是一种通用平台，他们对高精度三维系统的支持不够，普遍存在以下问题：高精度模型加载到场景后信息有丢失，无法真实地再现原始模型；同时在场景中出现多个高精度模型时，上述两款软件都会出现操作延迟，浏览不流畅，甚至出现软件崩溃的情况。部分产品在表达线路时仅能以简单的线条展示出杆塔间的线路，无法展示线的弧度。由于这些产品的三维GIS引擎在表达三维模型时均不够精细，无法满足高精度三维电网建模的需求。另外，考虑到电力企业安全及相关保密数据，例如电力设备台账、杆塔、变电站坐标，实时运行数据等，这使得完全独立研发一套三维GIS系统成为一种最好的选择。

本文主要结合公司目前正在研究的三维GIS系统，分析了它的技术点、系统架构及应用情况。

1 三维GIS系统功能架构

三维GIS系统主要结构关系如图1所示。系统主要由基础数据服务，三维GIS引擎，功能组件，二次开发接口等组成。

基础数据主要由影像数据、DEM高程、矢量数据三部分构成，数据服务根据当前视角范围计算出对应的三维图像数据并供前台使用，它是三维GIS系统的底层支撑，是影响三维展示效果的关键因素。

系统采用免费的30 m影像图及30 m DEM高程数据作为三维GIS系统的粗模，对高精度地图数据的要求是：2.5 m影像图，30 m DEM或者0.5 m影像图，5～15 m DEM，局部地区采用0.25 m影像图及5 m DEM或更高精度。对地图数据的高标准要求是为了在更为清晰、真实的地形地貌上建立电力设备模型，以达到系统逼真显示的目的，同时为三维空间分析提供准确的数据支持。

基础数据服务通过计算影像数据及DEM高程数据向前台提供相应的场景图像数据，系统将三维地理场景数据生成模块与前台渲染模块分离，达到高内聚、低耦合的效果，并且将生成的场景图像数据经过压缩后传输，所需带宽保持在1 MB/s左右，性能足以达到系统需要。

三维GIS引擎支持多种数据库，具备大规模地形渲染、碰撞检测、特效编辑等功能，为基于三维地理数据的高级应用提供了开发接口。

功能组件由素材库编辑组件、线路沿布、空间分析服务等组成，它们的功能是否强大，取决于三维图像引擎的水平和二次开发能力。

2 图像引擎

2.1 大规模地形渲染

由于GIS地形及影像数据通常都十分庞大，江苏全省的5 m数字高程容量有40 GB，0.5 m卫星影像数据容量达到5 TB，不可能全部载入内存，需要一个动态调配的机制，快速地将当前视野范围内的数据载入，并将超出视野范围的数据释放。由于三维渲染的特点是透视效果，近大远小，即靠近视点的区域所占的屏幕区域大，远处所占的屏幕区域小，因此本系统采用Clipmap技术[2]作为地形渲染技术，以视点为中心向周围发散，并随视点的移动更新每个层次的内容。

Geometry Clipmap算法是由Losasso和Hoppe在2004年提出的基于GPU优化的LOD算法[2]。Clipmap充分利用了GPU的批量渲染能力，系统将高程图以二维纹理的形式存储，直接存储在显存中，采样过程及高程值更新直接由GPU芯片来完成。对地形数据则是把地形划分为固定大小的块，使用改进的异步多线程的后台数据载入方式，保证海量数据的实时加载，并对处于视锥体的每个地形块建立一个四叉树结构进行LOD 简化。

Geometry Clipmap 算法是一种纹理结构存储和渲染策略，它的结构如图2所示，每层纹理有最大尺寸ClipSize，Clipmap分为Clipmap Stack和Clipmap Pyramid两部分。首先，对原始的高程大纹理创建Mipmap，再把每一个Mipmap层分割为大小为ClipSize的矩形网格。在定点着色器中，根据当前像素点所对应的纹理坐标，计算出所要采样的纹理贴图的等级，获得具体的高程数据。当视点移动时Clipmap Pyramid不进行更新，直接采样和过滤，因为高程纹理全部存储在里面，需要更新的只是Clipmap stack中的纹理数据，保持其中的纹理数据与当前的视点相对应。

2.2 特效编辑

系统的3D特殊效果主要模拟电力设置面对的特殊场景，如风雨天气、烟火、光照等，还有很多特定的效果。在场景中，光照的效果在很大程度上会影响到场景的美观和真实性，在场景的设置中，添加了光照阴影工具，可以根据需求，自主设置光源的位置，光源包括点光源、探照灯光源、平行光源等。系统的难点在于如何优化引擎的性能，使得系统能够在最大程度上实现现实光照的模拟。如果要为系统所有光源照向的物体表面做处理，则引擎需要非常多的资源完成光照效果，占用太多资源的后果就是系统的实时性、稳定性将受到挑战。因此，本系统利用BSP?Portal技术[3]将参与渲染的几何体和光源的总数量尽量降到最低，并且利用快速筛选的算法来处理动态光源与移动物体之间带来的光照变化。经过优化后，光照系统能够在保证图像效果正确的基础上，提高引擎的处理效率，并且达到实时渲染的效果。系统同时完成的还有通过粒子编辑水、火、电、雾等的特殊效果。

2.3 数据

数据分为栅格数据（卫星影像、航拍图、数字高程等）和矢量数据（区划线、水域等点线表示的数据）两种[2]。引擎支持IMG，GTiff等国际通用的GIS栅格数据格式。而数据接口采用GDAL开源GIS开发接口[4]，是目前国际上兼容性最好，支持格式最广，运行最稳定，效率最高的开源GIS数据存取代码库。平台直接使用测绘部门提供的原始影像文件，无需做任何后期处理，只要将文件路径加入地形数据源队列，即可高效地展示地形地貌。由于是直接访问原始影像文件，所以数据以文件形式保存，无需进入常规数据库；这样节省空间，同时具有最高的访问效率，为Clipmap技术的动态更新提供了性能保障。

3 功能组件

三维GIS系统功能组件有素材库编辑、线路沿布、控件分析服务、地形数据维护组件等。本节重点介绍素材库编辑和数据维护组件。

3.1 素材库编辑

素材库管理系统，是对平台所需要使用的各类模型进行管理[5]。仿真建立在仿真模型的基础上，模型占据了相当重要的一份，因为模型和材质的种类繁多、数量庞大，导致了素材库管理的有效性直接影响整个平台使用的合理性和简便性。所以系统建立一个便于管理，功能简洁的素材库，如图5所示。在这个素材库管理系统中，有效地对素材库进行分类、对素材进行管理、对素材使用最简单的方式进行选择。素材库模块的设计需要对素材正确管理。素材的正确分类和存储直接关系着素材库的管理。素材库使用配置文件的方式按照要求进行分类，可以分为需求给出的11类相关素材。提供所见即所得的素材库管理和选择界面。在素材库的添加、删除、修改上，直接对素材库的配置文件进行相关操作，同样提供直观界面方式，在此方式中，用户不用面对繁琐的配置文件和复杂的模型，直接使用界面方式对素材进行管理。流行的模型制作工具主要是3DMAX和MAYA。对于这两类的模型，素材库管理提供界面可以直接使用，为了提高平台的使用效率，还对这两种模型进行转化载入。

3.2 地形数据维护组件

地形数据维护模块，即在使用真实底层数据的基础上，对地形地貌进行编辑整理。因为数字高程数据精确度不够，或者在某些细节部位有误差，需要进行局部或者大范围的整理。在对地形数据的预想或者设计上，也需要此部分功能。该功能对地形进行按要求修改，包括填平、升高、挖坑等一系列操作，同时还需要有可以进行微调的工具，满足细部要求。系统对地形的编辑出于两种情况考虑：一是对已经通过数字高程信息生成的真实地形进行细化和修改；二是单独创建一种符合展示的地形。对于这两种情况，对编辑系统的要求有所不同。在第一种情况下，所有的编辑基本定义为精细编辑，属于局部修改，在地形局部精细度不够或者有所变差的情况下作修改。第二种是对基本数据进行大规模修改，在这种情况下，需要原始地形，然后在此基础上，对地形进行大规模的修改，对地形起伏、地形表面材质更改等。

4 三维GIS系统应用情况及总结

公司已经成功部署了一套三维GIS系统，用于展示全省500 kV线路。系统从数据库中调取相关500 kV杆塔坐标、杆塔类型等信息，完成了线路半自动沿布，目前该系统运行良好。并且还沿布了特高压交流工程的杆塔及线路，并结合二维平面GIS对工程中的重要跨越，河流湖泊及拆迁风险等进行了展示。沿布线路如图6所示。

随着三维GIS系统功能的不断完善，公司将不断挖掘各类业务在此方面的应用，通过技术创新和业务融合，实现各业务系统的综合展示，为公司各层面分析决策提供有力支撑，也为公司的生产经营工作提供可靠保障。

5 结 语

通过电力GIS系统的实现，将电网信息和地理信息进行了有效融合，结合真实的三维地理地貌，展示了线路、设备真实所处的环境情况，为电力员工日常生产管理提供便捷的辅助工具，使生产管理更加信息化，极大地提升了电力信息化水平。

接下来的工作需要对已有的电力GIS进行平台化，包括：

（1） 平台化。整个平台在功能上划分为三维基础数据配置管理工具，用于对基础数据进行分组管理；平台编辑端，对要展示的内容进行编辑；平台展示端，结合后台基础数据及三维展示内容进行展示；如此划分将方便项目的实施部署。

（2） 二次开发包。平台提供上层应用的二次开发包，有利于平台在不同领域的推广。

（3） 支持多机渲染及帧同步。由于特定情况下需要在超高分辨率的环境下进行展示，平台能够满足多台图形工作站能够共同渲染同一场景的需求，并且为了保证用户与平台互动时响应一致，平台拥有多机帧同步的功能。

参考文献

[1] 王继周，李成名，林宗坚.三维GIS的基本问题与研究进展[J].计算机工程与应用，2003（24）：40?44.

[2] LOSASSO F， HOPPE H. Geometry clipmaps： terrain rendering using nested regular grids [C]// Proceedings of 2004 ACM SIGGRAPH. New York： ACM， 2004， 23（3）： 769?776.

[3] 宋晓宇，冯开平，许素霞.大规模室外场景漫游中入口问题的研究[J].现代计算机：专业版，2007（10）：28?30.

[4] 杨峰，陈立潮.基于三维GIS的海量数据可视化关键技术研究[J].计算机与数字工程，2011（7）：98?100.

[5] 朱国敏，马照亭，孙隆祥，等.城市三维地理信息系统中三维模型的快速构建方法[J].地理与地理信息科学，2007（4）：29?32.

[6] 闫俊生.三维地理信息系统中散乱点拟合曲面仿真方法[J].现代电子技术，2013，36（5）：118?120.