WebGIS三维可视化平台在电网数字化移交中的应用研究

王芳　尤一铭　余婷立

摘  要：随着智能电网建设的推进，传统的纸质档案移交管理已不能满足电网工程信息化需求。针对新一代电网三维数字化移交，为解决移交不直观、数据繁多等问题，文章提出多元异构数据处理方式，采用三维模型轻量化技术、三维仿真与调度技术，实现基于WebGIS的三维可视化平台。该平台是集成工程信息、地理信息、数字化模型和文档资料，贯穿工程建设全过程，完成三维数字化移交的应用，为电网建设数字化、精细化、智能化提供可靠的平台支撑。

关键词：WebGIS;三维可视化;数字化移交;仿真模拟

中图分类号：TP391.9    文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）17-0007-05

Abstract： With the advancement of smart grid construction， the traditional paper file handover management can not meet the informatization needs of power grid engineering. Aiming at the 3D digital handover of the new generation power grid， in order to solve the problems of non intuitive handover and numerous data， this paper puts forward a multivariate heterogeneous data processing method， and adopts 3D model lightweight technology， 3D simulation and dispatching technology to realize the 3D visualization platform based on WebGIS. The platform integrates engineering information， geographic information， digital models and documents， runs through the whole process of project construction， completes the application of 3D digital handover， and provides a reliable platform support for the digitization， refinement and intelligence of power grid construction.

Keywords： WebGIS; 3D visualization; digital handover; analogue simulation

0  引  言

随着计算机硬、软件系统和三维建模技术的发展以及地图学、地理信息系统（GIS）、计算机视觉、遥感等学科的进步，国内外纷纷涌现出诸如World Wind、Google Earth、SuperMap等基于C/S架构的三维产品。基于C/S架构的三维产品具有数据共享难、更新复杂的特点，WebGL作为新的3D绘图协议，将WebGL与三维GIS结合使用，使人们在网页中浏览三维场景成为可能[1]。

在电网数字化领域，2015年召开的国家电网会议提出加快推进智能电网建设，对电网信息化水平提出了更高的要求。近年来，三维数字化电网解决方案逐渐涌现，各类GIS项目陆续应用于三维WebGIS等系统的开发[2]，大数据平台的模型处理、多维数据可视化展示在电网业务领域得到广泛应用。三维数字化移交作为贯穿电网工程建设全过程的管理手段，从全局角度进行统筹考虑，采集、处理在工程建设过程中形成的各类工程信息、地理信息、数字化模型、文档资料等数据成果，实现对电网工程三维场景、三维模型的直观展示以及对工程资料的综合管理[3]，是移交模式的信息化突破和革新。

本文从电网数字化移交的实际应用出发，立足于解决电网数据移交不直观、难管理、数据冗余、使用效率低等问题，开展多源异构数据处理、三维模型轻量化技术、三维仿真与调度技术的研究，构建基于WebGIS的三维数字化移交平台，实现模型数据可视化、三维场景模拟仿真等模块功能，完成三维数字化移交应用场景，对推进智能电网建设和提升电网领域的数字化、精细化、智能化管理水平具有重要意义。

1  WebGIS的三维平台

1.1  关键技术与难点

1.1.1  多源异构数据处理

目前电网通用模型格式包括rvt、3ds、fbx、stl等，数据来源多样、数据结构差异大。为了促进电网数据标准化，国家电网提出的《输变电工程三维设计模型交互规范》（Grid Information Model， GIM）规范了电网模型的数据格式，这在一定程度上解决了模型多元异构问题，但依然面临诸多困难。各商用软件存在数据壁垒，用户为查看不同模型往往需要购买、安装多个软件，操作复杂，使用成本高且成果难以共享。如何实现“多源数据一平台应用”是平台需要解决的关键问题。

1.1.2  三维模型轻量化技术

三维模型是物体的多边形表示，通常用计算机或其他视频设备来显示。作为点和其他信息集合的数据，一般包括几何形状、表面材质与纹理特征。三维模型轻量化旨在保持原有结构、几何拓扑关系、纹理和材质，删减一定量的顶点并重新构建三角面片，达到降低数据量的目的。电网设施和设备结构复杂，如何最大限度地简化模型并保留模型细节，是平臺研究的重点和难点。

1.1.3  三维场景仿真与调度

电网模型具有高密度分布的特点，输电线路一般呈条带状，沿线分布了大量的杆塔、绝缘子/金具和导线等，线路两端连接变电站、换流站等[4]，如此海量的数据通常集中在数百平的空间内，再加上构建影像、地形等基础地理数据，平台将面临巨大的渲染压力。如何实现基础地理数据和工程数据的快速加载与响应，保障大小场景流畅切换以及导线弧垂的仿真效果，实现可浏览、可量测、可查阅、可分析，是平台所要突破的重点也是难点。

1.2  技术实现与架构

1.2.1  总体架构

按照多源数据处理逻辑进行平台系统架构的设计，提供高效率、轻量级的三维可视化服务。核心数据处理工具遵循GIM标准要求，将GIM数据存储于轻量级数据库中，进行GIM数据的自动解析与存储管理。采用数据处理方案和性能优化策略，加载GIM模型数据、地形、影像等基础地理数据，实现工程模型在三维场景中的可视化展示。用户终端享有三维模型操作、场景漫游等基础功能，能快速流畅地切换场景，实现对各类工程三维模型、设计参数的管理、浏览及查询，形成相关成果输出。总体架构如图1所示。

1.2.2  数据处理方案

TB级的数字正射影像（DOM）及数字高程模型（DEM）的融合渲染、几何模型的快速渲染，均需要建立严密有序的数据处理及组织方式[5]，这样才能保证数据在Web三维可视化平台中的渲染效果，满足平台在数字化移交应用中的需要。以下是数据处理方案：

（1）地理信息数据处理。地理信息数据处理将不同来源的数据进行规范化处理，并将数据纳入统一的坐标系统，实现数据无缝拼接与叠加，配置后进行切片缓存，提高加载效率。数字正射影像需要进行七参数纠正、去边、切片处理，使用缓存机制提高地图访问速度。平台中的数字高程模型一般处理成不规则三角格网，准确反应地形地貌的细节特征。基础地理数据、电网专题数据将被处理成标准WMS、WMTS地图服务或者geojson文件。

（2）GIM模型解析。通过利用平台自研的GIM数据处理工具实现GIM模型的解析和格式转换。首先解析GIM相关参数，获取CBM、DEV、PHM、MOD文件夹信息，采用GIM的三维参数化建模方法，生成交换模型，在此基础上对交换模型进行轻量化操作。然后将线路工程模型转换为glb模型，将变电站工程模型转换为3dtiles模型。glb模型是二进制文件，能节约存储空间、便于网络传输，有效提高模型数据请求和下载效率。3dtiles模型是分层分块的金字塔型结构，配合平台的调度策略，能有效地实现模型的高效渲染。

1.2.3  性能优化策略

基础地理数据及模型数据的处理，一定程度上提高了三维平台的渲染速度，但随着线路、变电站（换流站）场景的构建，平台依然承担着较大的内存和渲染压力，致使可视化效果也随之下降。为减轻平台渲染压力，保障可视化效果，本平台采取以下策略来优化性能：

（1）LOD策略。LOD（Levels of Detail）是解决海量数据显示和调度的常用策略，它最显著的特点是能够保证三维可视化系统在调度数据时，根据需要进行加载。在渲染处理方面，平台根据模型在环境中所处的位置和重要程度，动态调配资源，降低可视域远处模型细节，加快单图元渲染速度。

（2）可视范围裁剪策略。平台通过判断渲染对象是否落在可视范围内，决定是否对其进行加载和渲染，渲染对象落在可视范围内则对其进行加载和渲染，反之则不渲染，这一策略可有效地降低资源消耗提高平台性能。

（3）动态加（卸）载模型。通过计算可视域内视点与模型的距离，實时加载或卸载模型。对于架空输电线路场景，当模型距离相机较近时加载模型数据，当模型距离相机较远时卸载模型，以此降低资源消耗。对于变电站（换流站）场景，小比例尺时请求粗略模型，大比例尺时请求可视域内高精度切片数据，缓存周围低精度数据，实现场景浏览的快速响应，保证平台的流畅性和可视化效果。

1.3  平台功能设计

地理信息数据作为三维平台的核心，平台需支持常用的地理数据，并提供逼真的三维场景和友好的三维交互操作功能。考虑到三维平台的基本功能和业务需求，平台提供了以下四种功能模块：

（1）地理数据可视化。平台支持地理数据可视化，包括高清卫星影像、高精度地形、倾斜摄影模型、激光点云数据等，用户可根据具体应用场景选择数据，如卫星影像可选天地图卫星影像、谷歌卫星影像、百度地图卫星影像、航飞正射影像等，地形包括cesium世界地形、ArcGIS全球地形、航飞数字高程模型等。

（2）三维模型可视化。平台支持3dtiles和gltf/glb三维数据规范，配合模型文件的加载、渲染、调度等策略，实现三维场景的模拟仿真，使用空间位置及姿态编辑功能，可将模型渲染到三维虚拟地球的任意位置。

（3）场景漫游。平台支持第一人称漫游、第三人称漫游、场景穿透等功能，强大的漫游体系可满足大、小三维场景的各类应用需求，配合键鼠能快速便捷地实现场景缩放、旋转、平移、飞行浏览等功能。

（4）通用功能。平台提供通用功能，辅助用户快速实现空间量测、绘制标注、成果导出。空间量测功能包括经纬度量测、高程量测、距离量测、面积量测，通过交互的方式直观、实时地展示量测结果。绘制标注功能包括点标注、线标注、面标注、体标注，以及导出功能。

2  三维数字化移交应用

2.1  数据模型

三维数字化移交以数字化的方式贯穿电网工程建设的全过程，三维数字化移交的数据模型包括工程概况信息、地理信息数据、三维设计成果和文档资料[3]，详情如表1所示。

2.2  应用成果

三维数字化移交平台实现了工程信息、地理信息、数字化模型和文档资料的统一管理，利用三维可视化表达技术可以更加直观、高效地表达数字化电网中的地理空间信息以及塔基地形的空间形态和分布特征。实现电网数据的动态、全方位、多角度展示。

2.2.1  工程信息

工程信息主要包含电网工程在初步设计、施工图设计、竣工图三个阶段的工程概述信息和主要经济技术指标[3]，如工程概况、电压等级、变电站类型、线路长度、回路数、参建单位、概算动态总投资等。平台采用关系型数据库存储、管理结构化数据，使用RESTful数据服务实现工程信息的增删改查，以统计图表直观地展示各项工程信息。

2.2.2  地理信息

平台以全球卫星影像数据和数字高程模型为基础创建虚拟地球，动态叠加各类地理空间数据，为用户提供一个高性能、高精度、高质量的虚拟仿真平台，虚拟仿真平台的全球视野如图2所示，全球卫星影像叠加数字高程模型效果如图3所示。用户只需通过鼠标键盘操作即可实现三维场景漫游，支持三维场景的缩放、旋转、平移。提供地名查找和经纬度定位功能，辅助用户快速定位。

平台可叠加展示各类地理数据，在电网数字化移交中，通常会叠加展示：

（1）行政区划、交通、居民地、河流、植被等基础地理数据。

（2）污区、冰区、震区、气象区、舞动区、雷害区、鸟害区、规划区、风景区、自然保护区、林区、矿区、文物保护区、军事禁区等电网专题数据，冰区专题地图如图4所示。

上述数据作为公共数据而进行统一管理，用户可根据工程需要控制公共数据的显隐、透明度，并可快速定位至相应图层。

电网工程通道数据通常被处理成geojson格式，平台读取并绘制文件中的点、线、面状要素，并按照约定的样式将其渲染在地球上，用户可以根据需要控制图层的显隐，并可快速定位至图层，如图5所示。

航空摄影测量作为工程数据采集的主要方式，数据成果包括数字正射影像、数字高程模型、激光点云、倾斜摄影模型等。工程数字正射影像将叠加到全球卫星影像上，数字高程模型将替换全球数字高程模型加载到三维虚拟地球上。激光点云数据和倾斜摄影数据将被处理成3dtiles模型加载到三维场景中，倾斜摄影模型可视化效果如图6所示。

2.2.3  三维设计成果

GIM是电网三维设计成果中的主要成果，包括电网设备设施模型及属性和交叉跨越地物模型及属性[3]。平台将GIM数据模型解析成几何信息和属性信息，实现三维模型在线加载、无极缩放，结合三维地球场景中的各类地理信息，用户可对电网工程进行全方位、多视角的三维浏览。

除了常规的漫游操作外，平台提供第一人称漫游功能，用户可以以第一人称漫游模式进入变电站模型内部，对变电站模型进行浏览漫游。建筑物穿透功能，使用户能够穿透变电站房屋浏览内部设备。建筑物显隐控制功能，可以用以隐藏变电站外部房屋，暴露房屋内部的设备，方便用户查看，变电站模型可视化效果如图7所示。

线路工程除了加载展示电网设备设施模型外，采用广告牌、带纹理的折线和多面体对象客观形象地表示树林、房屋、电力线等交叉跨越物，为用户提供一个逼真的虚拟三维线路场景，线路工程可视化效果如图8所示。

2.2.4  文档资料

平台按照《国家电网有限公司电网建设项目档案管理办法》和《输变电工程三维设计建模规范》对电网工程在初步设计、施工图设计、竣工图阶段产生的设計资料进行统一管理。平台提供目录配置功能，用户可根据工程类型、电压等级来配置文档目录，使用上传、下载、预览、删除等功能管理文档。提供文档和设备模型关联功能，双击拾取设备模型可查看设备关联的文档。

3  结  论

随着三维可视化技术的发展，基于WebGIS的三维可视化技术被广泛地应用到电网工程中。本文论述了基于WebGIS的三维可视化技术以及其在三维数字化移交中的应用。三维数字化移交平台对电网工程建设中产生的各种工程信息、地理信息、数字化模型、文档资料等数据成果进行统一的管理，实现对电网工程三维场景、三维模型的直观展示和对工程资料的综合管理，对促进智能电网建设和提高电网行业数字化、精细化、智能化管理水平，具有重要意义。

参考文献：

[1] 李艳丽.浅析基于WebGL的BIM数据网络三维可视化 [J].计算机科学与应用，2021，11（1）：7.

[2] 马洪成，钱建国，杨戈.基于Cesium的三维电网WebGIS开发与实现 [J].测绘与空间地理信息，2018，41（11）：73-76.

[3] 董跃周，王秀芳，彭玉培，等.电网工程三维数字化移交数据生产关键技术流程研究 [J].科学技术创新，2020（26）：1-4.

[4] 任培祥，侯小波，郭雁，等.电网三维模型简化与渲染优化方法研究 [J].电力勘测设计，2015（2）：61-64.

[5] 周阳，佘江峰，唐一鸣.基于WebGL的三维数字水利展示系统研究 [J].测绘与空间地理信息，2014，37（3）：44-48.

作者简介：王芳（1987—），女，汉族，湖北武汉人，高级工程师，硕士研究生，研究方向：WebGIS;尤一铭（1990—），男，汉族，河南永城人，工程师，硕士研究生，研究方向：WebGIS;余婷立（1994—），女，汉族，湖北孝感人，助理工程师，硕士研究生，研究方向：地图学与地理信息系统。