基于云GIS的电网三维数字化平台研究与实现

甘运良 张建广 王向上 董鉥涛 吉堂书

（1、中国南方电网有限责任公司超高压输电公司,广东 广州 510663 2、北京洛斯达科技发展有限公司，北京 100120 3、南方电网数字电网研究院有限公司，广东 广州 510555）

1 概述

三维GIS技术发展至今，技术成熟，国内外有一批三维GIS平台与厂商，其中代表性有ArcGlobe、GeoGlobe、SuperMap等平台[1]。这些厂商与平台起步较早，产品结构框架比较完整，在海量数据处理能力、三维建模、三维分析、跨平台应用等方面，具有较大的优势，对最新的三维GIS技术也有较好的支持。其中，国内的三维GIS产品，如SuperMap等平台，在近几年陆续开始了三维引擎内核与产品架构的升级，并开始了B/S架构的三维引擎的研发工作[2]。20世纪中旬电力行业开始发展并应用信息化技术更新传统施工方式，发展至21世纪初期，电力行业信息化开始规模化，各种智能化系统平台被投入至电力专业工程生产[3]。在此背景下，研发B/S架构的新一代三维GIS云平台，具备访问互联网和局域网上的影像、地形、模型等多源数据能力，支持无插件、跨平台访问，提高平台在电力数字化领域的核心竞争力，具有重要的现实意义。为了缩短研发周期，保持产品的技术先进性，增加市场竞争力，本文在依托当前研究成果的基础上，优化产品架构设计，降低平台资源消耗，提高电网数据可视化效果，形成了新一代的电网数字化三维GIS云平台。

2 总体目标

开发一套涵盖三维数据处理体系、三维数据管理中心以及三维客户端开发平台的新一代三维GIS云平台：

2.1 数据处理体系将从三维数据处理工作流程的实际困难入手，提供完整的三维模型（变电/线路）数据处理解决方案及数据处理工具。

2.2 提供三维数据的上传、下载、在线预览、删除等管理功能，完成基于Cesium体系的地形数据服务和基于ArcGISServer、MapServer等主流地图服务器标准服务的验证与接入，同时提供图形化的操作界面及数据管理开发接口。

2.3 依据实际需求，完成基于Cesium的前端可视化框架搭建，提供一套稳定电网数字化平台的二次开发接口，封装包括变电（换流）站可视化、输电线路可视化、量测、标绘等模块的SDK。

3 关键技术难点

3.1 为了实现跨终端和跨平台的目标，三维客户端开发平台需要兼顾浏览器和手机的性能问题，这给原本就对性能要求严苛的三维研发工作带来了更大的挑战。如何最大程度的降低资源消耗，提高平台的性能，保证输电线路、变电站场景的流畅运行，是关键和难点工作。

3.2 输变电工程中电力设施模型具有单体模型数据量大、密度高等特点，例如单个杆塔绝缘子模型的数据量可达到100MB以上，特高压变电（换流）站的模型面片数基本都在5000万以上，庞大的数据量对前端三维平台的加载和可视化带来了巨大的压力，因此如何对这种单体电力模型进行轻量化处理，提高其加载、渲染效率是本项目有待解决的重点问题。

3.3 输变电工程在设计、施工、运检过程中，根据业务应用的不同，会产生各类异源的三维数据形式，如设计应用中的dwg/dgn/rvt/gim等参数化模型，施工应用中的max/bim/x等建模模型，以及运检过程中的las点云等数据，为了解决这些多源数据的统一接入，需要通过深入研究这些格式的通用处理流程，建立统一的数据模型交换格式，实现不同类型数据的集成应用[4]。

图1 数据处理流程

4 建设内容

4.1 B/S端产品总体设计

从电网数字化业务对轻量化WEB平台的需求出发，设计一套涵盖三维数据处理体系、三维数据管理中心、三维客户端开发平台的新一代三维GIS云平台产品，形成从源数据、后台服务、前端展现的体系化产品体系，同时能够兼容工程历史数据的接入，形成完备的数据处理、服务发布管理规范。

4.2 模型数据处理体系

设计一套完整的WEB轻量化平台数据处理体系，形成一系列的处理工具集，同时支持以下功能需求：

4.2.1 支持多源格式处理

支持对dwg/dgn/rvt/gim等参数化模型，max/bim/x/gnm等建模模型，以及las点云模型的批量处理。

4.2.2 支持手动和自动化处理

针对数据量较小、复杂度不高的模型，支持后台一键式处理与服务发布；针对数据量较大、复杂度较高的模型，提供可视化工具手动处理模式。

4.2.3 完全兼容Cesium技术体系

数据处理体系输出成果为3dtiles、glb两种形式，完全兼容Cesium格式要求[5-6]。鉴于目前国内外众多WebGIS平台由Cesium改造，从而实现一套数据处理体系，不同前端展现形式的目的，为应用层提供了更多的选择。

4.3 三维客户端开发平台

开发一套基于WebGL技术实现的三维客户端开发平台，可用于构建无插件、跨操作系统、跨浏览器的三维GIS应用程序。深入到CesiumJS源码层，优化三维引擎性能。同时针对电网数字化实际应用情况，设计了一套可插拔的Web客户端SDK，针对指定版本的CesiumJS API进行二次封装，将电力应用场景的常用功能（如线路场景可视化、标绘、量测等）封装成组件和接口，方便各个项目组快速实现系统的开发和复用。

5 总体设计

5.1 总体架构

基于云GIS的电网三维数字化平台五层架构图如图2所示，自下而上包括基础设施层、数据存储层、数据服务层、应用层和用户层。其中基础设施层包含了网络基础设施、服务器、存储设备和安全设备；数据存储层包含了文件数据库和关系数据库；数据服务层包含了基础地理数据服务、模型服务和REST服务；应用层提供了面向移动端和PC端系统的各种功能应用；用户层通过移动端和PC端实现应用接入，辅助用户进行B/S系统的可视化浏览和各种功能模块的交互操作（图2）。

图2 总体架构图

5.2 数据架构

5.2.1 基础地理数据

地理数据包括影像数据、地形数据，国界、省界等边界数据等。

5.2.2 输变电工程数据

主要包括电网模型数据，竣工设计成果数据等。电网模型数据包括线路模型、变电（换流）站模型等，竣工成果数据包括gim模型数据等。

线路工程模型数据包括杆塔、绝缘子串、塔基几大类，以单体模型的形式发布在数据服务器上，模型包括线路场景对象的三维几何信息、颜色信息、属性关联信息等。线路工程基本信息存在MySQL关系型数据库中。

变电（换流）站模型最终以金字塔切片的方式发布在数据服务器，以分层分块的方式进行数据组织，模型包含变电（换流）站场景的三维几何信息、颜色信息、属性关联信息、真实地理坐标信息等。变电站工程基本信息存在MySQL关系型数据库中。

5.3 技术架构

基于云GIS的电网三维数字化平台服务层设计主体采用Java开发，数据交互通过调用RESTful服务实现；数据处理层采用.net和C++混合开发，集成各类数据处理引擎，包括三维表面建模、实体布尔运算、BIM数据解析、模型优化处理等技术；展现层采用React、Vue开发方式实现，采用三维可视化轻量引擎；系统采用纯B/S架构三维可视化轻量引擎实现输变线路三维可视化，无需安装插件，可直接在网页和手机上渲染三维场景（图3）。

图3 系统技术架构图

6 结论

本文提出的基于云GIS的电网三维数字化平台研究旨在将电力专业数字化工程由C/S端迁移至B/S端，增加系统部署和信息共享的灵活性和便捷性。通过在数据处理端对模型进行轻量化处理，减少冗余的三角面片并提高了其余三角面片的复用性，同时优化渲染引擎加快了模型的在三维场景中的渲染速度，优化了可视化效果。同时利用云GIS平台对在线影像和地形数据调用的便捷性，通过叠加电网工程数据，实现电网工程的数字孪生，全面提升电网建设的数字化、可视化、智能化水平。