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摘 要：将GIS引入配电管理系统（DMS），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，该文以基于三维GIS的电网仿真技术为研究对象，该文首先分析了当前3D-GIS技术在电力系统中的应用特点及难点，进而进行了体系架构并给出了功能实现效果，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。
关键词：电网 三维GIS 仿真 体系结构
中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（c）-0051-02
随着计算机技术的飞速发展，地理信息系统（GeographicInformationSystem，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。
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，通过这些技术能够构造更接近于现实的三维地表模型和各类三维对象模型，使得GIS系统从二维向三维发展。该文通过运用三维视景仿真技术，结合面向对象设计方法，提出了一种构建二维GIS与视景仿真技术相结合的方法并研究其在电网GIS中的应用前景。
鉴于二维GIS在空间表现和分析能力上的局限性，该文提出基于3D-GIS的实现思路，针对3D-GIS在电力系统中的应用特点和难点，该文给出了3D-GIS的体系结构设计和功能实现。
1 3D-GIS技术在电力系统中的应用特点及难点
从二维地图、沙盘、动画，到虚拟视景仿真是一个合乎人们认识深化和技术发展趋势的必然结果。二维GIS经过30多年的发展，理论和技术日趋成熟，应用已深入到测绘、土地、环境、电力、交通等诸多领域，在对地理信息的分析功能上有着无可比拟的优势。一些宏观的地理信息，一维的地理信息如河流、公路等；二维的地理信息如植被、湖泊等，在对这些地理信息的分析和处理上，比较适合采用二维GIS系统进行处理和分析。三维GIS系统是近几年才发展起来的地理信息系统技术，它的最大优点是可以真实地再现现实环境中的地理信息，如地形、地貌等。利用三维GIS技术可以实现具有真实感的三维模型生成功能以及实时漫游功能等，还具有特有的三维空间分析功能。
相对于二维GIS系统，三维技术在电网GIS中的实现过程有着明显的特点及难点，主要表现在以下几个方面：
（1）三维虚拟地形环境是构成三维地理信息系统的基础和框架，首先需要解决建立场景所需要的海量地形数据的存储问题。如在输电线路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，不可能将全部数据一次性地载入主内存甚至是虚拟内存，因此如果没有较好的数据模型和管理策略，系统就难以达到预定的显示效果，更谈不上良好的交互式界面。（2）在目前的二维GIS配电网管理系统中，一般用点状或线状等抽象符号表达电力设备，无法直观地显示设备本身的结构和相互间的关联性；而在三维GIS系统中，模拟真实的电力设备（如变压器、杆塔、绝缘子、输电线）是虚拟现实的基本要求，这使得模型变得比较复杂，甚至要进行组合构造。因此，选用合理的建模方式和组织方法来处理电力设备也是实现三维GIS系统的一个重点。（3）当前三维GIS还存在技术上的限制，如在三维数据获取、大数据量处理与存储、三维可视化、三维空间分析方面还不能以较好地性价比满足大规模商业应用的需要。如果完全采用三维GIS，势必将花费高昂的系统建设费用，在二维GIS能够满足需要的情况下，用户没有必要去一味追求高性能。
从前面关于三维GIS的特点、功能，结合在电力系统实施中面临的机遇与困难，笔者认为当前三维GIS研发应以开发二维为主、三维为辅的混合型GIS为主要目标，不宜开发单纯的三维GIS。
2 基于二维GIS与视景仿真技术的应用体系结构
2.1 电网GIS中3D-GIS的体系结构设计
针对三维GIS的技术特点和线路管理的基本需求，在参考了其它一些商业GIS软件和电网管理应用系统的基础上，提出了该系统的三层体系结构，如图1所示。
由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、地表特征物模型及电力设备模型等）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，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。采用这种体系结构，不但可以很好地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。
2.2 二维、三维结合的GIS系统实现的功能及其特点
二维、三维结合的GIS系统使用户可以在三维的空间中认识和管理线路，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程信息的查询和管理功能成为可能，可实现如下主要功能：
（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）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、变压器等设备的管理和维护。（3）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。（4）通过模拟淹没，可查询洪水灾害对电力设备的影响。（5）能选出最佳抢修路线，以便尽快恢复供电。（6）建立三维的污区分布图，准确确定自然污秽对架空线和变电站电瓷外绝缘强度的影响程度。（7）通过飞行或漫游，可制定直升机巡线的飞行路线及重点巡视点。
3 系统功能实现
对于三维模型可视化及用户交互界面开发，笔者选择Java语言，该语言具有良好的跨平台特性，而且几乎不用做更多的工作就可以移植到目前主流的基于WEB的应用。这些特性将使基于Java开发的三维GIS具备了广泛使用的基础；同时Java自身也提供了支持三维图形开发的应用编程接口Java3D，在三维可视化引擎方面支持目前流行的OpenGL和Direct3D技术，便于三维GIS应用开发。存储二维空间数据和三维对象属性数据采用支持空间数据管理功能的Oracle大型关系型数据库。
三维模型显示和三维场景中的漫游、缩放、旋转及飞行等功能程序设计流程如图2所示。
由于二维GIS直接采用CAD的平面数据，容易获得平面上某一点的GIS坐标，通过该点的GIS坐标找到三维视景的视点位置，就可以建立相应的三维视景。在该实例中当用户需要查询某区域三维虚拟场景时，可点击“GIS管理”中的“三维视景仿真”，在界面中就会出现该区域的视景仿真界面，在三维场景中可进行漫游、缩放、旋转及飞行等操作。
4 结语
该文初步讨论了二维GIS和三维视景仿真技术的结合及其在电网管理中的应用，两者的有机结合使系统具有二维电子地图的宏观性、整体性、简洁性和三维虚拟场景的局部性、真实性的优点；同时又克服了二维电子地图的三维信息缺乏和三维虚拟场景漫游的方向迷失感，真正做到了两者的优势互补。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。现实生活是一个充满三维物体的世界，只有基于三维的GIS系统才能让人们更加直观、形象地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。
参考文献
[1] 李晓骏，邱家驹.基于三维GIS技术的输电线路地理信息系统的设计与实现[J].电力系统及其自动化学报，2003，15（1）：5-9.
[2] 牛兵，陈谊.二维GIS与三维视景仿真技术的结合及其在视景仿真中的应用[J].北京工商大学学报，2005，23（2）：56-59.
关键词：电网 三维GIS 仿真 体系结构
中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（c）-0051-02
随着计算机技术的飞速发展，地理信息系统（GeographicInformationSystem，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。
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，通过这些技术能够构造更接近于现实的三维地表模型和各类三维对象模型，使得GIS系统从二维向三维发展。该文通过运用三维视景仿真技术，结合面向对象设计方法，提出了一种构建二维GIS与视景仿真技术相结合的方法并研究其在电网GIS中的应用前景。
鉴于二维GIS在空间表现和分析能力上的局限性，该文提出基于3D-GIS的实现思路，针对3D-GIS在电力系统中的应用特点和难点，该文给出了3D-GIS的体系结构设计和功能实现。
1 3D-GIS技术在电力系统中的应用特点及难点
从二维地图、沙盘、动画，到虚拟视景仿真是一个合乎人们认识深化和技术发展趋势的必然结果。二维GIS经过30多年的发展，理论和技术日趋成熟，应用已深入到测绘、土地、环境、电力、交通等诸多领域，在对地理信息的分析功能上有着无可比拟的优势。一些宏观的地理信息，一维的地理信息如河流、公路等；二维的地理信息如植被、湖泊等，在对这些地理信息的分析和处理上，比较适合采用二维GIS系统进行处理和分析。三维GIS系统是近几年才发展起来的地理信息系统技术，它的最大优点是可以真实地再现现实环境中的地理信息，如地形、地貌等。利用三维GIS技术可以实现具有真实感的三维模型生成功能以及实时漫游功能等，还具有特有的三维空间分析功能。
相对于二维GIS系统，三维技术在电网GIS中的实现过程有着明显的特点及难点，主要表现在以下几个方面：
（1）三维虚拟地形环境是构成三维地理信息系统的基础和框架，首先需要解决建立场景所需要的海量地形数据的存储问题。如在输电线路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，不可能将全部数据一次性地载入主内存甚至是虚拟内存，因此如果没有较好的数据模型和管理策略，系统就难以达到预定的显示效果，更谈不上良好的交互式界面。（2）在目前的二维GIS配电网管理系统中，一般用点状或线状等抽象符号表达电力设备，无法直观地显示设备本身的结构和相互间的关联性；而在三维GIS系统中，模拟真实的电力设备（如变压器、杆塔、绝缘子、输电线）是虚拟现实的基本要求，这使得模型变得比较复杂，甚至要进行组合构造。因此，选用合理的建模方式和组织方法来处理电力设备也是实现三维GIS系统的一个重点。（3）当前三维GIS还存在技术上的限制，如在三维数据获取、大数据量处理与存储、三维可视化、三维空间分析方面还不能以较好地性价比满足大规模商业应用的需要。如果完全采用三维GIS，势必将花费高昂的系统建设费用，在二维GIS能够满足需要的情况下，用户没有必要去一味追求高性能。
从前面关于三维GIS的特点、功能，结合在电力系统实施中面临的机遇与困难，笔者认为当前三维GIS研发应以开发二维为主、三维为辅的混合型GIS为主要目标，不宜开发单纯的三维GIS。
2 基于二维GIS与视景仿真技术的应用体系结构
2.1 电网GIS中3D-GIS的体系结构设计
针对三维GIS的技术特点和线路管理的基本需求，在参考了其它一些商业GIS软件和电网管理应用系统的基础上，提出了该系统的三层体系结构，如图1所示。
由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、地表特征物模型及电力设备模型等）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，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。采用这种体系结构，不但可以很好地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。
2.2 二维、三维结合的GIS系统实现的功能及其特点
二维、三维结合的GIS系统使用户可以在三维的空间中认识和管理线路，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程信息的查询和管理功能成为可能，可实现如下主要功能：
（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）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、变压器等设备的管理和维护。（3）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。（4）通过模拟淹没，可查询洪水灾害对电力设备的影响。（5）能选出最佳抢修路线，以便尽快恢复供电。（6）建立三维的污区分布图，准确确定自然污秽对架空线和变电站电瓷外绝缘强度的影响程度。（7）通过飞行或漫游，可制定直升机巡线的飞行路线及重点巡视点。
3 系统功能实现
对于三维模型可视化及用户交互界面开发，笔者选择Java语言，该语言具有良好的跨平台特性，而且几乎不用做更多的工作就可以移植到目前主流的基于WEB的应用。这些特性将使基于Java开发的三维GIS具备了广泛使用的基础；同时Java自身也提供了支持三维图形开发的应用编程接口Java3D，在三维可视化引擎方面支持目前流行的OpenGL和Direct3D技术，便于三维GIS应用开发。存储二维空间数据和三维对象属性数据采用支持空间数据管理功能的Oracle大型关系型数据库。
三维模型显示和三维场景中的漫游、缩放、旋转及飞行等功能程序设计流程如图2所示。
由于二维GIS直接采用CAD的平面数据，容易获得平面上某一点的GIS坐标，通过该点的GIS坐标找到三维视景的视点位置，就可以建立相应的三维视景。在该实例中当用户需要查询某区域三维虚拟场景时，可点击“GIS管理”中的“三维视景仿真”，在界面中就会出现该区域的视景仿真界面，在三维场景中可进行漫游、缩放、旋转及飞行等操作。
4 结语
该文初步讨论了二维GIS和三维视景仿真技术的结合及其在电网管理中的应用，两者的有机结合使系统具有二维电子地图的宏观性、整体性、简洁性和三维虚拟场景的局部性、真实性的优点；同时又克服了二维电子地图的三维信息缺乏和三维虚拟场景漫游的方向迷失感，真正做到了两者的优势互补。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。现实生活是一个充满三维物体的世界，只有基于三维的GIS系统才能让人们更加直观、形象地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。
参考文献
[1] 李晓骏，邱家驹.基于三维GIS技术的输电线路地理信息系统的设计与实现[J].电力系统及其自动化学报，2003，15（1）：5-9.
[2] 牛兵，陈谊.二维GIS与三维视景仿真技术的结合及其在视景仿真中的应用[J].北京工商大学学报，2005，23（2）：56-59.