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摘 要：该文基于笔者多年从事GIS技术应用的相关工作经验，以三维GIS技术在电网规划设计中的应用为研究对象，设计实现了面向电网规划设计的三维GIS可视化系统，结合案例对系统功能进行了分解，详细分析了系统运行的作业流程，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。
关键词：三维GIS 电网规划设计 可视化系统 作业流程
中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（b）-0000-00
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，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。
1 系统架构
1.1 开发模式
输电线路三维可视化辅助设计系统的软件开发模式采用三级构架模式：支撑采用开放数据结构、采用工业标准的基础GIS软件；在此基础上，采用组件式二次开发专业作业平台；在专业作业平台之上，再开发各种高级应用。采用这种可很好地隔离高级和底层基础平台，减少开发的难度，提高系统对公用数据库和基础地理数据的利用率。但对于专业作业平台来说，却提出了很高的要求，它不仅和GIS专业知识有关，还需要输电线路勘测设计的相关专业知识和技术，对输电线路有个全面整体的了解。
1.2 软件体系结构
输电线路三维可视化辅助设计系统推荐采用自下而上的4层次型软件体系结构。这种体系结构综合考虑了现有的软硬件技术水平和系统需求的因素，充分体现了软件体系结构设计的系统性和可扩充性，是一套面向可视化输电线路设计的、具有高重用度的软件体系结构。
系统各层功能和设计考虑如下方面。
图1软件体系架构
（1）专业应用层。专业应用层构成了辅助设计系统与用户交互的界面，包括各种可视化的输电线路显示、查询、设计、数据管理、图表输出等功能。（2）模型对象层。主要功能是把多数据源的地理数据转化为单一的、综合的、基于数据模型的对象，从而有效地解决了GIS中多数据源多数据类型的问题。在模型对象层中，设置了代表三维场景中的地形、覆盖在地形上的矢量对象、立体建模的地物对象和输电线路上的电力器件对象。（3）数据层。在数据层中，采用文件系统加关系数据库来构成系统的基础数据库，由关系数据库来管理系统的属性数据，由文件系统来管理系统的空间数据。考虑到三维GIS中对空间数据查询、显示以及分析的特殊要求，需要对管理空间数据的文件系统采用多种形式的优化。（4）转换通信层。转换通信层包含数据转换和连接通信两个子层，通信子层的设立屏蔽了各种物理通信介质和网络通信协议的差别，为数据转换子层提供统一格式的数据；数据转换子层负责将不同分系统间的数据分类、转换、融合后上传到数据层；通信层实现与电力行业其它数据库的数据共享。
2 系统数据分析
2.1 基础地理数据
地球表面的自然地物和人文地物形状各异、错综复杂、关系密切，经过抽象简化，地球表面的地物可以用下面四大类数据来表达。（1）数字线划数据（DLG），（2）影像数据，（3）数字高程模型（DEM），（4）属性数据。
GIS数据可以由野外数据采集、地图数字化、摄影测量、遥感图像处理等多种方式获取，在构建本系统时应综合利用以上获取手段，依据所要解决问题的选择数据获取手段。对于输电线路核心区域可利航空影像经处理生成DEM及DOM等基础地理数据，对于规划走廊可购买相关区域高分辨遥感卫星影像经遥感软件处理获取三维GIS系统所需的基础地理数据。
2.2 专题数据
输电线路三维可视化辅助设计系统不仅要有输变电设备的坐标、高程信息，还应具有各设备的空间形状和各种属性信息。输变电数据包括电厂升压站、变电、输电设备的数据等。电厂升压站：电厂的名称、类型、用途、所在地，升压站构架的三维模型、经纬度坐标和高程；变电数据：变电站和开关站的名称、电压等级、性质、所在地及全景三维模型，构架经纬度坐标、高程、间隔名称和相序；输电设备：输电线路名称、编号、回路数、设计气象条件、污区等线路属性，所有输电杆塔的三维实体模型、具体塔位定位坐标、高程，绝缘子金具串三维实体和各种属性信息，导、地线类型、结构、安全系数和控制导、地线架线的各种属性信息。
3 系统功能用例设计
3.1 基本功能模块
输电线路三维可视化辅助设计系统的总体功能模块包括三维基本功能、归档信息查询、辅助设计功能、数据更新维护和权限安全管理等。
3.2 三维高级功能
（1）智能规划、选线通过建立矢量地理信息、设置障碍物缓冲半径，系统可自动优选出若干条线路路径，分析输电线路对耕地、村镇和厂矿影响，且在交互设计过程中对控制线路走向的不良地质、特殊地质等灾害性地质或重点设施等必须绕避的控制点发出警告信息等。（2）二、三维联动智能排塔定位。系统开发独立的排塔定位模块，要求系统可以在三维场景、二维平面和排塔定位模块等3个窗口上联动操作。（3）走廊范围内三维场景快速建模。排塔定位模块的平断面地物与三维场景相关联，即通过现场调绘和终勘定位后，线路走廊范围内的房屋、桥梁等可以作为矢量立方体直接读取到三维场景，以便进行空间测量。（4）相关电气计算及校验。电气计算及校验包括：“交叉跨越距离验算”、“杆塔中心位移”、“双联悬垂串长调整计算”、“双回路塔调整板计算”、“导线风偏对障碍物距离验算”、“耐张塔跳线计算”、“直线塔导线风偏计算”等。（5）三维金具组装设计与制图。在三维实体中对各种金具串进行组装、拆分等逼真模拟，可进行绝缘子串材料的耗量统计及金具零件查看、编辑功能，能完成材料统计、重量计算、尺寸计算、三维标注及任意角度显示及三维打印出图等项工作，同时也可以输出二维金具组装施工图；允许对金具组装数据库和图形文件的内容随时进行修改和补充，对金具部件的部分信息编辑等项工作。
5 结语
输电线路三维可视化辅助设计系统的研究方向和适用范围包括输电线路项目的设计资料检索、前期路径初选、可行性研究、初步设计，积极探索线路三维施工图设计和数字化移交的深度应用。实现真正意义上的线路三维施工图设计无成功先例和经验可循，具体实施时难度较大，存在一定的风险，该方案可分阶段实施，但在系统必须留有扩展能力，为后期实现全部功能创造条件；由于该系统的信息量大，而大部分基础测绘成果属于国家秘密，高精度的基础地理数据会不同程度地增加失、泄密风险，因此建议尽量避免集成平台中涉及涉密的基础地理数据，并加强基础地理数据的保密管理。
参考文献
[1] 刘宜灼.SkyLine支持下的电力选线三维系统的设计与实现[J].地理空间信息，2010（5）.
[2] 毛克，刘江龙，刘永强.Google Earth三维选线技术在高压送电线路中的应用[J].电力勘测设计，2010（4）.
关键词：三维GIS 电网规划设计 可视化系统 作业流程
中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（b）-0000-00
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，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。
1 系统架构
1.1 开发模式
输电线路三维可视化辅助设计系统的软件开发模式采用三级构架模式：支撑采用开放数据结构、采用工业标准的基础GIS软件；在此基础上，采用组件式二次开发专业作业平台；在专业作业平台之上，再开发各种高级应用。采用这种可很好地隔离高级和底层基础平台，减少开发的难度，提高系统对公用数据库和基础地理数据的利用率。但对于专业作业平台来说，却提出了很高的要求，它不仅和GIS专业知识有关，还需要输电线路勘测设计的相关专业知识和技术，对输电线路有个全面整体的了解。
1.2 软件体系结构
输电线路三维可视化辅助设计系统推荐采用自下而上的4层次型软件体系结构。这种体系结构综合考虑了现有的软硬件技术水平和系统需求的因素，充分体现了软件体系结构设计的系统性和可扩充性，是一套面向可视化输电线路设计的、具有高重用度的软件体系结构。
系统各层功能和设计考虑如下方面。
图1软件体系架构
（1）专业应用层。专业应用层构成了辅助设计系统与用户交互的界面，包括各种可视化的输电线路显示、查询、设计、数据管理、图表输出等功能。（2）模型对象层。主要功能是把多数据源的地理数据转化为单一的、综合的、基于数据模型的对象，从而有效地解决了GIS中多数据源多数据类型的问题。在模型对象层中，设置了代表三维场景中的地形、覆盖在地形上的矢量对象、立体建模的地物对象和输电线路上的电力器件对象。（3）数据层。在数据层中，采用文件系统加关系数据库来构成系统的基础数据库，由关系数据库来管理系统的属性数据，由文件系统来管理系统的空间数据。考虑到三维GIS中对空间数据查询、显示以及分析的特殊要求，需要对管理空间数据的文件系统采用多种形式的优化。（4）转换通信层。转换通信层包含数据转换和连接通信两个子层，通信子层的设立屏蔽了各种物理通信介质和网络通信协议的差别，为数据转换子层提供统一格式的数据；数据转换子层负责将不同分系统间的数据分类、转换、融合后上传到数据层；通信层实现与电力行业其它数据库的数据共享。
2 系统数据分析
2.1 基础地理数据
地球表面的自然地物和人文地物形状各异、错综复杂、关系密切，经过抽象简化，地球表面的地物可以用下面四大类数据来表达。（1）数字线划数据（DLG），（2）影像数据，（3）数字高程模型（DEM），（4）属性数据。
GIS数据可以由野外数据采集、地图数字化、摄影测量、遥感图像处理等多种方式获取，在构建本系统时应综合利用以上获取手段，依据所要解决问题的选择数据获取手段。对于输电线路核心区域可利航空影像经处理生成DEM及DOM等基础地理数据，对于规划走廊可购买相关区域高分辨遥感卫星影像经遥感软件处理获取三维GIS系统所需的基础地理数据。
2.2 专题数据
输电线路三维可视化辅助设计系统不仅要有输变电设备的坐标、高程信息，还应具有各设备的空间形状和各种属性信息。输变电数据包括电厂升压站、变电、输电设备的数据等。电厂升压站：电厂的名称、类型、用途、所在地，升压站构架的三维模型、经纬度坐标和高程；变电数据：变电站和开关站的名称、电压等级、性质、所在地及全景三维模型，构架经纬度坐标、高程、间隔名称和相序；输电设备：输电线路名称、编号、回路数、设计气象条件、污区等线路属性，所有输电杆塔的三维实体模型、具体塔位定位坐标、高程，绝缘子金具串三维实体和各种属性信息，导、地线类型、结构、安全系数和控制导、地线架线的各种属性信息。
3 系统功能用例设计
3.1 基本功能模块
输电线路三维可视化辅助设计系统的总体功能模块包括三维基本功能、归档信息查询、辅助设计功能、数据更新维护和权限安全管理等。
3.2 三维高级功能
（1）智能规划、选线通过建立矢量地理信息、设置障碍物缓冲半径，系统可自动优选出若干条线路路径，分析输电线路对耕地、村镇和厂矿影响，且在交互设计过程中对控制线路走向的不良地质、特殊地质等灾害性地质或重点设施等必须绕避的控制点发出警告信息等。（2）二、三维联动智能排塔定位。系统开发独立的排塔定位模块，要求系统可以在三维场景、二维平面和排塔定位模块等3个窗口上联动操作。（3）走廊范围内三维场景快速建模。排塔定位模块的平断面地物与三维场景相关联，即通过现场调绘和终勘定位后，线路走廊范围内的房屋、桥梁等可以作为矢量立方体直接读取到三维场景，以便进行空间测量。（4）相关电气计算及校验。电气计算及校验包括：“交叉跨越距离验算”、“杆塔中心位移”、“双联悬垂串长调整计算”、“双回路塔调整板计算”、“导线风偏对障碍物距离验算”、“耐张塔跳线计算”、“直线塔导线风偏计算”等。（5）三维金具组装设计与制图。在三维实体中对各种金具串进行组装、拆分等逼真模拟，可进行绝缘子串材料的耗量统计及金具零件查看、编辑功能，能完成材料统计、重量计算、尺寸计算、三维标注及任意角度显示及三维打印出图等项工作，同时也可以输出二维金具组装施工图；允许对金具组装数据库和图形文件的内容随时进行修改和补充，对金具部件的部分信息编辑等项工作。
5 结语
输电线路三维可视化辅助设计系统的研究方向和适用范围包括输电线路项目的设计资料检索、前期路径初选、可行性研究、初步设计，积极探索线路三维施工图设计和数字化移交的深度应用。实现真正意义上的线路三维施工图设计无成功先例和经验可循，具体实施时难度较大，存在一定的风险，该方案可分阶段实施，但在系统必须留有扩展能力，为后期实现全部功能创造条件；由于该系统的信息量大，而大部分基础测绘成果属于国家秘密，高精度的基础地理数据会不同程度地增加失、泄密风险，因此建议尽量避免集成平台中涉及涉密的基础地理数据，并加强基础地理数据的保密管理。
参考文献
[1] 刘宜灼.SkyLine支持下的电力选线三维系统的设计与实现[J].地理空间信息，2010（5）.
[2] 毛克，刘江龙，刘永强.Google Earth三维选线技术在高压送电线路中的应用[J].电力勘测设计，2010（4）.