基于3维地理信息系统的输电线路管理系统

1、基于3维地理信息系统的输电线路管理系统    针对输电线路管理的特点和需求，以3维地理信息系统（GIS）作为基础平台，引入了作为设计依据的软件体系结构的概念，提出并实现了一个面向电力系统输电领域的交互式可视化管理系统。该系统在3维真实感场景下实现了输电线路的3维显示、查询和分析，在一定程度上为输电线路的设计、施工、运行和维护提供了一体化的支持，同时也建立了一套在该领域内具有高重用性的系统软件体系结构。    1  引言     随着电网电压等级的提高和规模的扩大，电网商业化运

2、营的逐步实施，对输电线路的建设和维护都提出了新的要求。如何有效地降低输电线路的建设和维护费用，提高自动化信息化的水平，日益受到重视。     在新的环境下，电力线路必须要求交互性可视化的信息管理。传统的主要依赖于手工的管理方式已经不能适应这一要求，而现有的基于2维地理信息系统（GIS）的输电线路管理系统又因不能提供足够真实的可视化场景、完善的人机交互和缺乏一些重要的分析功能而难以应用和推广，同样显得不大适用。     然而，3维GIS技术的蓬勃发展，在大规模地形显示、空间数据管理和空间数据分析等方面都取得了突破性的进展，因而为研究新一

3、代交互式、可视化的输电线路管理系统提供了条件。     本文根据新形势下输电线路管理系统的特点和需求，以3维GIS为基础信息平台，提出并实现了一3维场景下的交互式输电线路管理系统（Transmission Lines Management System Based on Three-dimention Geographic Information System， 3DGIS-TLMS），同时也构建了一套面向输电线路管理的高重用性软件体系结构。 2  输电线路管理的特点及需求     输电线路是电网设施的重要组成部分，其设计、

4、施工、运行和维护需要耗费大量的人力物力。因此，输电线路管理的有效性和经济性直接影响到电网的运营成本和运行效率。而设计高质量的输电线路管理系统必须以充分了解输电线路建设运行的特点和明晰输电线路管理的需求为基础。     总的来说，输电线路，特别是高压输电线路通常具有十分明显的地理特征，例如输电线路的走向、跨度、变电所的位置、线路经过地区的地形和跨越等情况，以及线路经过地区的气候条件。这种与地理要素密切相关的特点，使得线路定期巡检的工作十分繁重，也使得管理信息来源分散、种类繁多、处理的精度要求较高。     鉴于此，输电线路管理的必然需求

5、1是： 能有效地管理各种空间信息（如山脉、道路、水域、建筑物、架空线路和通信线路等），以便了解输电线路和线路上各种设备的环境特征； 能方便地查看输电线路的各种视图（如线路断面图、单线图、杆塔定位图和线路设备实物图等）； 能快捷地查询输电线路和线路设备的数据资料（如线路的电压等级、输送容量、连接方式、路径长度、导地线型号以及杆塔和基础的型号、数量、位置及其材料表等）； 能以地形地物数据为基础，结合气象等其他数据提高输电线路建设和维护的自动化信息化水平； 能根据地理环境数据为输电线路维护、故障诊断和定位等提供决策信息。     由上可见，基于静态的非交互方式的2维GI

6、S显然是不能满足要求了，因而3维GIS就应运而生。借助于数字高程模型（DEM），3维GIS可以创建一个可视化的真实场景，从而为用户提供了能够直观理解空间数据间相互关系的条件。文献2在基于DEM的3维可视化的基础上进一步提出了3维动态交互式可视化模型，为交互式的3维GIS建立了一可操作的程序框架。 3  3维交互式地理信息系统技术 3.1  3维GIS的基本特点     与2维GIS相比，3维GIS用X、Y、Z来表述空间对象，对客观世界的描述能给人以更真实的感觉，它以立体造型技术来展现地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表

7、达它们之间的垂直关系，还能对空间对象进行其特有的3维空间分析和操作功能3。而与计算机辅助设计（CAD）及各种科学计算可视化软件相比，它具有独特的管理复杂空间对象的能力及空间分析的能力。3维空间数据库是3维GIS独特功能的基础，也是3维GIS的核心。     3维GIS的理论研究和系统建设工作与2维GIS相比也更加复杂。 3.2  3维GIS的基本功能     3维GIS除了具备2维GIS的传统功能以外,还具有如下独有功能3：     （1）包容1维、2维对象。将传统的2维GIS中的1维、2维对象

8、置于3维立体空间中，存贮它们的真实几何位置与空间拓扑关系，以表现这些对象在垂直方向上的变化和与其他对象之间的拓扑关系。     （2）可视化2.5维、3维对象。对2.5维和3维对象进行可视化表现是3维GIS的基本功能，因此无论在对象的建立、编辑、修改、存储的过程中，还是在对它们进行空间操作或输出分析结果时，系统都提供可视化的支持，从而创建真正的基于问题域的交互式可视化场景。     （3）3维空间数据库管理。3维GIS的核心是3维空间数据库。3维空间数据库对空间对象的存储与管理使得3维GIS既不同于CAD、商用数据库和科学计算可视化，

9、也不同于传统的2维GIS。它可由扩展的关系数据库系统或由面向对象的空间数据库系统来存储和管理3维空间对象。     （4）3维空间分析。在2维GIS中，空间分析是GIS区别于CAD和科学计算可视化的特有功能。在3维GIS中也同样如此。空间分析3维化，也就是直接在3维空间中进行空间操作与分析，使3维GIS明显地不同于2维GIS，同时在功能上也更加强大。     （5）能及时得益于现代数据获取方法的进展和大数据量处理技术的发展。考虑到地学数据获取技术和计算机软硬件技术的快速发展，3维GIS应该留有扩展接口，具有及时吸收外部先进技术的功能。

10、 3.3  3维动态交互式可视化模型     基于数字高程模型（DEM）的3维可视化有助于用户对空间数据相互关系的直观理解，但仅把3维可视化模型作为信息表示的一种输出媒体是远不够的。对于各种各样的GIS用户来说，往往需要直接将其作为可交互查询的媒体，即GIS中的3维模型不仅能可视化，还要能交互操作。基于这样的3维模型，便能提供一个动态的环境，用以在相应空间氛围里逼真地创建和显示复杂物体，并为进一步的空间决策服务（见图1），如环境仿真、设施管理、洪水淹没等复杂的模型分析和辅助决策更需3维可交互动态模型的支持2。 4  3DGIS-TLMS软件体系

11、结构 4.1  建立3DGIS-TLMS软件体系结构的必要性     所谓软件体系结构，在文献4中把它定义为4个部分的结合体。这4部分是：         （1）一系列用于构造系统的元素；     （2）这些元素之间的交互；     （3）指导这些元素交互的准则；     （4）对指导准则的约束。        通过规范化各种软

12、件元素和这些元素之间的交互关系，软件体系结构提供了一个系统概念框架，并以此为依据指导复杂软件的设计和开发。尤其在一些特定的领域中，设计良好的软件体系结构可以极大提高该领域内软件开发的质量和效率。     从本质上说，软件体系结构是软件重用的一种高级形式。与面向对象的源码级重用和组件对象模型的二进制级重用不同，软件体系结构是从更抽象的角度实现了系统框架级的重用，从而提高了软件重用的层次和程度。     3DGIS-TLMS是针对输电线路管理的特点和需求开发，建立于3维GIS平台上的软件系统。根据第2节所提的软件需求和第3节中建立3维交互

13、式可视化场景的要求，3DGIS-TLMS必须为输电线路设计、施工、运行和维护提供一体化3维交互式可视化服务，它将涉及3维表面建模、3维可视化、3维模型交互式操作、3维空间数据库、3维空间分析等一系列3维支撑技术。为了系统能够具有相当的领域通用性和不断适应电力输电技术发展的能力，3DGIS-TLMS的设计还应该具有良好的扩充性和可重用性，以利于推广应用和降低维护成本。3DGIS-TLMS的这些特点为该系统构建设计良好的软件体系结构具有重要意义。 4.2  3DGIS-TLMS软件体系结构的设计     针对3DGIS-TLMS设计复杂和领域通用性要求高的特

14、点，笔者提出了3DGIS-TLMS的4层体系结构，如图2所示。           3DGIS-TLMS的4层体系结构是一种自下而上的层次型软件体系结构。它是综合考虑了现有的软硬件技术水平和系统需求的因素，对传统的层次型体系结构进行改进的结果。3DGIS-TLMS 4层体系结构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管理的、具有高重用度的软件体系结构。     层次型软件体系结构5（如图3）将一些软件层作为系统的构造元素，每个软件层都服

15、务于上一个软件层，同时又作为下一个软件层的客户。层次型的拓扑关系限制了层与层之间的交互只能局限在相邻层之间。           采用层次型软件体系结构构建系统，是因为对于3DGIS-TLMS而言它具有一系列的良好特性。     1）将系统划分成若干独立的软件层，简化了原问题，也降低了设计的难度。在3DGIS-TLMS中，系统数据的预处理、存储和分析以及数据对象的显示交互具有明显的层次关系，如果混杂在一起则会加重设计的负担，也不利于软件的开发和调试。  &

16、#160;  2）层次型体系层与层之间完全透明，各层软件的实现可以根据现场实际需求和软硬件设施变化而单独变化，适应了输电线路管理系统的变化和3维GIS易于引入新技术的要求。     3）两个软件层之间是完全通过接口来交互，因而只要提供相同的接口就可以互换不同的软件层，这就为定义一些标准接口提供了可能。而标准接口可以大幅度提高软件的开放性、互操作性和可重用性。在3DGIS-TLMS中，笔者为交互式操作、模型提取、空间数据获取和转换、数据通信等规范的操作都开发了一组标准接口。这些接口的定义将会给系统以后升级和维护带来方便。    

17、; 层次型软件体系具有相当多的优点，但是，传统的2层结构（客户/服务器体系）和3层结构（应用层/事务逻辑层/数据库层）并不符合3DGIS-TLMS要求。传统2层体系结构和3层体系结构的设计要点更多地集中在管理信息系统中的事务逻辑处理，而3DGIS-TLMS则关注如何能够方便有效地管理场景中的各种对象，如何无缝集成来自多个数据源多种类型的数据，如何解决网络化环境下数据共享等问题。     因此，笔者在传统的2层结构中加入了模型对象层和连接通信层，从而构成了如图2所示的4层软件体系结构。     3DGIS-TLMS 4层体系结构的各层功

18、能和设计考虑：     1）客户应用层。客户应用层构成了3DGIS-TLMS与用户交互的界面，包括各种可视化的显示、查询、分析，输电线路的设计，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。另外，由于把各类地理数据及其操作都封装到对象内部，保证了模型对象自身的内聚性和模型对象之间的弱耦合性，这就方便了新数据源、新数据类型模型对象的加入。在模型对象层中，设置了3维地形对象、矢量形式的地物对象、体模型形式的地物对

19、象和电力元件对象，分别代表3维场景中的地形，覆盖在地形上的矢量对象（如公路、地区边界、河流等），立体建模的地物对象（如主要的居民地、重要的河流、输电线路上主要的跨越和标注等）和输电线路上的电力元件对象（如输电线、避雷线、杆塔和绝缘子等）。     需要说明的是，在数据层之上采用模型对象层是在目前技术经济条件下选用的折衷手段。数据对象层的加入虽然简化了编程逻辑，使得应用程序独立于各种分散的数据源和各种数据类型，但却在一定程度上降低了系统的运行效率，影响了系统的响应速度。     3）数据层。在数据层中，采用文件系统加关系数据库（RDB）

20、来构成系统的基础数据库。在文件加关系数据库形式的数据层中，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3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。因限于篇幅，本文不作展开。     4）连接通信层。软件系统向应用联合化、网络化方向发展已经成为必然趋势。GIS软件也不例外，连接通信层就是为了适应这种需求而设计的。连接通信层包含数据转换和连接通信两个子层。连接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

21、据。数据转换子层负责将各种数据分类、融合后上传到数据层。连接通信层实现了与其他GIS、电力行业其他数据库的数据共享，可以方便地输入和输出常见CAD软件、造型软件和图像软件的数据或模型。 5  3DGIS-TLMS的功能 5.1  2维3维联合的显示、查询和分析功能     作为一个基于3维GIS的交互式可视化输电线路管理系统，笔者希望能够在3维可视化场景下借助3维GIS的强大空间检索和分析功能为输电线路的设计、施工、运行和维护提供一体化的支持。系统的总体功能如图4所示。     由于2维操作具有无极放大、选择唯一和

22、定位准确等特点，在系统中采用2维和3维联合操作的方式，使得显示、查询、分析可以在两种视图之间来回切换，在不影响用户操作方便性的基础上体现了3维可视化效果。           目前的显示功能包括整个3维场景（由地形、河流、湖泊、公路、地区界、居民区、输电线路及其设备、线路跨越、标注等组成）的浏览、定位、缩放、飞行（绕点飞行和沿指定线路飞行），以及2维地图上的无极缩放、定位、分层浏览等。     查询功能包括输电线路上杆塔、线路及其相关设备和输电线路本身的属性信息（包

23、括线路的电压等级、输送容量、连接方式、起讫点、回路数、路径长度、导地线型号、跨越情况）、杆塔和连接绝缘子属性信息、实物图像、基础形式、检修线路的上山路径信息等。     分析功能包括3维场景中两个点间的透视性，洪水淹没的仿真分析，指定线路的剖面分析、断面分析，斜坡的坡度分析，指定区域的面积、体积计算等。 5.2  线路设计功能     依靠3维GIS可视化场景，辅以一定的气象数据，可为输电线路的仿真设计提供良好的环境。但是由于输电线路设计涉及的知识面相当宽，又需要丰富的工程实际经验，因而系统目前提供的设计功能还只能是帮助设计

24、人员收集数据和查看设计可视化效果，还不能实现输电线路设计的自动化。     目前为输电线路设计提供的功能有线路横断面图、剖面图的自动生成，在指定位置架设杆塔后自动生成与相邻杆塔的输电线，修改输电线路路径，提供简单的杆塔、线路型号数据库等。 5.3  数据管理功能     GIS的普遍特点是数据来源复杂，数据类型繁多，数据量庞大。这些特征在3维GIS中尤为明显。因此强大的数据管理是系统不可或缺的功能。数据管理功能有：     （1）与其他数据库实现数据共享；    

25、（2）能够导入其他CAD软件、造型软件和图像软件生成的数据文件及模型文件；     （3）解决多坐标系下的数据统一问题；     （4）在可能的情况下，能够对已有的数据进行校正，以保证整个系统不因少量的劣质数据而影响整体的精度。 5.4  图表输出功能     在输电线路管理系统中，具有相当多的图表输出功能。图表输出功能是完成这些数据的输出和打印任务的。这些数据包括3维场景的正视图、正视渲染图，任一视点的当前视图，线路和线路设备的属性表，线路设计和施工中的有关技术资料，线路维护和检修的技术记录，以及各种查询分析的结果输出等。 6  结束语     随着计算机技术的不断进步，交互式可视化应用软件开始受到各行各业的重视。本文针对输电线路管理的特点和需求，把软件体系结构的概念引入GIS软件，提出并实现了一个面向电力系统输电领域