基于GIS的输电线路三维辅助设计系统研究与实现

基于GIS的输电线路三维辅助设计系统研究与实现

单建春

（国网临汾供电公司山西临汾041000）

摘要：将三维可视化GIS用于电力信息系统是经济社会发展的需要。该文探讨了数据组织与空间索引方法、多源数据的集成与管理等几种电力信息系统中三维GIS关键技术，在此基础上，论文初步探讨了三维输电线路GIS系统的构建方法，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：电力信息系统；三维GIS；关键技术

1数据组织与空间索引方法

1.1数字地面模型DTM

输电线路是位于地理空间中的人工建筑物，线路距离长，通过地区地理条件复杂，有平地、丘陵、沼泽、森林、田地、公路、铁路、河流、湖泊等。它与众多电力线路、通讯线路交叉跨越，还常常通过居民地、公园、风景名胜保护区。因此其架线构网的基础是三维地形的构建。电力线的架设需要在大比例尺的地形上设计，而所要处理的大比例尺高精度地形数据又十分复杂，故可采用灵活的不规则三角网TIN结构这种常用的方式来形成数字地面模型（DTM）。数字地形模型（DigitalTerrainMode，简称DTM），是在空间数据库中存储并管理的空间地形数据集合的统称，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。地形表面形态的属性信息一般包括高程、坡度、坡向等。它是建立不同层次的资源与环境信息系统不可缺少的组成部分。在信息系统分析和评价空间信息并以此为依据进行规划和决策时，十分注重地表属性的三维特征，诸如高度、坡度、坡向等重要的地貌要素，并使这些要素成为地学分析和生产应用中的基础数据。

1.2不规则三角网TIN

不规则三角网（TIN）是数字地面模型DTM表现形式之一，该法利用实测地形碎部点、特征点进行三角构网。基于不规则三角形建模是直接利用野外实测的地形特征点（离散点）构造出邻接的三角形，组成不规则三角网结构。采用TIN结构，可以灵活、逼真、快速地建立具有任意边界形状的目标模型，这对于空间查询和分析结果的三维表示极为重要。相对于规则格网，不规则三角网具有以下优点。

（1）三角网中点和线的分布密度和结构完全可以与地表的特征相协调，直接利用原始资料作为网格结点。（2）不改变原始数据和精度。（3）能够插入地形线以保存原有关键地形特征。（4）能很好地适应复杂、不规则地形，从而将地表的特征表现得淋漓尽致。

但是数据量大、图形结构复杂是采用TIN的最大困难所在，尤其是在线路较长的情况下数量更加巨大，问题更加突出，其有效的数据组织与管理自然就成了一个关键问题。从离散的大地点到DTM的生成，关键技术在于内插方式的选择。使用内插方式的主要问题在于难以选择合适的邻域点集合以及权重的定义，特别是对于很破碎的地形情况，很容易产生地形失真。相比之下，TIN由于可以适应各种数据分布，并能方便地处理断裂线、构造线、不连续的地表等数据，故很容易顾及地形特征进而能生成质量较高的DEM而备受人们的青睐。

为了提高不规则三角网的查寻速度，采用了分块索引、分层的边界框和R-trees技术用来支持快速的索引和搜索。分块大小的确定在很大程度上也会影响数据检索的效率。为了恰当确定分块大小，一般要计算三角形的平均边长，并考虑整个区域的大小。

2多源数据的集成与管理

2.1多源数据的形成

利用三维可视化GIS来规划设计和管理输电配电网要涉及多种不同类型、来源的数据。首先是构成三维景观的基本地形数据：数字高程模型数据DEM，矢量图形数据DLG；其次是表现景观的影像数据DOM；另外是多种地物信息和属性信息，如电力线、杆塔模型、绝缘子、电站、编码、颜色、材质、纹理、描述性文本资料，同时还有图片、声音和录像等多媒体数据。这些数据的格式也各不相同：不同格式的DEM数据是一系列高程信息，地表景观需要大量的遥感或航空影像数据，输电线路、街道是三维线状数据，房屋建筑为体状地物；还有来自不同软件制作的模型数据：如由AutoCAD得到的DXF二维矢量地物，由3DMAX得到的3DS模型数据等。数据库中除了管理大比例尺地形和高分别率影像数据外，三维建筑物、电力线及杆塔形状的重建和绘制、表面性质的描述和材质参数都已成为数据库的一部分。一个成熟的3D数据库包括几何关系数据、照片纹理和其他附加信息数据，加起来将达到几千亿个字节的数据。如果系统中的杆塔模型是通过3DMAX建立的3DS模型，一条线路上成千上百个模型的数据加上长大线路的影像数据常常会达到几十甚至上百个GB。如此复杂、庞大的海量数据必须进行有效的组织和管理。

2.2多源数据的管理

在三维电力GIS中对于数据的管理是一个关键性问题。不同类型的数据在数据结构和操作上都存在很大的不同，因此必须提供不同类型数据的一体化管理。对不同介质、不同来源的数据进行存储、管理、分析是实现三维可视化GIS融入到电力信息系统的必备功能之一。

（1）空间数据库引擎SDE。把GIS数据放在RDBMS中，但是一般的RDBMS都没有提供GIS的数据类型（如点、线、多边形以及它们之间的拓扑关系和投影坐标等相关信息），RDBMS只提供了少量的数据类型支持：int、float、double、long、char等，一般都是数字、字符串和二进制数据几种。并且RDBMS不仅没有提供对GIS数据类型的存储，也没有提供对这些基础类型的操作（如：判断包含关系，相邻、相交、求差、距离、最短路径等）。ESRI公司推出的空间数据库引擎（SpatialDatabaseEngine，简称SDE）是目前国际上领先的GIS数据处理的网络计算模型，用以支持超大型空间数据库管理以及在网络环境中对多用户并发空间数据访问的快速访问的快速响应方面的应用。SDE采用真正的客户/服务器体系结构，是高性能、面向目标的空间数据库管理系统，并提供一系列用于管理和访问大型分布式地理数据的功能，由一个多线程的空间数据库服务器和客户应用程序接口（API）组成。

（2）Oracle数据库。传统的文件管理由于在数据共享、并发控制等方面存在弱点，无法成为海量数据管理的主流，而数据库的发展就成了必然的趋势。近几年发展起来的对象关系型数据库如Oracle对海量的空间数据管理有它独特的优势。Oracle是以高级结构化查询语言（SQL）为基础的大型关系数据库，通俗地讲，它是用方便逻辑管理的语言操纵大量有规律数据的集合，是目前最流行的客户/服务器（Client/Server）体系结构的数据库之一。采用Oracle数据库完成对非GIS业务数据的管理。

3结语

将三维可视化GIS用于电力信息系统是经济社会发展的需要。对于经济社会中电力信息系统的规划决策领域而言，将GIS提供的区域规划与供电能力相结合可解决供电能力不适应配电网结构的问题等，从而正确规划区域的整体布局和发展重点；通过GIS的模拟、虚拟功能，对电网数据进行分析，推导出可视化表示结果，为最终供电能力预测、决策提供科学的依据，改造现有电网，规划新电网；利用GIS可实现的地理网络分析功能来确定最优化布线，保证配电线路的传输畅通，资源得到高效合理的利用；根据MIS的管理功能和三维GIS直观形象的特点，可及时定位排除故障，便于设备的维修和管理。三维可视化GIS不但可以用于电力信息系统，同时可以为交通建设、城市规划、水利建设、民航规划等领域服务。

参考文献：

[1]朱强，武洪涛，张震宇，等.组件式三维GIS技术及应用研究[J].地域研究与开发，2006，25（2）：125-128.

[2]吴慧欣.三维GIS空间数据模型及可视化技术研究[D].西安：西北工业大学，2007.

[3]郝平，李瑞麟，应时彦，等.组件式地理信息系统技术[J].浙江工业大学学报，2001，29（3）：301-304.