基于WebGIS的三維全景變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

胡常勝+黃昊+黃曉婧+卓旭

摘 要：基于現(xiàn)有的2D平面展示技術(shù)與3D建模技術(shù)目前存在的種種不足，該文提出了一種基于WebGIS的三維全景技術(shù)對變電站的實際應(yīng)用場景進(jìn)行虛擬展示，給出了三維全景技術(shù)變電站監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計，包括球形投影技術(shù)、HTML5前端展示、WebGIS前端、GIS后端和數(shù)據(jù)庫；給出了三維全景變電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)說明，并將三維全景變電站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到實際變電站中，實際效果表明，該技術(shù)在成本、效率和可維護(hù)性上較2D平面展示技術(shù)和3D建模展示技術(shù)都表現(xiàn)出了較大優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：三維全景 變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) WebGIS

中圖分類號：TM764 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（b）-0006-02

在實時監(jiān)控方面，現(xiàn)有變電站以攝像機(jī)監(jiān)視主站為基礎(chǔ)，但是清晰度高度依賴于視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對設(shè)備細(xì)節(jié)的完整呈現(xiàn)存在不足；目前還采用了基于2D的平面技術(shù)及基于3D的建模技術(shù)這兩種主要手段對變電站進(jìn)行虛擬展示，其中第二種方法需要對變電站內(nèi)部進(jìn)行深度模擬展示，從而對變電站圖形進(jìn)行一體化建模，但技術(shù)實現(xiàn)難度高且成本不易控制。

該文以三維全景技術(shù)對變電站運行場景進(jìn)行仿真展示，并基于WebGIS的監(jiān)控特點，建立具有輔助決策的智能監(jiān)控平臺，實現(xiàn)跨平臺數(shù)據(jù)共享。

1 三維全景技術(shù)

相比傳統(tǒng)技術(shù)手段，三維全景技術(shù)是實現(xiàn)環(huán)境要素空間信息化的最好選擇[1]。近年來，基于全景圖像的虛擬現(xiàn)實技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，對數(shù)字博物館、虛擬旅游、房地產(chǎn)展示等虛擬漫游應(yīng)用領(lǐng)域起到了重要的行業(yè)發(fā)展推動作用[2]。三維全景技術(shù)有著無法比擬的優(yōu)勢[1]，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）數(shù)據(jù)量小，數(shù)據(jù)采集和處理簡便。

（2）數(shù)據(jù)冗余度低。

（3）與場景復(fù)雜度無關(guān)。

（4）對運行計算機(jī)的性能要求不高。

（5）對特殊裝置的依賴程度低。

2 三維全景技術(shù)變電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

2.1 三維全景變電站監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計

三維全景變電站監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)主要由5部分組成，以下將一一進(jìn)行詳細(xì)技術(shù)說明。

2.1.1 球形投影技術(shù)

球形投影的原理是將照片投影到一個具有經(jīng)/緯度的全景球面上，與直線投影不同，球形投影將圖片中所有的水平或垂直線投影到球面上時都會彎曲（0°經(jīng)/緯線除外）。其合成全景圖的水平視角可達(dá)360°，垂直視角可達(dá)180°，適用于近距廣角鏡頭的大視角全景觀察[3]。因此，球形投影方式非常適合變電站內(nèi)局部場景的展示。目前，球形投影方式幾乎被所有的硬件拍攝設(shè)備以及合成軟件支持，也是使用的最廣泛的全景投影方式之一。

2.1.2 HTML5前端展示

現(xiàn)有主流的瀏覽器都支持HTML5的WebGL標(biāo)準(zhǔn)。WebGL是一種3D繪圖標(biāo)注，這種繪圖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)允許把JavaScript和OpenGL ES 2.0結(jié)合在一起。WebGL可以為HTML5的Cavas標(biāo)簽提供硬件3D加速渲染，這樣Web開發(fā)人員可以借助系統(tǒng)顯卡在瀏覽器里更流暢地展示3D場景和模型[4]。

直接使用WebGL進(jìn)行三維全景的展示比較繁瑣，可以借助three.js或者是panolens.js等開發(fā)庫來縮減開發(fā)的工作量。

2.1.3 WebGIS前端

OpenLayers作為一種輕量級的開源WebGIS開發(fā)框架，具有成本低、開發(fā)簡單，支持多種地圖格式和Web頁面，實現(xiàn)頁面的無刷新動態(tài)實時更新等特點，更方便地將空間信息和非空間信息進(jìn)行集成管理，非常適用于構(gòu)建中小范圍、小尺度下的地理信息系統(tǒng)項目[5]。

2.1.4 GIS后端

目前主流的GIS服務(wù)器都被Openlayers所支持，如 ArcGIS、MapInfo等。對于變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以考慮更經(jīng)濟(jì)且靈活的開源解決方案，如GeoServer。

GeoServer是一個符合J2EE規(guī)范且實現(xiàn)了WCS、WMS及WFS規(guī)格，并支持Transaction WFS（WFS-T）；支持ESRI Shapefile及Post GIS、Oracle、ArcSDE等空間數(shù)據(jù)庫；輸出的GML檔案滿足GML2.l的要求；且由于它的開源，所以開發(fā)組織可以基于GeoServer靈活實現(xiàn)特定的目標(biāo)要求。

2.1.5 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫的選擇范圍較廣，可以從現(xiàn)有開發(fā)經(jīng)驗和應(yīng)用需求上進(jìn)行考慮。主流的商業(yè)數(shù)據(jù)庫，如OracleSQL Server以及開源數(shù)據(jù)庫，如MySql、PostgreSQL、Sqlite等都提供了對空間數(shù)據(jù)的存儲支持。

2.2 三維全景變電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明

系統(tǒng)以電網(wǎng)統(tǒng)一的視頻監(jiān)控平臺為核心，接口開放是變電站綜合數(shù)據(jù)協(xié)議接入網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控智能聯(lián)動及應(yīng)用服務(wù)器等設(shè)備進(jìn)行交互的關(guān)鍵，以實現(xiàn)站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的智能分析、聯(lián)動等功能?；赪ebGIS的三維全景變電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整個系統(tǒng)內(nèi)部傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要有控制及聯(lián)動數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、三維及二維圖片媒體數(shù)據(jù)等，由串口設(shè)備接入，在上級電網(wǎng)公司部署流媒體服務(wù)器以及變電站相關(guān)的綜合數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換接入網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換；為滿足全景展示應(yīng)用服務(wù)的要求，需要在變電站內(nèi)部部署圖片引擎服務(wù)器，主要存儲內(nèi)容為電子地圖，同時為了能夠?qū)D片業(yè)務(wù)進(jìn)行在線發(fā)布，系統(tǒng)應(yīng)單獨安裝Web服務(wù)器；每一臺服務(wù)器的運行狀態(tài)需要統(tǒng)一監(jiān)控管理，操作人員可通過網(wǎng)管服務(wù)器對系統(tǒng)的實時狀態(tài)進(jìn)行信息查詢，同時能夠?qū)⑾到y(tǒng)的實時操作及時快速地反映在全景圖像中。

2.3 三維全景變電站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

如圖2所示，左邊是常見的地理信息展示（2D展示界面），用于對較大場景進(jìn)行展示；右邊是3D全景展示界面，用于對局部場景的展示。在地理信息展示界面中設(shè)置相應(yīng)的熱點，如圖中的圈，點擊后在右邊的界面對局部的細(xì)節(jié)采用三維全景技術(shù)進(jìn)行展示。在三維全景展示界面中，通過熱點對現(xiàn)場安裝設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示或者是交互操作。

3 結(jié)語

將基于WebGIS的三維全景技術(shù)應(yīng)用在變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，可以有效地解決2D平面展示技術(shù)與3D建模技術(shù)目前存在的種種不足，同時在成本、效率和可維護(hù)性上都具備顯著的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭林崗，周潔，張冰，等.GIS集成三維全景在環(huán)境應(yīng)急中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2013（S1）：134-136.

[2] 鄧杏杏，朱大明，楊袁聰.基于全景圖的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)研究與討論[J].地礦測繪，2009，25（1）：26-28.

[3] 高鐵.全景照片合成技術(shù)及PTGUI的運用[J].電腦知識與技術(shù)，2010，6（25）：7114-7117.

[4] 榮艷冬.基于WebGL的3D技術(shù)在網(wǎng)頁中的運用[J].信息安全技術(shù)，2015（8）：90-92.

[5] 楊鵬，鄒時林.基于OpenLayers的WebGIS客戶端的研發(fā)[J].測繪與空間地理信息，2012，35（3）：131-133.