高精度三維電力輸電線路地理信息系統(tǒng)

趙瀟 趙拯 黃應(yīng)年

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司楚雄供電局 云南省楚雄市 675000）

由輸電線路構(gòu)成的輸電網(wǎng)是電力系統(tǒng)中重要的組成部分，對于輸電網(wǎng)各類信息的管理是電力系統(tǒng)信息化發(fā)展的重要條件[1]。當(dāng)前地理信息系統(tǒng)憑借其高效性、實(shí)時性、精確性等優(yōu)勢，使得人們對地理信息系統(tǒng)的重要性有了更加深刻的印象，已經(jīng)不僅僅應(yīng)用于單一的領(lǐng)域當(dāng)中，逐漸應(yīng)用到科研調(diào)查、資源管理、財產(chǎn)管理、企業(yè)發(fā)展規(guī)劃等眾多領(lǐng)域當(dāng)中，并得到了迅速的發(fā)展，為各行業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[2]。但當(dāng)前地理信息技術(shù)的應(yīng)用絕大多數(shù)仍然是基于二維空間，只能利用地理信息系統(tǒng)處理平面上的信息，無法處理空間坐標(biāo)上的信息。為實(shí)現(xiàn)對空間坐標(biāo)的處理，人們通常采用投影的方式將其投射到二維平面當(dāng)中，但這種做法無法給人帶來自然界的本質(zhì)感受，因此并未得到廣泛應(yīng)用。隨著該領(lǐng)域研究人員的不斷深入研究，人們越來越迫切需要一種基于三維空間的地理信息技術(shù)[3]。因此，三維地理信息技術(shù)得到了快速的發(fā)展。當(dāng)前，在電力系統(tǒng)當(dāng)中，電力輸電線路存在各類應(yīng)用軟件缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、無法對屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘、人機(jī)交互能力差等問題。基于此，本文開展對高精度三維電力輸電線路地理信息系統(tǒng)的設(shè)計研究。

1 高精度三維電力輸電線路地理信息系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足三維電力輸電線路地理信息系統(tǒng)硬件配置的經(jīng)費(fèi)條件、應(yīng)用目的以及規(guī)模需求，本文選用單機(jī)模式、局域網(wǎng)模式以及廣域網(wǎng)模式，三種不同的硬件結(jié)構(gòu)。首先，針對電力系統(tǒng)中輸電線路規(guī)模較小的地理信息，可采用單機(jī)模式的硬件結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

由圖1可以看出，在單機(jī)模式下的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括計算機(jī)主機(jī)內(nèi)部的軟盤驅(qū)動器、電腦硬盤、中央處理器、隨機(jī)存取存儲器等，以及計算機(jī)主機(jī)以外的顯示器、鼠標(biāo)、硬盤、繪圖儀等設(shè)備[4]。通過相關(guān)硬件的輔助，在沒有網(wǎng)絡(luò)連接的情況下，依然能夠完成對小規(guī)模電力輸電線路地理信息的采集、存儲和管理。

其次，針對電力輸電線路地理信息數(shù)據(jù)量相對較大，無法只依靠軟盤傳遞數(shù)據(jù)，因此可采用局域網(wǎng)模式的硬件結(jié)構(gòu)。在單機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，聯(lián)合工程聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對地理信息數(shù)據(jù)與硬件之間的資源共享。將若干個與單機(jī)結(jié)構(gòu)相同型號的計算機(jī)進(jìn)行連接，并形成一個局域網(wǎng)絡(luò)，通過聯(lián)網(wǎng)中的每一臺計算機(jī)與服務(wù)器之間的連接，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)與計算機(jī)之間的信息傳輸[5]。局域網(wǎng)硬件結(jié)構(gòu)可分為四個部分，分別為用于對整個電力輸電線路地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和管理的2～3 臺服務(wù)器，由服務(wù)器作為中央數(shù)據(jù)處理中心，負(fù)責(zé)將三維空間數(shù)據(jù)存儲、管理并備份；由數(shù)字化設(shè)備、掃描設(shè)備、圖形繪制設(shè)備組成的輸入結(jié)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)將各類數(shù)據(jù)信息輸入；由繪圖設(shè)備、打印設(shè)備組成的輸入結(jié)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)將輸入結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的內(nèi)容轉(zhuǎn)化后輸出；最后一部分是由用戶組成的用戶結(jié)構(gòu)，主要用于對輸出的三維電力輸電線路地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

圖1：系統(tǒng)單機(jī)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

最后，針對電力系統(tǒng)中用戶地域分布相對較廣的電力企業(yè)，無法利用局域網(wǎng)的專線進(jìn)行連接，可采用廣域網(wǎng)模式的硬件結(jié)構(gòu)，借助于移動重點(diǎn)通信設(shè)備或衛(wèi)星信道對地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。廣域網(wǎng)模式的硬件結(jié)構(gòu)與局域網(wǎng)模式硬件結(jié)構(gòu)基本相同，只多出磁盤陣列以及光盤機(jī)等硬件設(shè)備，可同時進(jìn)行信息傳輸?shù)挠脩艚M也相對更多。

1.2 服務(wù)器選擇

完成對各個模式硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計后，還需對三種模式下的Web服務(wù)器型號進(jìn)行選擇。本文系統(tǒng)當(dāng)中無論是哪種模式的硬件結(jié)構(gòu)均需要兩臺服務(wù)器設(shè)備，其中一臺作為Web 服務(wù)器，用于連接相應(yīng)的全球廣域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)地理信息在本地單機(jī)、局域網(wǎng)以及廣域網(wǎng)中的傳輸。另一臺作為電力輸電線路地理信息存儲的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，主要用于本文系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行的過程中，對各類信息數(shù)據(jù)的存儲。首先針對第一種Web 服務(wù)器，本文選用Power DISLG686 型號的服務(wù)器，該服務(wù)器當(dāng)中每個處理器具有16 個核心，并且具備多個寄存式ECC DDR8 DIMM 插槽，內(nèi)存大小為16GB，運(yùn)行速率為2800MT/s，內(nèi)置硬盤結(jié)構(gòu)為120 GB SSD SATA。Power DISLG686型號服務(wù)器的前置端口包括專用iDRAC 直連USB 端口一個；USB3.0 端口1 個；視頻端口1 個。后置端口包括專用iDRAC 網(wǎng)絡(luò)端口1 個；串行端口1 個；USB4.0 端口2 個；視頻端口1 個。上述服務(wù)器具備的端口可以滿足本文地理信息系統(tǒng)運(yùn)行過程中，各項程序的實(shí)際需要。其次，針對第二種數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，本文選用與上述服務(wù)器同系列的Power DISLG731 服務(wù)器，該型號服務(wù)器除Power DISLG686 型號服務(wù)器具備的優(yōu)勢外，還具有更大的內(nèi)存容量，可以充分滿足大規(guī)模電力企業(yè)對于電力輸電線路地理信息的海量存儲需要[6]。利用主控制計算機(jī)與各個節(jié)點(diǎn)、終端以及其他外設(shè)的連接可以有效提高本文地理信息系統(tǒng)的運(yùn)行效率。除此之外，在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)模式下，通過交換機(jī)、信道、傳輸介質(zhì)等組成的通信輔助設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)本文地理信息系統(tǒng)的異地信息交換，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)用性。

2 高精度三維電力輸電線路地理信息系統(tǒng)軟件設(shè)計

表1：實(shí)驗結(jié)果對比圖

2.1 電力輸電線路地理信息數(shù)據(jù)處理

本文三維電力輸電線路地理信息系統(tǒng)中，通過相關(guān)硬件采集到的數(shù)據(jù)均為電子數(shù)據(jù)，主要包括全站儀數(shù)據(jù)、全球定位數(shù)據(jù)、地球物理數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)等。對電子數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先可通過網(wǎng)絡(luò)運(yùn)轉(zhuǎn)的形式，將上傳的地理信息數(shù)據(jù)根據(jù)不同的處理難度，對其進(jìn)行分類。處理難度可分為簡單處理、普通處理以及復(fù)雜處理三種。在完成對地理信息數(shù)據(jù)的分類后，本文系統(tǒng)要根據(jù)信息數(shù)據(jù)的重要性，自動設(shè)置相應(yīng)的處理流程。在電力輸電線路地理信息數(shù)據(jù)的審核階段，根據(jù)不同的處理難度，需要進(jìn)行不同的流程審核，需要電力企業(yè)中的運(yùn)行部門、生技部門、檢修部門等相關(guān)部門的用戶登錄到本文地理信息系統(tǒng)中，完成對地理信息數(shù)據(jù)的審核。對于未完成處理的數(shù)據(jù)需要將其暫時存檔，再由后續(xù)運(yùn)行部門的相關(guān)系統(tǒng)用戶進(jìn)行提取和處理，再將數(shù)據(jù)輸出，完成對地理信息的存檔。通過本文地理信息系統(tǒng)的處理功能，防止系統(tǒng)用戶對操作過程中出現(xiàn)錯誤動作，影響最終系統(tǒng)運(yùn)行的精度要求。并且，利用本文系統(tǒng)匯總各層審核模塊，可以有效防止系統(tǒng)用戶在發(fā)生違規(guī)操作后，保證整個系統(tǒng)的安全運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)對輸電線路地理信息的安全管理。在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于本文系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)對象為三維空間對象，因此具有更強(qiáng)的時空性。在獲取電力輸電線路地理信息數(shù)據(jù)時可通過目標(biāo)測量和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方式，根據(jù)實(shí)際情況選擇恰當(dāng)?shù)臏y量方式，保證地理信息數(shù)據(jù)能夠精準(zhǔn)地為用戶展現(xiàn)。

2.2 電力輸電線路三維遙感圖像生成

完成對電力輸電線路地理信息數(shù)據(jù)處理后，在進(jìn)行三維遙感圖像生成前，首先要結(jié)合數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)，對地理信息數(shù)據(jù)中的GIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。將獲取的GIS 數(shù)據(jù)利用MultiGen Creator 建模軟件，生成三維遙感圖像。首先將原始的GIS 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為USGS DEM 格式，再轉(zhuǎn)換為DED 格式。利用地球地理模塊，通過設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，生成三角化后的電力輸電線路圖像。將獲取到的影像數(shù)據(jù)在地球地理模塊中在地形生成的同時附加上去，形成用戶真實(shí)體驗感強(qiáng)的電力輸電線路三維地形圖。其次，對于圖像中的細(xì)節(jié)部分，在建模軟件中只需要為模式設(shè)定相應(yīng)的多細(xì)節(jié)層次節(jié)點(diǎn)，并設(shè)置相應(yīng)的顯示距離，從而當(dāng)用戶的視點(diǎn)與圖像的中心距離進(jìn)入到規(guī)定的顯示距離時，該三維遙感圖像將全部顯示。由于兩個細(xì)節(jié)層次結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換的過程中在視覺上會出現(xiàn)不連續(xù)性，導(dǎo)致三維遙感圖像在變化的過程中會出現(xiàn)跳變的過程。因此，針對這一問題，本文采用Creator 建模軟件中的變形功能，讓相鄰的兩個細(xì)節(jié)層次結(jié)構(gòu)在切換的過程中具有簡單的過程，從而實(shí)現(xiàn)圖像轉(zhuǎn)化的連續(xù)性。為了減輕本文地理信息系統(tǒng)的高精度，對三維電力輸電線路周圍的樹木、標(biāo)志桿等盡可能采用大致輪廓的形式展現(xiàn)，減輕周圍場景的復(fù)雜程度，從而將細(xì)節(jié)處理的功能集中在電力輸電線路上。將所有構(gòu)建的三維圖像均統(tǒng)一格式后，放置在統(tǒng)一遙感圖像當(dāng)中，構(gòu)成三維電力輸電線路遙感地理信息展示圖像。

3 實(shí)驗

選擇某電力企業(yè)的電力輸電線路作為實(shí)驗對象，該區(qū)域范圍將近400 平方公里，電力輸電線路鋪設(shè)位置涉及河流、湖泊、公路、居民區(qū)等地表特征物。該區(qū)域內(nèi)的電力系統(tǒng)在初期運(yùn)行時只包含50個桿塔電力輸電線路，但隨著周圍居民用電需求的不斷增加，目前已經(jīng)增長到105 個桿塔電力輸電線路。分別利用傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)與本文提出的三維電力輸電線路地理信息系統(tǒng)以105 個桿塔電力輸電線路為基礎(chǔ)，進(jìn)行系統(tǒng)交互。為保證實(shí)驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，兩種系統(tǒng)電力輸電線路的各參數(shù)信息提取均采用相同的方式。完成實(shí)驗后，將實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行記錄，并繪制成如表1所示的實(shí)驗結(jié)果對比圖。

表1中兩組系統(tǒng)的差值為完成的遙感圖像與實(shí)際桿塔之間存在的偏差大小。由表1可以看出，本文系統(tǒng)的精度更高，將本文系統(tǒng)應(yīng)用到電力企業(yè)中具有良好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題，提出一種三維電力輸電線路地理信息系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用過程中具有真實(shí)性、直觀性的優(yōu)越性，并且與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比具有更高的精度，可為電力企業(yè)提供良好的電力輸電線路數(shù)據(jù)組織平臺，為電力輸電線路的施工和運(yùn)行提供服務(wù)。