第３ｌ卷第１期 ２０１２年２月 红水河 ＨｏｎｇＳｈｕｉ Ｒｉｖｅｒ Ｖｏ１．３１．Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１２ 三维ＧＩＳ技术在输电线路状态监测中的研究与应用 叶家发，黄义纲 （广西桂能信息工程有限公司，广西南宁５３００２３） 摘 要：实施输电线路状态在线监测是保证线路安全、可靠供电主要措施之一，文章介绍了输电线路状态在线监测 系统的建设方法，应用三维ＧＩＳ技术实现了线路走廊可视化，并且应用模型简化技术、渐进式编码与流传输技术、 空间粒子系统技术等实现了监测设备和监测数据的三维可视化，最后提出了在线监测数据的空间分析模型。 关键词：在线监测；三维ＧＩＳ；粒子系统；输电线路；空间分析 中图分类号：ＴＭ７２２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—４０８Ｘ（２０１２）０１—００６５—０４ １引言 输电线路纵横交错、延绵不断地分布在旷野中， 直接受到风、雨、雪、雾、冰、雷等自然环境的影响，除 此之外，工农业污染、人为侵害也威胁着线路的安全 运行。伴随着国民经济的持续、稳步、快速发展，输 电线路总长度和传输容量不断增长，同时，对输电线 路的安全性和可靠性的要求也越来越高，这就使得 线路巡视、检查等维护的工作量和工作难度迅猛增 大，鉴于此，实施输电线路状态在线监测的需求也日 益突出起来。 术及其它相关计算机技术的进一步发展，三维ＧＩＳ 技术日益发展成熟，为开发真三维的输电线路在线 监测系统提供了稳定的技术基础。 本系统充分利用成熟的三维ＧＩＳ技术与输电专 业技术结合，实现了输电线路走廊的三维地景仿真。 地景仿真的内容包括，地形地貌、河流、湖泊、鱼塘、 交叉跨越线、村庄、公路、树木等，为输电线路立体化 管理和空间分析提供模型基础。 ２．１基于视点相关的地景可视化原理 实现大范围地景三维显示与仿真是三维ＧＩＳ研 究的核心，要实现大数据量地景的实时交互显示，就 监测设备在线监测在电力系统中是一个庞大复 杂体系结构，各种各样的监测设备分散在旷野中，实 时信息量大，系统接口复杂，信息的覆盖面广，以及 多用户连接等，使得数据的管理和应用难度非常大。 单机工作站方式已经落后，且不适合电力企业信息 化实际需要；随着网络技术的成熟和发展，必须整合 各种数据资源，实现监测数据在网络上共享和分发 应用。 必须解决场景数据的组织与管理问题。其思路就是 在保证场景显示细节的前提下，使参与实时处理的 场景数据降低到最少，以保证交互响应的效率。场景 数据的组织和调度实际上就归结为场景细节层次的 组织以及与视点相关的各层次数据的调度。 场景细节层次的组织包括场景模型和场景纹理 ２基于ＧＩＳ技术的线路走廊三维地景 口Ｊ视化 随着ＧＩＳ应用的深人，人们越来越多地要求从 三维空间来处理问题，加上各个行业应用需求的强 烈推动，最近几年三维ＧＩＳ的技术研究一直在加速 发展。随着图形学理论、云计算理论、数据库理论技 收稿日期：２０１１－０９—０５；修回日期：２０１１－ｌ１—０３ 细节。场景模型细节是指场景体形态所表达的细节， 场景模型的最高细节取决于模型建立的数据源，对 于以矢量地图数据为主要数据源的输电线路走廊环 境仿真应用来说，数字地图的原始比例尺决定着场 景模型所描述的最高细节。场景纹理的细节是指场 景表面影像所表达的细节（最高细节取决于纹理影 像的数据源）。当以数字地图作为仿真地面纹理的数 据源时，地物要素的分类分级越详细，则仿真影像所 作者简介：叶￣（１９７８一），男，广西北流人，助理工程师，主要从事电网ＧＩＳ技术研究和软件开发，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｅｊｉａｆａ＠１３９．ｃｏｍ 黄义纲（１９８４一），男，广西扶绥人，助理工程师，主要从事三维可视化技术研究和软件开发。 红水河２０１２年第１期 能描述的地表的细节越丰富，以遥感影像作为地表 染的速度。由于待处理的数据量非常大，除了采用前 面介绍的金字塔结构存取机制以外，还需要对数据 进行简化，在不影响视觉效果的前提下减少数据量。 所谓与视点相关的地形简化，就是在动态漫游过程 中，随着条件的变化，对被提取的数据也应相应地进 行删除和更新。在实现地形数据动态变化的过程中， 纹理时，地表要素所能展现的细节由影像分辨率来 决定。 把场景模型和纹理数据区分为多种细节层次，并 按细节序列加以组织，方能达到视点越近细节越丰富 的场景表达效果。与视点相关的层次数据的调度：在 同一个视景中，按视觉中心详细周边概略的原则来调 度不同细节的模型和纹理数据，是保持交互与视觉效 果而降低参与计算的地景数据量的有效方法。纹理细 节可以在视觉上弥补模型细节的不足，即在较为概略 场景层次细节的变化应能与视点的变化保持一致， 以达到不同层次间场景的连续平滑过渡。 按ＬＯＤ的思想：远视点的地形区域的绘制无需 使用与近视点一样的精度，为了加快可视化速度，必 的模型骨架上叠加细节较多的纹理，这是提高交互效 率而不降低显示效果的一个有效策略。 ２．２基于金字塔结构的地形数据存储 系统中使用的三维地形数据主要包括卫星影 像、航拍影像、激光雷达测量数据、地面高程ＤＥＭ 等数量非常庞大，必须提供一种可适应快速调度的 存储方法，为三维地形快速显示做准备。其中，基于 金字塔结构的存储方式是ＧＩＳ理论中发展最成熟， 效率最高的技术。在构建地形金字塔时，首先把原 始地形数据作为金字塔的底层（分辩率最高），即第０ 层，形成第０层瓦片矩阵。在第Ｏ层的基础上，按每 ２个像素合成为一个像素的方法生成第１层。如此 下去，构成整个瓦片金字塔。如图１所示，在使用数 据时，可以根据视点与地形的距离，快速获取相应分 辨率影像数据和高程数据。 第２层 第１层 第０层 图１金字塔结构数据存储原理图 ２．３基于多线程的动态ＬＯＤ技术实现 大规模地形模型的快速渲染一直是计算机图形 学领域研究的重点，它是多种不同技术的集成应用， 涉及视场裁剪、模型简化、硬件驱动、细节层次ＬＯＤ （１ｅｖｅｌｓ２ｏｆ２ｄｅｔａｉｌ）、合理的数据结构等多个方面的算 法。对上述每个算法的改进都会不同程度地加快渲 ６６ 须对场景中各地形数据块进行ＬＯＤ分层。分层时参 照如下原则：①地形数据块几何中心到视点间的距 离；②地形数据块几何中心与视线中心间的偏角。将 所有参与场景生成的地形数据块分为多个不同的细 节层次，ｌｅｖｅｌ０细节表示最详细；ｌｅｖｅｌｌ细节表示详细 程度次之；ｌｅｖｅｌ２细节表示更粗略；依次类推。在动态 漫游过程中，随着视点的不断变化，不同地形块的细 节表示相应变化；同时保证视点所看位置的细节层 次不变，可以克服渐进描绘中图像的跳动现象。实现 原理如图２所示，矩形越小表示瓦片分辨率越高（金 字塔数据模型底层）。Ｅ为观察者的视点，离视点 近的地方调度高分辩率数据，离视点远的地方调度 低分辩率数据。 塔地 据块 图２ 基于视点相关的动态ＬＯＤ原理图 ３在线监测设备三维可视化 三维造型精细化建模与应用技术在发展的过程 中遇到了２类棘手的问题：①高精度扫描测绘得到的 三维模型，其复杂程度远远超过了当前计算机的实时 图形处理能力；②当前网络带宽的限制，影响了三维 模型在网络上显示的效果和同步操作的即时陛。如何 降低这些模型的复杂度，减少图形系统需处理的多边 形数目，保留模型的几何特征，并实现实时交互，已经 成为计算机图形学研究中的一个重大课题。 叶家发，黄义纲：三维ＧＩＳ技术在输电线路状态监测中的研究与应用 在系统开发过程中，我们在前人编码算法研究 的基础上，提出了一种简单而实用的编码方式，并且 应用该技术与三维ＧＩＳ技术整合，实现高精度在线 监测设备模型快速浏览，彻底摆脱了传统技术的瓶 颈限制问题。顶点简化算法的实现是建立在局部误 差的基础之上，选择基于局部体积 的衡量函数作 为简化误差的衡量标准．。当移除某一顶点Ｐｉ后，将 形成的空洞重新三角化，则该三角形序列ＴＲ与 形成一个锥形区域（见图３）．计算该锥形区域的体积 发射器控制的。发射器主要由一组粒子行为参数以 及在三维空间中的位置所表示。粒子行为参数可以 包括粒子生成速度（即单位时间粒子生成的数目）、 粒子初始速度向量（例如什么时候向什么方向运 动）、粒子寿命（经过多长时间粒子湮灭）、粒子颜色 在粒子生命周期中的变化以及其它参数等等。使用 大概值而不是绝对值的模糊参数占据全部或者绝大 部分是很正常的，采用一些参数定义中心值以及允 许的变化。如图４显示的台风模拟计算模型，可以根 ，根据每一个ｐｉ计算所得的 ，决定其重要性，即 简化误差。 越小的顶点ｐｉ，其简化误差越小，越可 能先被移除。 点 重新三角化 图３顶点移除原理图 在模型简化的过程中，把顶点删除的先后顺序 记录下来，并且按倒序编码，即最后被删除的顶点排 在最前面。顶点数据传输时，按照顶点删除的倒序 传递，实现渐进式网络传输。同理三角形面片数据 也是采用同样的方法进行渐进式传输，实现模型顶 点与三角形面片数据同步。在客户端解码时，就可 以按照模型与视点的关系，选择合适的顶点数量快 速显示各种模型。 ４在线监测数据三维可视化展示 实现模型的渐进式加载和快速浏览技术之后， 监测数据的三维可视化工作就相对比较容易很多 了。由于监测数据在不断更新和流动，所以用静态的 物理模型无法满足要求，必须使用粒子系统技术模 拟各种监测数据的实时变化状态。采用粒子系统技 术和模型渐进式加载技术，可以实现台风模拟、下雨 天气模拟、洪水漫延与淹没过程模拟、山火模拟、雷 电模拟等模型。 通常粒子系统在三维空间中的位置与运动是由 据台风的风速、风向等信息控制台风的轨迹，以及计 算和分析台风经过哪些区域，哪些杆塔会受到影响， 受影响严重程度如何，等等。 、 ＼ ＼ 、 ＼、 、 、 ＼ ’ ＼ ＼ ＼ 、 、 ～、 ＼、 ＾ ＾ 、 、 、 ’ ’ ・＼ ’ ’ ’ ＼ 、 、 ’ ＾ ’ 气 、 ＼ 气 气 ＾ ｔ ｛ ｜ｆ 、 ， 、 ’ 、 ｔ 、 、 、 、 Ｉ ， ， ／ ＼ ’ ＼ ｆ ｆ ｆ ｌ ★ Ｉ 。｛÷ 、 ／ ， ， ｆ ｆ ｆ ～ 、＼ 、 ， ， ｔ ．｛｛ ， ＼ ～ ～ 、 ／ ， 、 、 、 ／ ， 图４ 基于粒子系统的台风坐标计算模型图 粒子系统模拟与计算机实现原理：根据生成速 度以及更新间隔计算新粒子的数目，每个粒子根据 发射器的位置及给定的生成区域在特定的三维空间 位置生成，并且根据发射器的参数初始化每个粒子 的速度、颜色、生命周期等参数。然后检查每个粒子 是否已经超出了生命周期，一旦超出就将这些粒子 剔出模拟过程，否则就根据物理模拟更改粒子的位 置与特性，这些物理模拟可能象将速度加到当前位 置或者调整速度抵消摩擦这样简单，也可能象将外 力考虑进来计算正确的物理抛射轨迹那样复杂。另 外，经常需要检查与特殊三维物体的碰撞以使粒子 从障碍物弹回。每个粒子系统都有作用于其中每个 粒子的特定规则，通常这些规则涉及到粒子生命周 期的插值过程。例如，许多系统在粒子生命周期中对 离子的阿尔法值即透明性进行插值直到粒子湮灭， 还可以控制粒子本身的可繁殖特性，这些特性允许 粒子在碰撞时发生变异、繁殖或者死亡。简单地说， 粒子系统是一些粒子的集合，通过指定发射源在发 射粒子流的同时创建各种动画效果。 ６７ 红水河２０１２年第１期 ５在线监测数据的空间分析 监测数据的三维可视化技术，直观的展示了数 据的客观现象（原始状态），为后期的数据分析和分 析结果的可视化提供了基础。本系统充分应用现有 的三维ＧＩＳ分析技术，对各种在线监测数据进行深 度分析和数据挖掘。 线监测数据、巡视管理记录、检修管理记录等信息， 进行统计、分析、状态评估等处理，并且结合专家规 则库，提供专家诊断建议，以准确反映输电线路当前 的运行状态，使各级运行、管理人员能实时把握输电 线路运行隋况，从而科学的开展输电线路安全评价 和运行决策，合理地进行输电线路运行维护资源的 配置。 在线监测数据的空间分析除了传统二维ＧＩＳ的 分析外，还包括了针对监测数据的三维空间特殊分 析，具体分为以下几类：二维空间查询、三维空间量 测、叠置分析、三维缓冲区分析、三维网络分析、三维 地形分析、剖面分析、三维空间统计分析等。并且对 接、融合现有的各种监测单元、监测数据，形成一个 ６总结 系统充分利用三维ＧＩＳ的前沿技术与电力行业 结合，实现了输电线路状态在线监测。在系统的建 设过程中还在已有的技术基础上提出了一些新的技 术方法，比如基于视点相关的线路走廊显示方法、基 于渐进式传输的监测设备模型显示方法、基于粒子 系统的监测数据显示方法、监测数据综合分析模型 等。这些技术方法和模型，具有较强的先进性和实 用性，值得推广应用。 参考文献： 有机的整体。首先，对监测采集到的海量数据信息 进行科学的存储、分析和管理；然后，采用科学的手 段对各种监测状态量进行综合判断，得出专家诊断 建议，为输电线路实时调度、状态评估和灾害预警提 供辅助决策支持。系统采用的分析模型如图５所示。 【１】 唐泽圣．三维数据场可视化【Ｍ］．北京：清华大学出版社， ２０ｏＯ． 【２】 李建军，李俊山．基于特征的三维模型简化算法研究［Ｊ］． 系统仿真学报，２００７，１９（１１）：２４３４—２４３６ ［３］ 康来，瞿师，杨冰，等．大规模ＧＩＳ数据三维可视化系 统设计与实现［Ｊ】．系统仿真学报，２００９，２１（Ｓ１）：１６６—１６９． ［４］ 宋培国，李宁，杨慧娟．基于ＧＩＳ技术的雷电监测系统 ［Ｊ】．自然灾害学报，２００６，１５（６）：７２—７５． 图５ 输电在线监测数据分析模型图 ［５１ 宋刚，蒋孟奇，张云泉，等．有限元单元计算子程序的 ＯｐｅｎＭＰ并行化［Ｊ１．计算机工程，２００８，３４（６）：８０—８１． 该分析模型充分利用带电监测和试验数据、在 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ３Ｄ ＧＩＳ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｓｔａｔｅ ＹＥ Ｊｉａ－ｆａ，ＨＵＡＮＧ Ｙｉ－ｇａｎｇ （Ｇｕａｎｇｘｉ Ｇ－Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｎｉｎｇ ５３００２３） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ－ｌｉｎｅ ｓｔａｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｏ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｓａｆｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ａｎｄ ｒｅ－ ｌｉａｂｌｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｔｈｅ Ｏ１３一ｌｉｎｅ ｓｔａｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｒａｎｓ－ ｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ．Ｔｈｅ ｌｉｎｅ ｃｏｒｒｉｄｏｒ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｏｆ ３Ｄ ＧＩＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ３Ｄ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｄａｔａ ａｒｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｇｒａｄｕａｌ ｃｏｄｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｒｅａｍ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｓｐａｃｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｅｔｃ．．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ ｓｐａｔｉａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｏｎ－ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｎ－ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；３Ｄ ＧＩＳ；ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｙｓｔｅｍ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ；ｓｐａｔｉａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ６８
