高精度三維電力輸電線路地理信息系統

趙瀟 趙拯 黃應年

（云南電網有限責任公司楚雄供電局 云南省楚雄市 675000）

由輸電線路構成的輸電網是電力系統中重要的組成部分，對于輸電網各類信息的管理是電力系統信息化發展的重要條件[1]。當前地理信息系統憑借其高效性、實時性、精確性等優勢，使得人們對地理信息系統的重要性有了更加深刻的印象，已經不僅僅應用于單一的領域當中，逐漸應用到科研調查、資源管理、財產管理、企業發展規劃等眾多領域當中，并得到了迅速的發展，為各行業帶來了巨大的經濟效益和社會效益[2]。但當前地理信息技術的應用絕大多數仍然是基于二維空間，只能利用地理信息系統處理平面上的信息，無法處理空間坐標上的信息。為實現對空間坐標的處理，人們通常采用投影的方式將其投射到二維平面當中，但這種做法無法給人帶來自然界的本質感受，因此并未得到廣泛應用。隨著該領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[3]。因此，三維地理信息技術得到了快速的發展。當前，在電力系統當中，電力輸電線路存在各類應用軟件缺乏統一標準、無法對屬性數據進行深度挖掘、人機交互能力差等問題。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的設計研究。

1 高精度三維電力輸電線路地理信息系統硬件設計

1.1 系統硬件結構設計

為滿足三維電力輸電線路地理信息系統硬件配置的經費條件、應用目的以及規模需求，本文選用單機模式、局域網模式以及廣域網模式，三種不同的硬件結構。首先，針對電力系統中輸電線路規模較小的地理信息，可采用單機模式的硬件結構，如圖1所示。

由圖1可以看出，在單機模式下的系統硬件結構主要包括計算機主機內部的軟盤驅動器、電腦硬盤、中央處理器、隨機存取存儲器等，以及計算機主機以外的顯示器、鼠標、硬盤、繪圖儀等設備[4]。通過相關硬件的輔助，在沒有網絡連接的情況下，依然能夠完成對小規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據量相對較大，無法只依靠軟盤傳遞數據，因此可采用局域網模式的硬件結構。在單機結構的基礎上，聯合工程聯網實現對地理信息數據與硬件之間的資源共享。將若干個與單機結構相同型號的計算機進行連接，并形成一個局域網絡，通過聯網中的每一臺計算機與服務器之間的連接，實現計算機與計算機之間的信息傳輸[5]。局域網硬件結構可分為四個部分，分別為用于對整個電力輸電線路地理信息數據進行處理和管理的2～3 臺服務器，由服務器作為中央數據處理中心，負責將三維空間數據存儲、管理并備份；由數字化設備、掃描設備、圖形繪制設備組成的輸入結構，主要負責將各類數據信息輸入；由繪圖設備、打印設備組成的輸入結構，主要負責將輸入結構中相應的內容轉化后輸出；最后一部分是由用戶組成的用戶結構，主要用于對輸出的三維電力輸電線路地理信息數據進行處理和分析。

圖1：系統單機硬件結構設計

最后，針對電力系統中用戶地域分布相對較廣的電力企業，無法利用局域網的專線進行連接，可采用廣域網模式的硬件結構，借助于移動重點通信設備或衛星信道對地理信息數據進行傳輸。廣域網模式的硬件結構與局域網模式硬件結構基本相同，只多出磁盤陣列以及光盤機等硬件設備，可同時進行信息傳輸的用戶組也相對更多。

1.2 服務器選擇

完成對各個模式硬件結構設計后，還需對三種模式下的Web服務器型號進行選擇。本文系統當中無論是哪種模式的硬件結構均需要兩臺服務器設備，其中一臺作為Web 服務器，用于連接相應的全球廣域網網絡，實現地理信息在本地單機、局域網以及廣域網中的傳輸。另一臺作為電力輸電線路地理信息存儲的數據庫服務器，主要用于本文系統在實際運行的過程中，對各類信息數據的存儲。首先針對第一種Web 服務器，本文選用Power DISLG686 型號的服務器，該服務器當中每個處理器具有16 個核心，并且具備多個寄存式ECC DDR8 DIMM 插槽，內存大小為16GB，運行速率為2800MT/s，內置硬盤結構為120 GB SSD SATA。Power DISLG686型號服務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 網絡端口1 個；串行端口1 個；USB4.0 端口2 個；視頻端口1 個。上述服務器具備的端口可以滿足本文地理信息系統運行過程中，各項程序的實際需要。其次，針對第二種數據庫服務器，本文選用與上述服務器同系列的Power DISLG731 服務器，該型號服務器除Power DISLG686 型號服務器具備的優勢外，還具有更大的內存容量，可以充分滿足大規模電力企業對于電力輸電線路地理信息的海量存儲需要[6]。利用主控制計算機與各個節點、終端以及其他外設的連接可以有效提高本文地理信息系統的運行效率。除此之外，在局域網和廣域網模式下，通過交換機、信道、傳輸介質等組成的通信輔助設備，可實現本文地理信息系統的異地信息交換，進一步提高系統的實用性。

2 高精度三維電力輸電線路地理信息系統軟件設計

表1：實驗結果對比圖

2.1 電力輸電線路地理信息數據處理

本文三維電力輸電線路地理信息系統中，通過相關硬件采集到的數據均為電子數據，主要包括全站儀數據、全球定位數據、地球物理數據、遙感數據等。對電子數據進行處理，首先可通過網絡運轉的形式，將上傳的地理信息數據根據不同的處理難度，對其進行分類。處理難度可分為簡單處理、普通處理以及復雜處理三種。在完成對地理信息數據的分類后，本文系統要根據信息數據的重要性，自動設置相應的處理流程。在電力輸電線路地理信息數據的審核階段，根據不同的處理難度，需要進行不同的流程審核，需要電力企業中的運行部門、生技部門、檢修部門等相關部門的用戶登錄到本文地理信息系統中，完成對地理信息數據的審核。對于未完成處理的數據需要將其暫時存檔，再由后續運行部門的相關系統用戶進行提取和處理，再將數據輸出，完成對地理信息的存檔。通過本文地理信息系統的處理功能，防止系統用戶對操作過程中出現錯誤動作，影響最終系統運行的精度要求。并且，利用本文系統匯總各層審核模塊，可以有效防止系統用戶在發生違規操作后，保證整個系統的安全運行，并實現對輸電線路地理信息的安全管理。在實際應用過程中，由于本文系統需要處理的數據對象為三維空間對象，因此具有更強的時空性。在獲取電力輸電線路地理信息數據時可通過目標測量和數據轉換的方式，根據實際情況選擇恰當的測量方式，保證地理信息數據能夠精準地為用戶展現。

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據處理后，在進行三維遙感圖像生成前，首先要結合數字攝影測量技術，對地理信息數據中的GIS 數據進行提取。將獲取的GIS 數據利用MultiGen Creator 建模軟件，生成三維遙感圖像。首先將原始的GIS 數據格式轉換為USGS DEM 格式，再轉換為DED 格式。利用地球地理模塊，通過設置相應的參數，生成三角化后的電力輸電線路圖像。將獲取到的影像數據在地球地理模塊中在地形生成的同時附加上去，形成用戶真實體驗感強的電力輸電線路三維地形圖。其次，對于圖像中的細節部分，在建模軟件中只需要為模式設定相應的多細節層次節點，并設置相應的顯示距離，從而當用戶的視點與圖像的中心距離進入到規定的顯示距離時，該三維遙感圖像將全部顯示。由于兩個細節層次結構在轉換的過程中在視覺上會出現不連續性，導致三維遙感圖像在變化的過程中會出現跳變的過程。因此，針對這一問題，本文采用Creator 建模軟件中的變形功能，讓相鄰的兩個細節層次結構在切換的過程中具有簡單的過程，從而實現圖像轉化的連續性。為了減輕本文地理信息系統的高精度，對三維電力輸電線路周圍的樹木、標志桿等盡可能采用大致輪廓的形式展現，減輕周圍場景的復雜程度，從而將細節處理的功能集中在電力輸電線路上。將所有構建的三維圖像均統一格式后，放置在統一遙感圖像當中，構成三維電力輸電線路遙感地理信息展示圖像。

3 實驗

選擇某電力企業的電力輸電線路作為實驗對象，該區域范圍將近400 平方公里，電力輸電線路鋪設位置涉及河流、湖泊、公路、居民區等地表特征物。該區域內的電力系統在初期運行時只包含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，目前已經增長到105 個桿塔電力輸電線路。分別利用傳統地理信息系統與本文提出的三維電力輸電線路地理信息系統以105 個桿塔電力輸電線路為基礎，進行系統交互。為保證實驗結果的準確性，兩種系統電力輸電線路的各參數信息提取均采用相同的方式。完成實驗后，將實驗結果進行記錄，并繪制成如表1所示的實驗結果對比圖。

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

4 結束語

本文針對傳統地理信息系統在實際應用中存在的問題，提出一種三維電力輸電線路地理信息系統，在實際應用過程中具有真實性、直觀性的優越性，并且與傳統系統相比具有更高的精度，可為電力企業提供良好的電力輸電線路數據組織平臺，為電力輸電線路的施工和運行提供服務。