面向輸變電工程三維設計模型整合研究

2021-07-06 02:10:30聶俊陽

計算機技術與發展 2021年6期

陳辰，簡季，楊鑫，文兵，聶俊陽

(成都理工大學國土資源部地學空間信息技術重點實驗室，四川成都 610059)

0 引言

隨著中國經濟建設和城市化進程的不斷加快，對清潔能源特別是電力的需求不斷增加，導致電力供給和電力建設規模也在不斷擴大。但是目前電網還存在以下問題：電力數據格式多樣缺乏標準，導致彼此無法共享信息，形成“信息孤島”，電力數據的利用率低；電力建設的各階段大多還以二維圖紙抑或單獨三維模型為依據，缺乏真實地理環境，無法直觀地表達信息，工作效率低。通過探究發現，三維仿真系統是解決以上問題的有利手段，但由于計算機硬件與軟件的發展水平有限，并且輸變電工程具有線路繁復、設備形狀不規則且數量龐大等特點，使得大型輸變電工程的三維仿真系統實現變得十分困難[1]。

目前，對于輸變電工程的三維仿真系統，國內外學者的研究重點絕大多數都在系統算法層面進行優化。例如，針對模型數據量大，調度效率低的問題，黃良等提出對點分層快速調度算法對線路上桿塔站點之間的傳輸效率進行了優化[2]，孫小虎等提出聚合和動態調度算法使變電站模型可視化在加載速度上有所提高[3]。也有不少學者研究將LOD思想與金字塔結構相結合，使大量三維地物模型能夠高效顯示[4]，或是通過計算機緩存機制和顯示策略，提高三維場景的流暢度，從一定程度上緩解計算機存儲的壓力[5-6]。除此之外，也有少數研究針對電力大數據的特點，與場景的結合、數據存儲和管理方式進行架構優化[7]。上述方法一定程度上對三維數據加載速度、存儲模式和模型管理起到了積極的作用，但是由于起初輸變電工程數字化設計成果沒有統一的格式，導致現存大量不同格式的三維設計模型，如DWG、DGN、X、STL和REVIT等，這對電力數據的利用和共享帶來了巨大的困難。

不同格式模型有著不同的結構特點，不同的情況也對應著特殊的需求，因此電力三維設計模型數據存在來源多、結構復雜、模型整合難度大等難題。針對以上問題，該文基于SuperMap平臺，在傳統三維模型優化的基礎上，采用模型層級分類、紋理優化、LOD優化體系和三維緩存技術等方法，提出一種面向輸變電工程三維設計模型流程化整合方案，將不同格式的模型進行了統一整合，有利于數據的管理和挖掘。

1 數據概況

輸變電工程的數字化設計成果包括文檔資料、三維設計模型及工程地理信息數據3類[8]。其中，文檔資料數據包括設計文檔，設計圖紙和建設文檔資料等；三維設計模型數據包括X、DWG、DGN、STL和REVIT等格式三維模型，存儲量已達GT量級；工程地理信息數據包含三維設計模型的基礎參數，如模型姿態、定位點、關聯文檔信息等。

2 三維模型整合方案

三維模型按結構進行劃分，可以將模型分為線框模型、實體模型和表面模型，其主要建模方法有，邊界表示法(boundary-representation，B-rep)、模型掃面建模法(sweep)和幾何實體創建法(constructive solid geometry，CSG)等。根據數據概況，可將DWG和DGN分為線框模型，X和STL可分為表面模型，REVIT分為實體模型，數據涵蓋三種結構，每種結構有多種格式。其整個整合過程如圖1所示。文檔資料和工程地理信息數據部分，是通過程序讀取xml文件里的每個標簽，根據地理坐標信息生成對應Shpfile文件，并將關聯文檔與模型姿態等信息存入dbf數據表中。三維設計模型數據部分，首先根據結構對模型進行分類，如是線框模型或者實體模型則進行模型轉化，然后對轉化后的模型進行優化，最后歸并為S3M模型后，再與Shpfile文件進行融合，最后三維緩存切片制作出大型地理虛擬場景。針對此次研究數據概況和實際需求，下面對模型標準格式轉化和模型優化兩個部分進行詳細介紹。

圖1 流程化整合方案

2.1 模型標準格式轉化

通過查閱三維模型格式的文獻資料[9-11]，發現目前三維模型的標準格式并不統一，而每種格式也有其自身的特點。例如OSGB格式為傾斜攝影常用模型格式，有著數據文件碎、數量多和高級別金字塔文件大的數據特點；OBJ格式是基于工作站建模和3D動畫開發的一種格式，特點為交互性好，有利于模型的共享，但在大型精細化建模上，有著數據量較大的問題。除此之外，還有FBX、3DS、STL和DAE等傳統模型，但結合實際需求，標準格式需要滿足支持表達多源地理空間數據、共享性高、高效傳輸數據和高效繪制等要求，故該文選擇2019年7月19日中國地理信息產業協會所審查批準的空間三維模型數據格式S3M作為模型整合工作的標準化格式[12]，其格式與3DGIS結合密切的同時具有較高的性能。根據數據情況，X和STL為表面模型，絕大多數GIS平臺即可支持，而DWG、DGN和REVIT則不支持，故需要通過一定的方法對模型的幾何、坐標和屬性信息進行轉化。但傳統模型到3DGIS模型的轉化方法大多直接進行模型格式的轉化導致模型屬性丟失，而為了完整模型的拓撲關系對模型進行切割進而使模型語義丟失，并且多數轉化忽視了坐標系的轉化導致無法與世界坐標系相通，因此通過建模軟件接口與GIS通用格式相結合總結出一套新的轉化方案，此方案有效地避免了傳統模型的弊端，圖2為文中方法與傳統方法對比。

圖2 轉化方法對比

2.2 三維模型與虛擬地理場景優化

線框模型由點、線和面構成，表面模型和實體模型由頂點與面構成，所以對于點和面的優化為模型優化的基礎，也是許多學者所研究的重點[13-14]。結合現有文獻與實際情況，該文對電力三維模型提出如下3點基礎優化方法：(1)通過搜索算法，刪減電力設備看不見的面、各種骨架之間的重疊面、各種骨架之間的相交面以及因相互遮擋所導致的不可見的面；(2)使用Stan Melax縮減算法，刪減各個骨架上的冗余點和不可見的點；(3)對模型進行面簡化，控制模型的分段數，用最少的面片數進行模型幾何結構的精簡。但對于構建一個大型的地理虛擬場景，只針對模型本身往往是不夠的，因此需要結合現有研究成果，采用紋理優化、LOD模型構建和三維緩存技術來優化虛擬地理場景和三維模型。

通常在構建三維模型時，建模者不會考慮模型紋理的大小，這種行為往往導致紋理的數據量大于了模型本身。故針對地理虛擬場景里會同時存在大量模型的情況，紋理的優化和共享就顯得十分必要。紋理優化常用的壓縮格式有DXT、ETC和PVRTC，其中DXT與ETC的原理類似，都是通過數據壓縮技術將4×4的像素塊壓縮成一個64或128位的數據塊來減少數據量，而PVRTC則是根據精度和每個像素的權重，融合2張雙線性放大的低分辨率圖來呈現紋理。

Δdi=di-di-1,i=1,2,…,n

(1)

(2)

δ=∑|f(x)-Si|Δdi

(3)

其中，Δdi為觀察點與對象的距離，S為對象的近似表達，δ為真實對象與近似對象的差值。

因此將LOD構建問題轉化為求使廣義函數最小的問題，實際使用時通常要結合需求來進行處理，得到理想的LOD模型。

緩存技術是主流地理信息系統中常用的圖形顯示技術。該技術大大縮短了用戶的等待時間，提高了工作效率，并使圖形數據的瀏覽速度更加流暢。根據不同的使用場景，緩存可以分為二維緩存和三維緩存。對于圖像和DEM數據，通過三維緩存技術對圖像數據進行預處理，將圖像數據縮小為具有不同分辨率的圖像集合，通過重采樣，可以建立一系列具有不同分辨率的圖層，然后再進行分割、存儲并建立相應的空間索引機制，以提高縮放和查看圖像時的顯示效率。對于地理虛擬場景，生成場景緩存時要對整個三維場景進行瓦片切分，當瓦片所在的位置出現在視圖內時才對其進行加載，使用這種方法可以加快初始渲染，減少等待時間。綜合以上理論和方法，制定出三維模型與虛擬地理場景優化方法，其流程如圖3所示。

圖3 模型優化流程

3 實驗結果與成果展示

3.1 實驗結果對比

為驗證整合方案的有效性和科學性，該文使用X模型、DWG模型和REVIT模型，共3種模型格式，在配置為Intel I5 1.60 GHz Core(CPU)，英偉達MX250圖形處理單元(GPU)和無線網絡的筆記本電腦下進行整合工作，并將實驗前后數據進行對比分析。

從表1、圖4和圖5可以看出，模型處理后的視覺效果基本與原模型保持一致，但X模型實際頂點數減少了80%以上，三角面數減少了20%左右，數據量與渲染時間下降1倍左右，優化效果明顯。DWG模型由于模型結構變化導致結構較復雜的桿塔數據量有所增加，但模型數據量仍處于場景能夠接受的范圍(普通性能電腦渲染300萬個三角面左右可保持45以上的幀率)，圖6為REVIT模型轉化后的效果圖，可以看出模型語義保存完善，門、窗和欄桿等也都十分清晰。