基于云GIS的電網三維數字化平臺研究與實現

甘運良 張建廣 王向上 董鉥濤 吉堂書

（1、中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司,廣東 廣州 510663 2、北京洛斯達科技發展有限公司，北京 100120 3、南方電網數字電網研究院有限公司，廣東 廣州 510555）

1 概述

三維GIS技術發展至今，技術成熟，國內外有一批三維GIS平臺與廠商，其中代表性有ArcGlobe、GeoGlobe、SuperMap等平臺[1]。這些廠商與平臺起步較早，產品結構框架比較完整，在海量數據處理能力、三維建模、三維分析、跨平臺應用等方面，具有較大的優勢，對最新的三維GIS技術也有較好的支持。其中，國內的三維GIS產品，如SuperMap等平臺，在近幾年陸續開始了三維引擎內核與產品架構的升級，并開始了B/S架構的三維引擎的研發工作[2]。20世紀中旬電力行業開始發展并應用信息化技術更新傳統施工方式，發展至21世紀初期，電力行業信息化開始規模化，各種智能化系統平臺被投入至電力專業工程生產[3]。在此背景下，研發B/S架構的新一代三維GIS云平臺，具備訪問互聯網和局域網上的影像、地形、模型等多源數據能力，支持無插件、跨平臺訪問，提高平臺在電力數字化領域的核心競爭力，具有重要的現實意義。為了縮短研發周期，保持產品的技術先進性，增加市場競爭力，本文在依托當前研究成果的基礎上，優化產品架構設計，降低平臺資源消耗，提高電網數據可視化效果，形成了新一代的電網數字化三維GIS云平臺。

2 總體目標

開發一套涵蓋三維數據處理體系、三維數據管理中心以及三維客戶端開發平臺的新一代三維GIS云平臺：

2.1 數據處理體系將從三維數據處理工作流程的實際困難入手，提供完整的三維模型（變電/線路）數據處理解決方案及數據處理工具。

2.2 提供三維數據的上傳、下載、在線預覽、刪除等管理功能，完成基于Cesium體系的地形數據服務和基于ArcGISServer、MapServer等主流地圖服務器標準服務的驗證與接入，同時提供圖形化的操作界面及數據管理開發接口。

2.3 依據實際需求，完成基于Cesium的前端可視化框架搭建，提供一套穩定電網數字化平臺的二次開發接口，封裝包括變電（換流）站可視化、輸電線路可視化、量測、標繪等模塊的SDK。

3 關鍵技術難點

3.1 為了實現跨終端和跨平臺的目標，三維客戶端開發平臺需要兼顧瀏覽器和手機的性能問題，這給原本就對性能要求嚴苛的三維研發工作帶來了更大的挑戰。如何最大程度的降低資源消耗，提高平臺的性能，保證輸電線路、變電站場景的流暢運行，是關鍵和難點工作。

3.2 輸變電工程中電力設施模型具有單體模型數據量大、密度高等特點，例如單個桿塔絕緣子模型的數據量可達到100MB以上，特高壓變電（換流）站的模型面片數基本都在5000萬以上，龐大的數據量對前端三維平臺的加載和可視化帶來了巨大的壓力，因此如何對這種單體電力模型進行輕量化處理，提高其加載、渲染效率是本項目有待解決的重點問題。

3.3 輸變電工程在設計、施工、運檢過程中，根據業務應用的不同，會產生各類異源的三維數據形式，如設計應用中的dwg/dgn/rvt/gim等參數化模型，施工應用中的max/bim/x等建模模型，以及運檢過程中的las點云等數據，為了解決這些多源數據的統一接入，需要通過深入研究這些格式的通用處理流程，建立統一的數據模型交換格式，實現不同類型數據的集成應用[4]。

圖1 數據處理流程

4 建設內容

4.1 B/S端產品總體設計

從電網數字化業務對輕量化WEB平臺的需求出發，設計一套涵蓋三維數據處理體系、三維數據管理中心、三維客戶端開發平臺的新一代三維GIS云平臺產品，形成從源數據、后臺服務、前端展現的體系化產品體系，同時能夠兼容工程歷史數據的接入，形成完備的數據處理、服務發布管理規范。

4.2 模型數據處理體系

設計一套完整的WEB輕量化平臺數據處理體系，形成一系列的處理工具集，同時支持以下功能需求：

4.2.1 支持多源格式處理

支持對dwg/dgn/rvt/gim等參數化模型，max/bim/x/gnm等建模模型，以及las點云模型的批量處理。

4.2.2 支持手動和自動化處理

針對數據量較小、復雜度不高的模型，支持后臺一鍵式處理與服務發布；針對數據量較大、復雜度較高的模型，提供可視化工具手動處理模式。

4.2.3 完全兼容Cesium技術體系

數據處理體系輸出成果為3dtiles、glb兩種形式，完全兼容Cesium格式要求[5-6]。鑒于目前國內外眾多WebGIS平臺由Cesium改造，從而實現一套數據處理體系，不同前端展現形式的目的，為應用層提供了更多的選擇。

4.3 三維客戶端開發平臺

開發一套基于WebGL技術實現的三維客戶端開發平臺，可用于構建無插件、跨操作系統、跨瀏覽器的三維GIS應用程序。深入到CesiumJS源碼層，優化三維引擎性能。同時針對電網數字化實際應用情況，設計了一套可插拔的Web客戶端SDK，針對指定版本的CesiumJS API進行二次封裝，將電力應用場景的常用功能（如線路場景可視化、標繪、量測等）封裝成組件和接口，方便各個項目組快速實現系統的開發和復用。

5 總體設計

5.1 總體架構

基于云GIS的電網三維數字化平臺五層架構圖如圖2所示，自下而上包括基礎設施層、數據存儲層、數據服務層、應用層和用戶層。其中基礎設施層包含了網絡基礎設施、服務器、存儲設備和安全設備；數據存儲層包含了文件數據庫和關系數據庫；數據服務層包含了基礎地理數據服務、模型服務和REST服務；應用層提供了面向移動端和PC端系統的各種功能應用；用戶層通過移動端和PC端實現應用接入，輔助用戶進行B/S系統的可視化瀏覽和各種功能模塊的交互操作（圖2）。

圖2 總體架構圖

5.2 數據架構

5.2.1 基礎地理數據

地理數據包括影像數據、地形數據，國界、省界等邊界數據等。

5.2.2 輸變電工程數據

主要包括電網模型數據，竣工設計成果數據等。電網模型數據包括線路模型、變電（換流）站模型等，竣工成果數據包括gim模型數據等。

線路工程模型數據包括桿塔、絕緣子串、塔基幾大類，以單體模型的形式發布在數據服務器上，模型包括線路場景對象的三維幾何信息、顏色信息、屬性關聯信息等。線路工程基本信息存在MySQL關系型數據庫中。

變電（換流）站模型最終以金字塔切片的方式發布在數據服務器，以分層分塊的方式進行數據組織，模型包含變電（換流）站場景的三維幾何信息、顏色信息、屬性關聯信息、真實地理坐標信息等。變電站工程基本信息存在MySQL關系型數據庫中。

5.3 技術架構

基于云GIS的電網三維數字化平臺服務層設計主體采用Java開發，數據交互通過調用RESTful服務實現；數據處理層采用.net和C++混合開發，集成各類數據處理引擎，包括三維表面建模、實體布爾運算、BIM數據解析、模型優化處理等技術；展現層采用React、Vue開發方式實現，采用三維可視化輕量引擎；系統采用純B/S架構三維可視化輕量引擎實現輸變線路三維可視化，無需安裝插件，可直接在網頁和手機上渲染三維場景（圖3）。

圖3 系統技術架構圖

6 結論

本文提出的基于云GIS的電網三維數字化平臺研究旨在將電力專業數字化工程由C/S端遷移至B/S端，增加系統部署和信息共享的靈活性和便捷性。通過在數據處理端對模型進行輕量化處理，減少冗余的三角面片并提高了其余三角面片的復用性，同時優化渲染引擎加快了模型的在三維場景中的渲染速度，優化了可視化效果。同時利用云GIS平臺對在線影像和地形數據調用的便捷性，通過疊加電網工程數據，實現電網工程的數字孿生，全面提升電網建設的數字化、可視化、智能化水平。