CN111881552A - 一种电网信息与地理信息相融合的三维gis系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网信息与地理信息相融合的三维GIS系统，构建三维GIS系统架构，所述三维GIS系统架构包括基础数据服务层、三维GIS引擎、功能组件层和二次开发接口；并以三维GIS系统架构为体系支撑，构建三维GIS功能架构，所述三维GIS功能架构包括数据储存层、数据互动层和用户层。本发明根据三维GIS的技术特点和电网信息的管理需要，通过合理的利用三维模型构建和模式设计方法，提出了一种电网信息与地理信息相融合的三维GIS系统，本系统采用合理的软件体系和模块化设计模式，将来也可以方便的成为维修模拟培训、雷电区域分析及输电线路涉及等高层应用的数据平台。

Description

一种电网信息与地理信息相融合的三维GIS系统

技术领域

本发明涉及一种电网信息与地理信息相融合的三维GIS系统，属于电力信息系统技术领域。

背景技术

三维GIS系统是由传统的二维GIS系统发展而来，能够同时表达和描述空间对象间的平面关系和垂向关系，它是将现实世界中获得的三维数据进行输入、存储、编辑、查询、模拟并辅助决策支持的计算机系统，其空间坐标都参加图形显示的运算。相比于二维GIS，三维GIS在对客观世界的表达方面能给人以更真实的感受，它以三维立体的造型技术给用户展现更真实的地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能够描述表达它们之间的垂向关系。

高精度三维GIS系统通过建立更加逼真的地理环境，清晰的建筑物模型、杆塔、变电站等三维模型和完整的电网模型，并且通过加强空间分析功能，把电网和地理信息很好地结合起来，从而实现线路、电力设备的浏览、编辑、管理和信息显示输出等功能，实现信息的科学管理和总体分析，有效提高电网的管理效率，降低线路运行维护成本。

现有的一些GIS软件，如Skyline，ArcGIS等，更多的是一种通用平台，他们对高精度三维系统的支持不够，普遍存在以下问题：

高精度模型加载到场景后信息有丢失，无法真实地再现原始模型；同时在场景中出现多个高精度模型时，上述两款软件都会出现操作延迟，浏览不流畅，甚至出现软件崩溃的情况。部分产品在表达线路时仅能以简单的线条展示出杆塔间的线路，无法展示线的弧度。由于这些产品的三维GIS引擎在表达三维模型时均不够精细，无法满足高精度三维电网建模的需求。

另外，考虑到电力企业安全及相关保密数据，例如电力设备台账、杆塔、变电站坐标，实时运行数据等，因此，亟需设计多种电网信息与其所处地理环境信息相融合的三维GIS系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电网信息与地理信息相融合的三维GIS系统，利用数字高层模型及相应算法实现海量三维地表模型的构建，运用设计模式的构造方法实现输电设备的关联组合，并通过建立方位数据中间层的方法将地表数字高层模型、输电设备三维模型及各类属性信息有机的结合在一起，从而满足了三维GIS系统的各类维护及查询要求，并为该平台进行线路设计、培训模拟等高层应用构建了良好的开放性框架。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种电网信息与地理信息相融合的三维GIS系统，构建三维GIS系统架构，所述三维GIS系统架构包括基础数据服务层、三维 GIS引擎、功能组件层和二次开发接口；

所述基础数据服务层是三维GIS系统架构的底层支撑，所述基础数据服务层生成场景图像数据，经过压缩后传输至所述三维 GIS引擎；

所述三维 GIS引擎对场景图像数据进行处理后传输至功能组件层，所述二次开发接口数据通信连接在三维 GIS引擎的数据输出口；

所述功能组件层对三维 GIS引擎传输来的场景图像数据进行编辑、管理及分析。

作为本发明的进一步改进，所述基础数据服务层包括基础数据服务模块和基础数据访问模块；

所述基础数据访问模块为三维GIS引擎提供PMS系统数据、气象数据和业务数据；

所述基础数据服务模块包括影像数据、DEM高程和矢量数据，所述基础数据服务模块根据当前视角范围计算出对应的三维图像数据并供三维GIS引擎层使用，通过计算影像数据及DEM高程数据向三维GIS引擎前台提供相应的场景图像数据，三维GIS引擎将三维地理场景数据生成模块与三维GIS引擎前台渲染模块分离，并且将生成的场景图像数据经过压缩后传输至功能组件层，传输带宽保持在1MB／s以上。

作为本发明的进一步改进，所述三维 GIS引擎具有地形渲染功能、数据访问功能和特效编辑功能；

所述地形渲染功能采用Clipmap算法作为地形渲染算法，以视点为中心向周围发散，并随视点的移动更新每个层次的内容；

所述特效编辑功能利用BSP-Portal算法将参与渲染的几何体和光源的总数量降到最低值，并利用快速筛选的算法处理动态光源与移动物体之间的光照变化，模拟渲染电网设备及配电线路的实时场景；

所述数据访问功能通过GDAL开源GIS开发接口访问影像文件，并以文件形式保存。

作为本发明的进一步改进，所述功能组件层包括素材库编辑组件、线路沿布组件、空间分析服务组件和地形数据维护组件；

所述素材库编辑组件对三维 GIS引擎所使用的各类模型进行分类、管理和选择，素材库使用配置文件的方式进行分类，素材库界面设置有添加、删除和修改功能；

所述线路沿布组件对三维GIS系统模拟的实时场景进行配电线路布线操作；

所述空间分析服务组件对三维GIS系统模拟的实时场景的空间进行计算，以布置电网设备；

所述地形数据维护组件在使用真实底层数据的基础上，对地形地貌进行编辑整理。

作为本发明的进一步改进，以三维GIS系统架构为体系支撑，构建三维GIS功能架构，所述三维GIS功能架构包括数据储存层、数据互动层和用户层；

所述数据储存层以基础数据服务层为支撑，所述数据互动层以三维 GIS引擎为支撑，所述用户层以功能组件层为支撑。

作为本发明的进一步改进，所述数据储存层包括三维模型原型库和关系数据库；

所述三维模型原型库根据原始地表数据，为各类输电线路设备建立相应的三维模型原形 ；

所述关系数据库包括各类输电线路设备在三维场景的大地坐标及与输电线路管理相关的各类资料数据。

作为本发明的进一步改进，所述数据互动层包括场景中的三维模型层和位置信息中间层；

所述场景中的三维模型层包括数字地标模型、三维设备模型和地表特征物模型；所述位置信息中间层包括设备模型在地表模型中大地坐标及设备模型的关联位置信息。

作为本发明的进一步改进，所述用户层提供交互功能，操作人员通过交互功能查询地理与设备信息，并对设备模型和相应属性进行维护。

作为本发明的进一步改进，所述场景中的三维模型层的模型数据从三维模型原型库采集，所述场景中的三维模型层与位置信息中间层双向数据传输，所述位置信息中间层与关系数据库双向数据传输，所述用户层分别与场景中的三维模型层、位置信息中间层双向数据传输。

作为本发明的进一步改进，运用对象结构型模式-COMPOSITE组合，以树形结构来表示输电设备的层次关系和相互关联，使得单个设备和组合设备的使用接口一致。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明根据三维GIS的技术特点和电网信息的管理需要，通过合理的利用三维模型构建和模式设计方法，提出了一种电网信息与地理信息相融合的三维GIS系统，本系统采用合理的软件体系和模块化设计模式，将来也可以方便的成为维修模拟培训、雷电区域分析及输电线路涉及等高层应用的数据平台。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的系统架构示意图；

图2是本发明Clipmap算法原理的示意图；

图3是本发明的功能架构示意图；

图4是本发明位置信息中间层的实例关系示意图；

图5是电网的层次关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

如图1所示，一种电网信息与地理信息相融合的三维GIS系统，构建三维GIS系统架构，所述三维GIS系统架构包括基础数据服务层、三维 GIS引擎、功能组件层和二次开发接口；

所述基础数据服务层是三维GIS系统架构的底层支撑，所述基础数据服务层生成场景图像数据，经过压缩后传输至所述三维 GIS引擎；

所述三维 GIS引擎对场景图像数据进行处理后传输至功能组件层，所述二次开发接口数据通信连接在三维 GIS引擎的数据输出口；

所述功能组件层对三维 GIS引擎传输来的场景图像数据进行编辑、管理及分析。

作为本发明的进一步改进，所述基础数据服务层包括基础数据服务模块和基础数据访问模块；

所述基础数据访问模块为三维GIS引擎提供PMS系统数据、气象数据和业务数据；

所述基础数据服务模块包括影像数据、DEM高程和矢量数据，所述基础数据服务模块根据当前视角范围计算出对应的三维图像数据并供三维GIS引擎层使用，通过计算影像数据及DEM高程数据向三维GIS引擎前台提供相应的场景图像数据，三维GIS引擎将三维地理场景数据生成模块与三维GIS引擎前台渲染模块分离，并且将生成的场景图像数据经过压缩后传输至功能组件层，传输带宽保持在1MB／s以上。

作为本发明的进一步改进，所述三维 GIS引擎具有地形渲染功能、数据访问功能和特效编辑功能；

如图2所示，所述地形渲染功能采用Clipmap算法作为地形渲染算法，以视点为中心向周围发散，并随视点的移动更新每个层次的内容；

所述特效编辑功能利用BSP-Portal算法将参与渲染的几何体和光源的总数量降到最低值，并利用快速筛选的算法处理动态光源与移动物体之间的光照变化，模拟渲染电网设备及配电线路的实时场景；

所述数据访问功能通过GDAL开源GIS开发接口访问影像文件，并以文件形式保存。

作为本发明的进一步改进，所述功能组件层包括素材库编辑组件、线路沿布组件、空间分析服务组件和地形数据维护组件；

所述素材库编辑组件对三维 GIS引擎所使用的各类模型进行分类、管理和选择，素材库使用配置文件的方式进行分类，素材库界面设置有添加、删除和修改功能；

所述线路沿布组件对三维GIS系统模拟的实时场景进行配电线路布线操作；

所述空间分析服务组件对三维GIS系统模拟的实时场景的空间进行计算，以布置电网设备；

所述地形数据维护组件在使用真实底层数据的基础上，对地形地貌进行编辑整理。

作为本发明的进一步改进，如图3所示，以三维GIS系统架构为体系支撑，构建三维GIS功能架构，所述三维GIS功能架构包括数据储存层、数据互动层和用户层；

所述数据储存层以基础数据服务层为支撑，所述数据互动层以三维 GIS引擎为支撑，所述用户层以功能组件层为支撑。

作为本发明的进一步改进，所述数据储存层包括三维模型原型库和关系数据库；

所述三维模型原型库根据原始地表数据，为各类输电线路设备建立相应的三维模型原形 ；

所述关系数据库包括各类输电线路设备在三维场景的大地坐标及与输电线路管理相关的各类资料数据。

作为本发明的进一步改进，所述数据互动层包括场景中的三维模型层和位置信息中间层；

所述场景中的三维模型层包括数字地标模型、三维设备模型和地表特征物模型；所述位置信息中间层包括设备模型在地表模型中大地坐标及设备模型的关联位置信息。

如图4所示，为每一类设备或地物建立相应的三维模型原形，形成模型原形库，然后在系统运行时为场景中要显示的每个输电设备或其它要参与交互操作的模型个体建立一个实例，该实例从关系数据库中得到相应的方位信息(如杆塔底部中心的大地坐标)和设备属性信息，并同时记录着一个或多个指向三维模型原形库中的模型索引。

作为本发明的进一步改进，所述用户层提供交互功能，操作人员通过交互功能查询地理与设备信息，并对设备模型和相应属性进行维护。

作为本发明的进一步改进，所述场景中的三维模型层的模型数据从三维模型原型库采集，所述场景中的三维模型层与位置信息中间层双向数据传输，所述位置信息中间层与关系数据库双向数据传输，所述用户层分别与场景中的三维模型层、位置信息中间层双向数据传输。

作为本发明的进一步改进，运用对象结构型模式-COMPOSITE组合，以树形结构来表示输电设备的层次关系和相互关联，该模式使得单个设备和组合设备的使用接口具有一致性，不但保证了整个设备对象层次清晰，而且可方便地加入新的电力设备层，而不用改动已有的用户接口程序。如图5所示，输电设备的层次包括电力设备抽象类，与电力设备抽象类相互关联的输电线路、避雷线、绝缘子、短路器和塔杆；电力设备抽象类具有方位信息、资料信息和显示功能，所述输电线路、避雷线、绝缘子、短路器具有方位信息、资料信息和显示功能；所述塔杆具有方位信息、资料信息和显示功能，还具有加入绝缘子和得到绝缘子功能，其显示功能对塔杆所属的绝缘子进行显示。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；作为本领域技术人员对本发明的多个技术方案进行组合是显而易见的。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电网信息与地理信息相融合的三维GIS系统，其特征在于，构建三维GIS系统架构，所述三维GIS系统架构包括基础数据服务层、三维 GIS引擎、功能组件层和二次开发接口；

所述基础数据服务层是三维GIS系统架构的底层支撑，所述基础数据服务层生成场景图像数据，经过压缩后传输至所述三维 GIS引擎；

所述三维 GIS引擎对场景图像数据进行处理后传输至功能组件层，所述二次开发接口数据通信连接在三维 GIS引擎的数据输出口；

所述功能组件层对三维 GIS引擎传输来的场景图像数据进行编辑、管理及分析。

2.根据权利要求1所述的一种电网信息与地理信息相融合的三维GIS系统，其特征在于，所述基础数据服务层包括基础数据服务模块和基础数据访问模块；

所述基础数据访问模块为三维GIS引擎提供PMS系统数据、气象数据和业务数据；

所述基础数据服务模块包括影像数据、DEM高程和矢量数据，所述基础数据服务模块根据当前视角范围计算出对应的三维图像数据并供三维GIS引擎层使用，通过计算影像数据及DEM高程数据向三维GIS引擎前台提供相应的场景图像数据，三维GIS引擎将三维地理场景数据生成模块与三维GIS引擎前台渲染模块分离，并且将生成的场景图像数据经过压缩后传输至功能组件层，传输带宽保持在1MB／s以上。

3.根据权利要求2所述的一种电网信息与地理信息相融合的三维GIS系统，其特征在于，所述三维 GIS引擎具有地形渲染功能、数据访问功能和特效编辑功能；

所述地形渲染功能采用Clipmap算法作为地形渲染算法，以视点为中心向周围发散，并随视点的移动更新每个层次的内容；

所述特效编辑功能利用BSP-Portal算法将参与渲染的几何体和光源的总数量降到最低值，并利用快速筛选的算法处理动态光源与移动物体之间的光照变化，模拟渲染电网设备及配电线路的实时场景；

所述数据访问功能通过GDAL开源GIS开发接口访问影像文件，并以文件形式保存。

4.根据权利要求3所述的一种电网信息与地理信息相融合的三维GIS系统，其特征在于，所述功能组件层包括素材库编辑组件、线路沿布组件、空间分析服务组件和地形数据维护组件；

所述素材库编辑组件对三维 GIS引擎所使用的各类模型进行分类、管理和选择，素材库使用配置文件的方式进行分类，素材库界面设置有添加、删除和修改功能；

所述线路沿布组件对三维GIS系统模拟的实时场景进行配电线路布线操作；

所述空间分析服务组件对三维GIS系统模拟的实时场景的空间进行计算，以布置电网设备；

所述地形数据维护组件在使用真实底层数据的基础上，对地形地貌进行编辑整理。

5.根据权利要求4所述的一种电网信息与地理信息相融合的三维GIS系统，其特征在于，以三维GIS系统架构为体系支撑，构建三维GIS功能架构，所述三维GIS功能架构包括数据储存层、数据互动层和用户层；

所述数据储存层以基础数据服务层为支撑，所述数据互动层以三维 GIS引擎为支撑，所述用户层以功能组件层为支撑。

6.根据权利要求5所述的一种电网信息与地理信息相融合的三维GIS系统，其特征在于，所述数据储存层包括三维模型原型库和关系数据库；

所述三维模型原型库根据原始地表数据，为各类输电线路设备建立相应的三维模型原形 ；

所述关系数据库包括各类输电线路设备在三维场景的大地坐标及与输电线路管理相关的各类资料数据。

7.根据权利要求6所述的一种电网信息与地理信息相融合的三维GIS系统，其特征在于，所述数据互动层包括场景中的三维模型层和位置信息中间层；

所述场景中的三维模型层包括数字地标模型、三维设备模型和地表特征物模型；所述位置信息中间层包括设备模型在地表模型中大地坐标及设备模型的关联位置信息。

8.根据权利要求7所述的一种电网信息与地理信息相融合的三维GIS系统，其特征在于，所述用户层提供交互功能，操作人员通过交互功能查询地理与设备信息，并对设备模型和相应属性进行维护。

9.根据权利要求8所述的一种电网信息与地理信息相融合的三维GIS系统，其特征在于，所述场景中的三维模型层的模型数据从三维模型原型库采集，所述场景中的三维模型层与位置信息中间层双向数据传输，所述位置信息中间层与关系数据库双向数据传输，所述用户层分别与场景中的三维模型层、位置信息中间层双向数据传输。

10.根据权利要求9所述的一种电网信息与地理信息相融合的三维GIS系统，其特征在于，运用对象结构型模式-COMPOSITE组合，以树形结构来表示输电设备的层次关系和相互关联，使得单个设备和组合设备的使用接口一致。

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