毕业论文-基于Skyline的电网GIS三维可视化的建设

.绪论1.1国内外电网GIS的发展概况GIS的出现开始于二十世纪六十年代。世界上第一个GIS的出现是在1963年加拿大土地调查局为了对调查得到的庞大的土地调查资料进行有效的处理，而由R.F.Tominson提出建立。二十世纪七十年代之后，由于计算机的软件设备和硬件设备的更新速度很快，尤其是使用那些可以存储大量数据的磁盘，进行数据的录入、检索、储存、输出，为那些复杂的数据处理提供了有力的技术支持。GIS的应用和普及的脚步加快的时代是在二十世纪八十年代，计算机发展迅猛GIS也逐步迈向成熟的道路。电网GIS早期的形式是CAD数据库，之后逐渐的发展到传统GIS的应用时期，到二十世纪九十年代初期，电网GIS开始发展AM/FM/GIS这一新颖的应用。在二十世纪末，本世纪初，我国逐渐开始电网地理信息系统的建设，约2000年，国内GIS的建设看似一片蓬勃发展，许多大型企业纷纷上马，但最后许多企业都以失败告终。主要原因是：1、当时我国的软件发展还处在初期阶段，不具备软件行业的大环境；2、管理和技术存在问题；3、系统中的电网资源是整个电力系统中的支撑性信息。而当时考虑问题只放眼于局部，建成的GIS的信息只是单个项目的，形成独立的信息。而现今的电网GIS已经与传统的GIS建设构想思路有许多的不同，可以说是在不断的创新，不仅在管理，技术上，还在各个行业中，基本上都具备了实施建设电网GIS的条件。1.2研究意义及主要内容电能在当今世界上是不可缺少的，随着国家的发展和人民生活水平的提高，电能变得越来越重要。为了提高电网的可靠性，提高供电质量，保证高质量的电能源源不断的提供给用户，而进行三维电网建设是最好的选择。传统GIS模型是使用计算机对现实世界中的地理空间进行分割，这种分割是很不协调的，让人觉得很抽象难以理解，就会让我们认识到地理空间的认知模型与经过计算机处理后得到的模型无法对应上，显得计算机模型不真实，在表达复杂的地理实体中，很难让人满意，更加难以满足现实世界中的各个特征的要求。在GIS软件的开发中，语义分割的合理性是很重要的，不合理就将很难真实的表现出现实地理空间中实体与实体间的关系，这就会影响到更高层次的分析与处理操作的实现。有需求就有动力去发展，随着计算机迅速的发展，那些空间数据的模型和结构就提出了更多的要求，而要达到这些要求，仅仅停留在传统的地理空间数据模型阶段是不行的，传统的地理空间数据模型的弊端越来越明显，这一模型只是表达地理空间现在的信息，是不变的单一的，它无法表达地理空间以前的变化过程。而三维GIS是在现在开放式信息技术框架体系下，与现在有的相关系统融合与衔接，以数字地球作为载体，应用高清的影像数据、数字高程模型数据、高精度电网信息数据作为基础，再以三维可视化作为那些收集到的信息的表达方式，最终形成电网的三维可视化。使用三维可视化这一最新的技术和地理空间信息技术来建立一个“三维电网”，从而对电网进行科学的管理，降低电网的运营成本；为电网涉及到的规划、设计、基建、生产运行各个部门管理提供宏观决策支持服务，为坚强的智能电网建设奠定基础。2.Skyline软件介绍Skyline软件平台提供数据从生产到编辑继续到网络发布这一系列成熟的商业性的解决方式。不管在单机运行的环境或者是在互联网的环境，用户都能够获得自己所需要的功能，建成符合要求的三维地理信息系统[1]。2.1数据生产TerraBuilderTerraBuilder可以运用两种不同的方式产生自己所需要的三维场景数据：第一种是MPT数据，三维场景文件(后缀名是.mpt)，是由TerraBuilder所计算出来的；另一种方式是不用先计算好MPT文件，而是实时运算DEM和影像数据(DirectConnect模块，并且与TerraGate结合)，实时发布给浏览器(TerraExplorerPro或TerraExplorerViewer)，这时的数据是.tbp后缀的文件。后一种方式很明显的可以减少运算MPT文件的时间，从而实现迅速发布，更新那些比较频繁的数据。TerraBuilder的特点：（1）TerraBuilder可以高效的处理大量的数据，结合大量的航摄像片、卫星的影像图、数字高程模型和矢量数据，能够很迅速的建立含有海量数据的三维地表数据集[2]；（2）领先的小波压缩技术，为最小化磁盘的存储进行数据的压缩[2]；（3）支持大多数源数据的标准数据格式；（4）自动合并不同空间分辨率的源数据；（5）高级用户界面能够实现自动或者手工定制用户化数据集；（6）TerraBuilderFuser的使用，能够实现多台电脑，多CPU在网络中合作共同运算，从而分担工作。TerraBuilder的软件界面如图2-1所示：图2-1TerraBuilder的软件界面2.2数据编辑TerraExplorerPro在TerraBuilder创建好了MPT文件或tbp文件之后，就能够在TerraExplorerPro软件中打开已经建立好的三维的地形数据，进行各项能达到自己需求的编辑工作，其中就有将GIS专题图层的添加、标绘、三维模型等，从而就可以建立一个更加逼近真实世界的3D虚拟的环境。经过TerraExplorerPro的各项的处理和编辑工作，再进行打包(Basickit)存储，生成一个.FLY后缀文件，它存储了区域三维地形信息(并不是地形数据)以及在地形场景中所创建的各种对象信息(二维以及三维的)。FLY文件与ArcGIS的mxd文件在打开方式上有点相似，都能在本地中通过pro或者viewer打开，都能够通过互联网信息服务（IIS）发布，从而客户端可以很容易的打开。TerraExplorerPro的软件界面如图2-2所示：图2-2TerraExplorerPro的软件界面2.3数据网络发布TerraGate、矢量数据发布SFSTerraGate是一款功能强大的地形传输服务器，它能够同时向数以千计的客户传送三维的地形数据(MPT文件或者DirectConnect实时形成的三维地形数据)[3]。TerraGate是在网络无缝可变带宽的基础上运行的。在缓慢的网速中，传送地形数据变得不顺畅时，用户接受的影像就变为低分辨率的影像，利用这些影像用户就可以开始三维的浏览显示，而不用一直等待直到接收所有的影像。SFS（StreamingFeatureServer）是Skyline自身的矢量数据发布的工具，即是Skyline自身建成的WFS[4]。TerraGate的软件界面如图2-3所示：图2-3TerraGate的软件界面2.4Skyline软件优势SkylineGlobeEnterpriseSolution是美国Skyline公司为网络运营的三维地理信息提供的企业级的解决方案[5]。Skyline与其它3DGIS软件相比的优势[6]：（1）完善了空间图形属性的管理和空间的分析功能。通过流方式能够聚集海量的数据量，它可以制作从全球到城市的三维可视化的景观；飞行漫游运行流畅,用户体验良好；（2）支持主流的格式。可以让多种数据源接入，当中就包括WFS，WMS，GML，KML，shp，SDE，Oracle，Excel以及3DSMAX,Sketchup等,对集成信息这一方面有很大的帮助；（3）通过内部网（Intranet）/互联网（Internet）进行三维数据的网络并发传输与访问；（4）在三维模型中的特定区域建起指向网页、数据库和应用程序的超级链接，可以进行与硬件设施的连接。例如与电网的监控录像进行连接，应用在电网的安全服务；与矿井中的监控设备链接，应用于确保煤矿安全的实时动态的监控；与公安交警的监控录像相链接，进行城市公共交通进行实时的监控，这是目前其他3DGIS软件系统所不具备的；（5）强大的二次开发功能，提供开放源码二次开发，Skyline提供完备的API(应用程序接口)。用户可以通过支持COM的语言或脚本(Javascript、C++、VisualBasic)来访问这些API接口，创建自定义工具，客户化定制Skyline应用系统，例如新的测量工具，可以扩展的用户Web界面等应用。3.数据准备3.1数据来源数据，是证明一个系统其完整与否所必不可少的。一个系统如果没有数据支撑，就很难达到用户想要的满意效果。然而，数据准备是整个三维电网建设的初始工作，也是比较耗力、耗时的阶段，数据的质量直接影响到后续整个三维电网的建设和系统实用性和稳定性。建设三维电网需要的数据大致为：测区的倾斜摄影测量影像数据，电力线路的线路分布数据、三维模型数据、电力设施模型数据、二维矢量数据、图片数据等。通过多源数据的融合，可以在3DGIS系统中集成倾斜影像数据、BIM/CAD数据、矢量数据以及正射影像的数字高程数据，对于加强多重数据的复合能力有很大的帮助，提高地理信息提取的可靠性和及时性，便于利用影像数据来辅助GIS空间数据的获取与更新，有效的提升各类数据的使用率。对于BIM/CAD的集成而言，目前的3DGIS看重宏观环境与地理空间信息相关的应用，无法取得建筑物内部的详细测量数据，而BIM/CAD数据则一般用来整合和管理建筑物（包括电力建筑）本身具有的历史数据，两方面的集成使用将满足查询与分析宏观与微观地理空间信息的功能，就会更进一步的达到地理空间数字化的各种需求与应用。通过BIM与三维GIS的集成，将可以进一步的涉及到建筑领域[7]。3.2影像数据一部分影像是使用测区的影像是1:1000、1:5000数字正射影像图，分辨率达到了0.1米，所获取的影像数据需要进行几何纠正、融合、镶嵌裁剪等这一系列的操作才能达到我们地理信息系统所使用的数据的要求，经过了这些步骤后，这些影像才能够达到地理底图的要求。另一部分影像是由倾斜摄影测量所获取的影像数据。斜摄影测量可以同时从多个角度采集影像，在低空以45度角对地面进行摄影测量，可以获得近地高分辨率航测影像。它与以往只能垂直摄影的正射影像不同，它是通过在同一飞行器上安置多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，可以反映地物周边真实情况。3.3DEM数据3.3.1DEM获取这次数字高程模型的数据大部分都是要经过GPS、全站仪、野外测量而获取的[8]；一部分是通过对现存的地图通过数字化仪进行数字化的方法获取数据的[9]。3.3.2数字高程模型对于地形进行模拟，选取数字高程模型DEM。DEM主要分为三种模型：等高线模型、规则格网模型(Grid)和不规则三角网模型(TriangulatedIrregularNetwork，TIN)[10]。三种模型的对比如表3-1：表3-1三种数字高程模型对比等高线规则格网不规则三角网存储空间小（相对坐标）依赖格距大小大（绝对坐标）数据来源地形图数字化原始数据差值离散点构网拓扑关系不好好很好任意点内插效果不直接且内插时间长直接且内插时间短直接且内插时间短适合地形简单或平缓变换简单或平缓变换任意，复杂地形TIN在处理这些很难处理的地形上存在很大的优势。所以，在电网三维可视化中，选取TIN模型当作对地形的模拟。因此，这次选取不规则三角网与相应的影像数据来构建三维地形。4.三维电力模型建设4.1TerraBuilder软件建设三维地形数据通过Skyline的专业系统TerraBuilder加工成三维影像地图平台；1影像加载：数据源（InsertSource）对话框中的数据源类型（SelectSourceType）选择下拉框中的Image，设置对应的数据来源和坐标投影，点击Next按钮，弹出打开对话框，如图4-1所示：图4-1影像数据加载选择待加载的影像数据，点击打开按钮，弹出ImgFormat对话框，选择影像红绿蓝，显示所对应波段，点击OK加载该影像。影像数据加载了之后，影像数据在工作窗口中间显示，如图4-2所示：图4-2影像波段设置另外，ImgFormat对话框中还有两个参数的选项：EqualizeData——数据色彩的均衡化ForceFullMipmapCreate——强制创建全景贴图一般不需专门修改，采用默认设置来加载影像。加载进来的影像数据按照分辨率的高低依次叠置，分辨率高的影像在最上层显示，分辨率最低的在最底层。2高程数据加载：数据源（InsertSource）对话框中的数据源类型（SelectSourceType）选择下拉框中的Elevation，设置对应的数据来源和坐标投影，点击Next按钮，弹出打开对话框，如图4-3所示：图4-3加载高程数据选择待加载的高程数据，点击打开按钮，弹出ImgFormat对话框，主要展示高程的最大与最小值的信息，点击OK加载该高程数据，如图4-4所示：图4-4高程数据信息高程数据加载之后，工作窗口自动跳转到Elevation页面，并将该高程数据居中显示，默认颜色为黑白显示。高程数据的展示效果可以通过菜单View→ElevationColorScheme选择颜色系列来设置，如图4-5所示：图4-5高程展示效果的颜色设置3矢量数据加载：首先需将矢量数据转成TerraBuilder默认数据格式（vi.mpu）。具体操作：菜单Tools→ConvertVectorFiles，弹出矢量数据转换工具。如图4-6所示：图4-6矢量数据转换工具操作步骤：①添加原始矢量数据②设置输出路径及文件名③选择图层类型（2D或3D）④替换要素类型（Solid2D与Polygon2D互换）⑤输出矢量MPU加载转换后的矢量数据：数据源（InsertSource）对话框中数据源类型（SelectSourceType）选择下拉框中的Vector，设置对应数据来源和坐标投影，点击Next按钮，弹出打开对话框，如图4-7所示：图4-7加载矢量数据选择待加载矢量数据（vi.mpu格式），点击打开按钮，加载矢量数据，工作的窗口自动跳转到Vector页面，并将该矢量数据在中间显示，如图4-8所示：图4-8工作窗口显示的矢量数据经过以上三个步骤，完成的三维场景建设工作，建设的效果如图4-9所示：图4-9三维场景建设效果4.2电力设施三维模型建设倾斜摄影技术三维建模：倾斜摄影技术是近几年兴起的一项技术。它与以前只能垂直摄影的正射影像不同，它是采用同一飞行器上安置多台传感器的方法，从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度来获取影像，可以反映地物周边真实情况[11]。由于倾斜影像技术兴起与得到实际的应用，使得建立三维模型的成本减少。在电塔表面模型建设的过程中，倾斜影像比正摄影像更具有优势，因为倾斜影像是从多角度对电塔进行摄影的，可以显示出多个角度的电塔。自动三维建模技术能够基于图形运算单元快速进行三维模型构建，是通过摄影测量原理。使用TerraBuilderPhotoMesh全自动批量建模技术是基于倾斜影像、街景数据、照片等标准的二维图像中创建一组高分辨率的三维网格模型，不用人工干预，快速构建电力设施模型。而在这一过程中是对这些图像数据采用几何处理、多视匹配、三角网构建、自动赋予纹理等步骤，最终得到三维模型[12]。这个过程单单采用连续的二维图像，就可以还原最接近现实的真三维模型。不用人工的干预就能够批量处理那些海量的三维模型。电力设施三维模型如图4-10所示：图4-10模型制作的流程如图4-11所示：图4-11最终模型建设效果如图4-12所示：图4-12模型建设效果5.基于Skyline的电网GIS三维可视化的应用5.1面向监控画面的动态生成在电网应急指挥的各个过程中，相应的功能是要显示的，可以在对应的应急指挥部门的显示屏上显示出来的，但是每个显示屏是各自分开的，这样就要单个的来操作，这样不仅很花时间还很复杂，这样在出现需要应急的情况下就与要在短时间内很好的解决问题相矛盾[13]。而通过各种技术集成，形成面向应急指挥辅助决策流程中监控画面的动态生成。如某个地方出现故障，发现故障的人员只需输入该地点的线路名称，则三维电网中的功能就会与监控画面结合运行，这样各个显示屏就会自主的切换到故障点一定范围内的缓冲区显示，有利于指挥员了解故障情况做出合适的应急决策。5.2交通信息展示在出现危急的情况时，要保证抢修的人员与装有设备的车辆及时的到达故障点，就必须保证有顺畅的交通情况。将收集到的故障点附近的交通情况，经过研究判断，选出抵达故障点的最优路径。采用自动与人机交互相结合的方式，将经过研究判断得到的交通路径信息在三维GIS上进行可视化显示。实时的交通状态信息；输送路径最佳方案的排序；基于三维GIS上路径的可视化显示；应急人员的跟踪显示。5.3SkylineGlobe移动端应用基于移动端的3DGIS，能够将三维空间地理信息技术应用到移动端，使用互联网远程获取大量的模型和地形信息，能够在手机/平板上显示，通过与手机/平板搭载的传感器(摄像头、距离传感器、陀螺仪、GPS等)的结合，能够让用户体验到3DGIS新的交互方式。Skyline移动端产品能够以Android和IOS操作系统为基础，实现将PC端数据无缝传输至移动端，达到野外巡检、实时定位、三维导航于一体的服务[7]。这一技术应用于三维电网中，可以让检修人员实时的获取各地区的电网情况，出现需要检修的故障点时可第一时间用移动端接收决策部门的信息，进而大大减少电网修复的时间，为千家万户提供稳定的电能。6.对三维GIS的展望以虚拟地球构建的3D场景为基础，在这个基础上进行卫星影像、高程数据、矢量数据的叠加。四维GIS（4DGIS）通常是指在原本存在的三维GIS上加入时间模型而形成的GIS。大多数的人确信地质特征是不会改变的，可是经过调查得出超过大半的地质特征是动态的，如泥石流、地震、台风伴随的暴雨都能使这一地区的地质条件产生迅速的变化。在三维上增加一维会带来很大的问题。就如数据量恐怖的增长，导致数据的采集、存取、处理出现一系列难以处理的问题。但是，这些出现的问题可以随着计算机技术，数据库技术与相关技术的迅速发展获得解决[14]。所以，建立四维GIS并用它来描述和处理地理对象的时态特征是今后GIS的极其重要的发展方向[15]。7.结束语三维电网的建设要经过充分调研和用户需求分析，开发时结合实用性和经济性的原则，力求在较少资金和时间投入的前提下实现既定专题应用功能，从而减轻设计员的工作强度，提高生产效率。这次的建设是利用Skyline为基础，能够满足三维电网的建设前提要求，能够将Skyline的多种功能融合在这次建设的三维电网中，使这一电网变得更加的智能。为坚强的智能电网建设奠定基础。致谢语在这次论文的写作过程中，我迷茫过许久，尤其在资料的查找与准备的过程中，有种无从下手的感觉，在受到了陈绍杰教授的细心指导下，我豁然开朗，明确了自己论文的前路，在此，我对陈绍杰教授表示诚挚的感谢以及真心的祝福。时光易逝，四年的大学生活匆匆而过。在老师们的认真的指导下我们学会了很多知识，让我们度过了快乐的大学时光。在此，我对所有的资源工程学院的老师表示感谢！参考文献[1].SkylineGlobe产品技术白皮书[M].东方道迩GIS事业部,2010.[2]梁艳.基于GIS的矿区沉陷三维虚拟现实实现技术[D].安徽：安徽理工大学，2011：11～15.[3]姚鹏君.基于SkyLine的三维地理信息系统的实现[J].中小企业管理与科技,2009,30:293-294.[4].skyline软件体系及工作流程[EB/OL].westdusk的专栏.博客频道.[5]王柏,胡谷雨,罗健欣.数字地球系统中海量数据存储与传输方案研究[J].计算机技术与发展,2012,3(22).[6]戴洪宝.基于Skyline的数字城市三维可视化系统的研究----以天津市某实验区为例[D].西安:西安科技大学,2010.[7]泰瑞数创.2014年SkylineGlobe全国巡展即将召开[EB/OL].[2014-3-21].产业和信息化.[8]邹学忠,黄健,赵小祥.DEM数据的获取方法[J].2007'全国测绘科技信息交流会暨信息网成立30周年庆典论文集,2007.[9]王国亚.大比例尺地面数字测图[J].太钢科技,2002:82-84.[10]赖鸿斌,李永树.基于不规则三角网的[J].重庆交通学院学报,2004,23(2).[11]王伟,黄雯雯,镇姣.Pictometry倾斜摄影技术及其在三维城市建模中的应用[J].测绘与空间地理信息测绘与空间地理信息,2011,34(3).[12]程效军,朱鲤,刘俊领.基于数字摄影测量技术的三维建模[J].同济大学学报,2005,33(1).[13].电网应急指挥辅助决策系统研究技术规范[R].四川省电力公司,2011-11-05.[14]黄飞江,卢晓春,边玉敬,吴海涛.基于数据窗口的动态字段查询的设计与实现[J].大众科技,2007(02).[15]侯红松,殷国华,雷鸣.浅谈地理信息系统的发展[J].大众科技,