三维输电网GIS系统的研究与应用

　　摘 要： 本文介绍了都匀供电局输电地理信息系统（GIS）的建设和系统概况，以及开发应用体会。输电网地理信息系统，用矢量化的地形图做为系统背景图，采用GIS技术来管理和维护供电局管辖范围内的输电网设备设施之间的关系。系统涵盖了输电设备的台帐、运行、检修、抢修、规划等各方面，各类输电设备台帐进入了计算机图形化管理，满足各部门对输电网空间信息查询和分析的要求，提高了输电网管理水平。

　　地理信息系统（GIS）可以将输电网中的各种信息有机地与反映地理位置的图形信息结合，实现具有拓扑结构和分析功能的空间数据库系统，并且提供了强有力的手段处理图形和非图形信息，为电力部门提供智能化决策和控制。因此，在输电网中采用GIS技术不仅仅能使输电网的管理上升到一个新的高度，也为改进输电质量、减少事故和检修时的停电时间、提高供电可靠性、降低电网运行费用提供了新手段[1].

　　目前在电力系统中广泛应用的主要是基于二维坐标的GIS系统，系统采用层的形式区分显示各种类型的地物元素，即在不同的层中以点、线、面等符号表征不同类型的实际物体。二维GIS系统的缺点就是其简单的几何图形加标注的表现形式并不能真正地反映线路、杆塔等电力设备设施周围的地形地貌，不能为巡视、操作及检修人员提供一个真实的功能环境信息。

　　随着计算机图形技术、空间数据库技术的发展，特别是虚拟现实技术在电力系统信息化中的逐步应用，一种基于空间数据库技术和三维虚拟现实技术的三维地理信息系统应运而生[2].相比较于二维GIS,三维GIS的优点是增加了z轴上的表现能力，使空间物体在程序中能够地真实显现，使操作更加方便，对减少误操作率及提高电力系统的安全性有重要意义，并且能够表现地物之间的空间垂向关系，因此在空间分析能力上也较原来的二维GIS系统更胜一筹。本文借助虚拟现实技术，通过VRML与Java相结合，实现了一个三维输电网GIS系统。

　　1 虚拟现实（VR）技术

　　虚拟现实（Virtual Reality,简称VR,又译作灵境、幻真）是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

　　VR是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将的3D世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形（CG）技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。

　　将虚拟现实技术应用于计算机系统中，就形成了VR系统。VR系统一般应具备以下特征：（1）以计算机系统为中心的一种计算机应用系统；（2）展现三维多媒体空间；（3）对象的交互性；（4）使用者的访问不以VR系统作者的设定为转移，可以由使用者本身自由控制[4].

　　虚拟现实的实现有软件和硬件两种实现方法。对于后者需要昂贵的硬件设备，例如头盔显示器等，目前仅仅应用在航天和军事上。而利用软件编程的方法在显示器上输出逼真的具有虚拟现实特征的三维场景，用软件的方法对硬件依赖性不高，相对来说易于实现，运用范围日益广泛。本文将采用软件方法实现。

　　2 系统设计相关技术

　　本文采用VRML与Java相结合的手段来实现一个三维输电网GIS系统，下面将分别介绍VRML及其与Java相结合应用的技术要点。

　　2.1 VRML语言

　　VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虚拟现实建模语言。是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言，也具有平台无关性。是目前Internet上基于 WWW的三维互动网站制作的主流语言。 VRML是虚拟现实造型语言（Virtual Reality Modeling Language）的简称，本质上是一种面向web,面向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语言。

　　VRML场景（Scene Graph）由多种类型的节点组成，包括外形节点（Shape）、几何节点（Geometry）、造型节点（Appearance）、组节点（Group）、父节点/子节点（Parent/Children），还包括变换节点（Transform）、超链接节点Anchor、脚本节点Script、碰撞检测节点Collision、产生动画效果的Timesensor节点、用于构造分布式场景的Incline节点、为增强场景漫游动画效果的节点（Background节点、Fog节点、Navigation节点、Viewpoint节点、WorldInfo节点）等。每个节点包含一个或多个域，每个域都有域值，节点还可以包含其它节点。VRML采用树状分支描述的格式，并提供了面向对象的建模方法。

　　VRML本身还具有交互功能：各个节点可以通过事件体系发送接收事件；传感器使用鼠标或数据手套等定点设备可以感知与之发生的动作并产生相应的事件；脚本节点可以通过编程使节点产生复杂的动作。此外，VRML中的内插器节点和时间传感器节点也为动画的实现提供了基础。

　　2.2 Java与VRML实现三维交互

　　VRML提供了功能强大的Script节点，可以与外界通信，一般采用Java或者通信接口。而Java语言具有简洁、精干、面向对象和跨平台的诸多优势，采用Java与VRML进行交互有如下的几个优势[5]:

　　（1）Java语言与平台无关，Java程序是解释执行的，它的源程序通过编译成。class文件执行；

　　（2）Java语言提供了安全性机制，它没有指针，不会有操作内存引起的程序安全问题；

　　（3）Java提供了简便的网络功能，在IE浏览器中可以嵌入Java Applet小程序。

　　采用Java语言与VRML场景中的节点通信，从而扩展了VRML场景与外部的交互能力。提供了与Java结合的几个相应的Java类，在Java程序编译时指定了这些类的路径就可以运用这些类，例如Browse.class等。这些类能够改变VRML场景中相应的变量值，当建立的Java Applet程序引入了VRML场景文件和这些功能类，即可完成对VRML场景中物体位置、颜色、大小等的控制。

　　本文采用Java语言开发Java Applet这种可以从网络上自动并可嵌入HTML文档中的小程序，它可以随着HTML一起、打开，当退出IE浏览器后Java Applet将会和HTML一起清除[6].系统中需要安装支持JDK1.3的IE浏览器。微软公司IE4.0以上的版本都支持JDK1.3.

　　由于VRML本身不支持直接的交互，在操作VRML文件时，只通过VRML提供接口，然后在Java程序中调用Java与VRML两者结合的类实现。图1表示了VRML文件的操作过程。

　　本文用图2所示的铁塔为例说明VRML是如何进行三维绘图和控制的。

　　#VRML V2.0 utf8

　　#Created with V-Realm Builder v2.0

　　#Integrated Data Systems Inc.

　　#www.ids-net.com

　　Transform {

　　translation 0 0 0

　　scale 3 3 3

　　children [

　　DEF group03 Transform {

　　translation 29.27 5.162 17.86

　　children [

　　DEF Loft57 Transform {

　　translation 24.29 -5.162 -1.867

　　children Shape {

　　appearance Appearance {

　　material Material {

　　ambientIntensity

　　0.2

　　……

　　VRML语言对物体的变量进行了描述，如变量shape描述了物体的大小、translation描述物体的位置，这些量都是用数组来表现的，并且可以在Java中进行调用和改变，同时，这些文件也可以用写字板打开查看程序内容。铁塔是由很多个元件组成的。制作时把它们合成了一个transform,这是中间的一个translation;下面的translation是其中一个元件位置translation、appearance以及material.

　　还可以在Java程序中设置事件函数，改变VRML程序中的变量值，利用getEventOut和getEventIn设置事件前与事件后的状态。若需要发生事件如点击物体后弹出一对话框，可以这样写：

　　getEventOut（OnClick）{

　　A=get（"group03.translation"）；

　　B=GetEventIn（"A"）；

　　F=Form（）；

　　//定义点击事件的结果

　　def ButtonClick（Onclick, event）：

　　//弹出对话框显示物体的translation值

　　MessageBox.Show（"B"）；

　　b.Click += ButtonClick;

　　f.ShowDialog（）；}

　　3 系统特点和功能

　　3.1 系统结构特点

　　本系统以GIS为平台，搭建了一个有较完全功能的三维输电网信息管理系统，其总体结构框图如图3所示。

　　应用程序首先对GIS平台上的信息进行提取，这些信息将有助于形成描述VR世界的文件。由于三维GIS需要对空间数据库进行操作，因此必须在应用程序和空间数据库之间借助空间数据库引擎（SDE）搭建一个空间数据传送和操作的桥梁。为了对空间数据库中的数据更加有效地利用，还引入了空间数据库挖掘的方法，运行人员之间很难传承和共享这些经验，一旦利用数据挖掘的方法，就可以完成对运行模式的提取和重建立，从而节约运行成本、加快事故处理过程、提高电力部门的经济效益。

　　3.2 系统功能

　　（1）图形操作功能。三维显示地物，如输电线路走向、弧垂和铁塔高度、位置等。图形以三维实景方式实现平滑放大、缩小、旋转、沿预定线路漫游、绕固定点飞行等图形观察功能。另外，为了展现在用户面前时不管是局部还是全景，都会显得清晰而不杂乱，还可以根据需要设置缩放倍数和地物显示的缩放级别。

　　（2）地物属性查询和统计功能。根据用户习惯设置多种不同的搜索方式，利用模糊查询和查询相结合，任意查询统计线路及设备台帐。

　　（3）空间数据挖掘功能。根据大量的空间数据和非空间数据，建立空间数据仓库，采用聚类、分类及空间关联算法，在一定程度上完成对运行模式的提取和空间分析，给运行人员提供辅助决策。

　　（4）空间查找和定位功能。根据用户输入的信息，采用空间索引技术，迅速查找到空间地物并做出标注，且将查找到的地物置中。如果没有查找到，则给出提示对话框。

　　（5）主接线图管理功能。三维图形和二维主接线图可以相互对应，并且将实时采集的信息量作为多个字段写入数据库中，如果希望在主接线图或GIS图上显示这些量，可以通过程序将数据从数据库中读出并反映到界面上。

　　（6）图形输出打印功能。可以打印三维全景图和二维主接线图。