（广东电网有限责任公司湛江供电局 524000）
摘要：本文重点提出虚拟现实技术（VR）与地理信息系统（GIS）二者相结合的输电线路建模方法。提出了三维场景建模的方法。通过引用数字高程模型数据来构造多边形，并且对其进行相应的变换，包括投影，几何形状的变换，如对几何形状进行平移，或是大小的缩减放大等。采用vega技术实现了虚拟场景的漫游功能，包括对视景生成、视点控制等。
关键词：输电线路；虚拟现实；场景漫游
结论：
GIS技术即地理信息技术是目前关于地理信息以及数据存储、互联网技术的一种综合应用，通过软件作为载体为地理信息的管理、更新、处理提供信息化的管理平台。并且在人机交互上表现出更加良好的用户体验。目前常见的GIS有多种类型的应用已经分布在众多行业，包括服务业中的滴滴打车、包括导航中的百度地图等等。目前关于地理信息系统在输电线路建模中的应用还较为少见，因此针对目前已有的GIS技术如何发挥其功能将其应用在输电线路建模中，便于在实际工作中提高效率则是需要研究的一个热点问题。
1 GIS技术的研究背景
GIS技术即地理信息技术是一种集采集、存储、管理、处理和分析为一体的计算机技术，目前随着信息技术的广泛应用和深入的挖掘已经形成了诸多关于地理信息方面的应用成果，其中最为著名的则是google earth软件，该软件由google公司研发并免费开放给用户进行使用，并且通过网络共享的方式不停的采集和完善其数据库实现对地形、地貌、实景地图的多尺度描述。
目前随着网络技术的发展，大量的地理信息系统开始倾向于向网络化的方向进行发展，在横向上通过网络进行多数据库的互联实现对于不同数据的共享，例如用户与服务器端的共享，google earth就是通过大量的用户上传照片了实现对实景景观的描述，并采用拟3D的技术实现人物视角的带入功能。在纵向上则是根据不同的专业加入对应的技术要求，从而丰富其技术特征，例如在我国的土地管理方面就大量的采用了基于GIS技术，实现了对于土地的测绘、丈量以及统计的功能。目前火爆的汽车租赁软件也都采用了GIS与移动终端定位的技术来加以实现。总的说来GIS技术以及进入了我们日常生活中的各个阶段，并且随着互联网的数据共享以及互动性进一步深入的趋势，GIS技术将进一步完善和丰富我们的生活和工作。
2 GIS在输电线路建模中的特点及作用
在通过GIS技术进行测绘之前往往采用人工的方式进行测绘，并且在数据的存储上也表现为纸质文档的归档进行保存，这是GIS在测绘应用中的最大差别，第一是测绘的精度，第二是测绘数据的处理，第三是数据的保存上都存在一定的先进性，以下将分别从这三个方面进行论述：
第一，测绘的精度。测绘的精度是输电线路建模中最为核心的部分，在精准测绘的基础上进行相关的设计、处理都会更加精确。而GIS技术由于大量依靠了互联网的数据共享、计算等功能，在大量数据共享的基础上则会产生不同程度的数据冗余，从信息传递的角度来看具有冗余的信息在处理过程中如果采用正确的方法则可以进行有效的自我矫正，从而提高基础数据的准确程度。
第二，数据的处理，由于GIS的数据和信息都是以数字文档的形式进行保存，其精度可以通过一系列的数学算法来检查数据的细微变化从而实现对于测绘信息的精准处理，在这方面比较具有代表性的方法就是小波分析等方法。其原理是通过一组小波函数对目标数据进行扫描，将不同变化程度的信息进行提取，从而实现对细微差别变化的辨识效果。基于以上的种种原因，GIS在数据的处理上具有传统输电线路建模所不具备的数据处理优势。
第三，数据的保存，目前的GIS技术都跟互联网存在一定的联系，通过网络方式进行保存，不仅在数据的存储上更为可靠性，另外在数据的共享上也具有更为便捷的优势。
所以，总的说来GIS在输电线路建模上具有以上三点的主要优势，无论是在数据的存储、处理、共享以及辅助测绘的精准测绘和数据校核上都具有更为强大的功能优势。
3基于 GIS信息采集在输电线路虚拟场景建模应用思路
3.1数据采集
GIS在输电线路建模中目前主要应用在数据的采集以及处理上。首先在数据的采集过程中，传统的方式是采用人工进行扫描数据，通过对实体测量以及制作出对应的栅格图，然后通过人工扫描的方法来进行测绘和计算。但是在GIS技术的支持下则可以通过电脑进行数据的处理。通过GPS的定位获得需要测绘对象的初始数据，而绘制栅格图以及对应的宽窄缩放等功能则可以在计算机的后台自动运行和进行计算，然后将直接测绘的结果直接输出。并且由于GIS一般与网络相连，在GPS定位扫描的阶段就可以将扫描的结果和网络上的测量结果加以对应和校核，实现对数据的自动校核，保障初始数据的正确性，另外在宽窄缩放的过程中其计算过程都是通过程序进行完成避免了在数据处理的中间过程出现人为错误导致的结果错误现象，在数据采集和测绘的中间环节上具有更好的准确性。因此在输电线路建模的第一步对于数据的采集过程中GIS具有传统方式不具备的准确性以及便捷性。
3.2 数据处理
目前由于数学算法研究的不断深入出现了一系列的分析算法，这些算法在输电线路建模中进行数据处理具有人工距离所不具备的优势。例如前文提到的小波分析方法，还有最小二乘法等等，在数据不完备或则难以测绘的地区都可以进行较为准确的预测或者是辅助输电线路建模人员对于数据进行预处理，保障测绘的准确性。而这些数据分析和处理方法对于数据的处理涉及到大量的信息搜集和计算，在这一过程中传统的人工模式无法实现对于数据的海量处理。并且由于GIS的数据是采用的数据库的形式进行存储，在数据的关联上具有更加优厚的条件。而对于输电线路建模而言不同的实体对象之间在测绘的过程中是存在关联关系的，在以往的工作中对于实体关系的建立往往是通过人为的方式进行整理，而在GIS系统中侧需要做好对应的数据属性关联即可以实现这种功能。
4 基于GIS信息采集在输电线路虚拟现实场景的模型建立
4.1地形建模
构建地形模型在虚拟环境构造的过程中起着十分关键的作用，它用来表达延续空间信息，同时，承载着表达其它地表物体、定位其它地表物体的功能。地形模型的主作用途是更好地呈现地面特点，地形环境正是以它为基础进行呈现。三维地形建模作为一种曲面模型，用来表达地球某一表面的地形特点。通常情况下，地形表面视为单值曲面，也就是说，在此模型中的任意一点（x，y）均存在着一个唯一值z，也可看出，此模型本质上来说是半三维模型。在对三维地形进行可视化的过程中，可以利用此模型的交互性特点及它的三维特点，同时因研究重点主要为地表空间，所以仍将其称为三维模型。
图1 三维场景绘制过程
数字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）是使用数字化技术创建地面模型的一个分类，它的意思是在指定的投影面上，以已定义的水平垂直间隔，选取地面的参考点，并将它们的三维坐标集合起来，它的本质是实体地面模型，利用有序数值来表面地面的高程特征，它为地形可视化提供丰富的数据源[24]。，以下几种方法包括：（1）等高线表示法（2）规则格网法（GRID）（3）不规则三角网法（TIN）
其中，原始采样数据直接作为TIN建横的数据来源，并不需要生成新的数据点，对分散在采样区域的数据点通过一定的方式进行集合，并最终创建三角形网络。当下经常使用Delaunay 三角剖分方法来创建TIN三角网，以上的Grid 方法或是 TIN 方法，都只对X、Y值进行使用，来构建平面网络，这样的网络表达了XY投影平面的拓扑关系，它将第三维信息应用到平面网络，最终创建了连续表面。计算机对地表曲面的处理实际上是将一定数量的、符合精度要求的连续面元集合起来。因此，Grid 方法和 TIN 方法也可以理解为表面剖分法。
图2 地形等高模型
4.2地物建模
输电线路中，建立标准道路的模型时，采取的主要方式是高级算法，它具有较高的准确度，同时可以较快生成路面特征，无论是直线道路、还是曲线道路，各种道路模型的构建都非常形象真实，它开始广泛应用在一些重大的领域包括车辆的设计等。它有五个基础功能：（1）自动生成标准道路的纹理贴图；（2）生成细节刻画较为深入、层次较多的模型；（3）构建的三维几何模型满足适合美国国家高速公路与交通协会（AASHTO）标准；（4）自主设定交通道路中的分道线等；（5）建立一些交通标志的模型。
所以，在这篇文章中，主要采用了标准道路建模工具来研究和构建输电线路的主干道模型，使用的方法有：
（1）Road/Construction Tool：道路构造工具。对于一条完整的道路来说，它有不同的路段组成，包括直线型路段、曲线形路段等，道路是对这些路段的随机组合。Creator技术在生成道路路段的时候，会根据不同的路段及其具体参数等构建，同时需要在相应的属兔中输入道路控制点的位置。
（2）Road/Road Tessellation：道路配置工具。在构建道路的时候，如果只是单纯的使用道路构造工具，只能确定道路的几何属性例如道路的长度以及方向等，但是如果道路只具有其几何属性，那么它的真实性远远不够，只是一条条带状物而已。所以，使用道路配置工具加上包括路宽、路灯在内的其他道路属性可以明显提高道路的立体感和真实度。
5 展示系统的实现
5.1场景融合
从整个框架建构模式来看，拥有MFC数据基础的Vega应用程序在其开发过程中有具体的模板可以参考与套用，极大的简化了工作需要的时间与精力，同时在模板的基础上也可以进行实时的调整，具有一定的灵活性。模板方法模式就像是一个具备科学依据的框架，并伴随附加有多种合理的附加程序供选择，通过基础框架的运用再逐步完成各个子类的构建。
Vega程序执行一共具有5个环节，主要分为静态描述与动态循环两大部分。在最初的静态描述部分中按照顺序有三个阶段，分别是系统初始化与系统定义以及系统配置阶段，在静态描述部分通过对特定函数的调用来实现对图形运行环境进行初始化、对系统各项参数进行初始化、定义公共数据区域的性质以及初始的内存量、对各项系统文件进行配置等；动摇循环部分则包括应用进程/同步处理，以及剔除/绘制当前帧，这两个阶段是建立在静态描述的三个阶段的基础之上，其作用是对当前帧进行相关具体处理行为，对虚拟现实场景的物体景象进行实时显示，并且不断进行循环工作以保证视窗画面的动态持续，不会出现跳帧与卡顿等不良体验。
图3场景界面
实时虚拟现实场景的构建是通过对现实场景进行3D技术的建模与材质贴图以及在整个三维技术构建的虚拟现实形态，用户通过虚拟现实装置产生的实景图像对整个虚拟现实场景进行视觉直观体验，虚拟现实技术是以三维技术为基础通过计算机为实现载体，以现实场景为目标进行三维建模与渲染等艺术处理，用真实的视觉形式进行展现，并且用户在虚拟场景中还能够与场景中的物体通过控制器进行各种互动行为，从而更加真实的对虚拟世界进行观察与体验。在进行虚拟现实场景的应用程序开发过程中，其主要开发程序是Multigne公司研发的Creator以及Multigen Vega，这两个开发工具对虚拟现实场景构架具有较高的效率，通过对场景内物体的建模与纹理贴图，并对相关地貌进行处理，再将构建好的物体模型导入到Multigne Vega运行环境中，就完成了最初的虚拟场景。
5.2漫游功能实现
1、步行模式的漫游
在步行模式中通过鼠标与键盘的相对键位控制来代替漫游者的视角移动与视角位置，其具体键位与功能的对应如表4 所示：
因为在步行漫游模式中需要键盘与鼠标的控制来实现漫游者的视点移动，因此需要运用函数的方式来进行设置，具体需要添加鼠标与键盘的消息代码，以下是具体的代码内容。
//创建表征观察者位置的变量
float ObserverX，ObserverY，ObserverZ，ObserverH，ObserverP，ObserverR
//创建vgPsition实例
Position=vsNewPos（）；
vgGetPos（obs，pos）；
vgGetPosVec（pos，&ObserverX，&ObserverY，&ObserverZ，&ObserverH，&ObserverP，&ObserverR）
//定义键盘“向上”按键的坐标计算方法
ObserverX= ObserverX-0.5*sin（ObserverH*3.14/180）
ObserverY= ObserverY+0.5*cos（ObserverH*3.14/180）
//定义键盘“向下”按键的坐标计算方法
ObserverX= ObserverX+0.5*sin（ObserverH*3.14/180）
ObserverY= ObserverY-0.5*cos（ObserverH*3.14/180）
//定义键盘“向左边”按键的坐标计算方法
ObserverH= ObserverH+1
/定义键盘“向右边”按键的坐标计算方法
ObserverH= ObserverH-1
参考文献：
[1]国网电网公司资产管理规范（征求意见稿）[Z].国家电网公司，2013.
[2]电网设备状态检修管理标准（试行）[S].国家电网公司，2011.
[3]输变电设备风险评估导则（试行）[S].国家电网公司，2008.
论文作者:赵永强
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/19
标签：数据论文; 建模论文; 模型论文; 道路论文; 虚拟现实论文; 技术论文; 场景论文; 《电力设备》2017年第31期论文;