陳 辰，簡 季，楊 鑫，文 兵，聶俊陽

(成都理工大學 國土資源部地學空間信息技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610059)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟建設(shè)和城市化進程的不斷加快，對清潔能源特別是電力的需求不斷增加，導致電力供給和電力建設(shè)規(guī)模也在不斷擴大。但是目前電網(wǎng)還存在以下問題：電力數(shù)據(jù)格式多樣缺乏標準，導致彼此無法共享信息，形成“信息孤島”，電力數(shù)據(jù)的利用率低；電力建設(shè)的各階段大多還以二維圖紙抑或單獨三維模型為依據(jù)，缺乏真實地理環(huán)境，無法直觀地表達信息，工作效率低。通過探究發(fā)現(xiàn)，三維仿真系統(tǒng)是解決以上問題的有利手段，但由于計算機硬件與軟件的發(fā)展水平有限，并且輸變電工程具有線路繁復、設(shè)備形狀不規(guī)則且數(shù)量龐大等特點，使得大型輸變電工程的三維仿真系統(tǒng)實現(xiàn)變得十分困難[1]。

目前，對于輸變電工程的三維仿真系統(tǒng)，國內(nèi)外學者的研究重點絕大多數(shù)都在系統(tǒng)算法層面進行優(yōu)化。例如，針對模型數(shù)據(jù)量大，調(diào)度效率低的問題，黃良等提出對點分層快速調(diào)度算法對線路上桿塔站點之間的傳輸效率進行了優(yōu)化[2]，孫小虎等提出聚合和動態(tài)調(diào)度算法使變電站模型可視化在加載速度上有所提高[3]。也有不少學者研究將LOD思想與金字塔結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使大量三維地物模型能夠高效顯示[4]，或是通過計算機緩存機制和顯示策略，提高三維場景的流暢度，從一定程度上緩解計算機存儲的壓力[5-6]。除此之外，也有少數(shù)研究針對電力大數(shù)據(jù)的特點，與場景的結(jié)合、數(shù)據(jù)存儲和管理方式進行架構(gòu)優(yōu)化[7]。上述方法一定程度上對三維數(shù)據(jù)加載速度、存儲模式和模型管理起到了積極的作用，但是由于起初輸變電工程數(shù)字化設(shè)計成果沒有統(tǒng)一的格式，導致現(xiàn)存大量不同格式的三維設(shè)計模型，如DWG、DGN、X、STL和REVIT等，這對電力數(shù)據(jù)的利用和共享帶來了巨大的困難。

不同格式模型有著不同的結(jié)構(gòu)特點，不同的情況也對應(yīng)著特殊的需求，因此電力三維設(shè)計模型數(shù)據(jù)存在來源多、結(jié)構(gòu)復雜、模型整合難度大等難題。針對以上問題，該文基于SuperMap平臺，在傳統(tǒng)三維模型優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用模型層級分類、紋理優(yōu)化、LOD優(yōu)化體系和三維緩存技術(shù)等方法，提出一種面向輸變電工程三維設(shè)計模型流程化整合方案，將不同格式的模型進行了統(tǒng)一整合，有利于數(shù)據(jù)的管理和挖掘。

1 數(shù)據(jù)概況

輸變電工程的數(shù)字化設(shè)計成果包括文檔資料、三維設(shè)計模型及工程地理信息數(shù)據(jù)3類[8]。其中，文檔資料數(shù)據(jù)包括設(shè)計文檔，設(shè)計圖紙和建設(shè)文檔資料等；三維設(shè)計模型數(shù)據(jù)包括X、DWG、DGN、STL和REVIT等格式三維模型，存儲量已達GT量級；工程地理信息數(shù)據(jù)包含三維設(shè)計模型的基礎(chǔ)參數(shù)，如模型姿態(tài)、定位點、關(guān)聯(lián)文檔信息等。

2 三維模型整合方案

三維模型按結(jié)構(gòu)進行劃分，可以將模型分為線框模型、實體模型和表面模型，其主要建模方法有，邊界表示法(boundary-representation，B-rep)、模型掃面建模法(sweep)和幾何實體創(chuàng)建法(constructive solid geometry，CSG)等。根據(jù)數(shù)據(jù)概況，可將DWG和DGN分為線框模型，X和STL可分為表面模型，REVIT分為實體模型，數(shù)據(jù)涵蓋三種結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)有多種格式。其整個整合過程如圖1所示。文檔資料和工程地理信息數(shù)據(jù)部分，是通過程序讀取xml文件里的每個標簽，根據(jù)地理坐標信息生成對應(yīng)Shpfile文件，并將關(guān)聯(lián)文檔與模型姿態(tài)等信息存入dbf數(shù)據(jù)表中。三維設(shè)計模型數(shù)據(jù)部分，首先根據(jù)結(jié)構(gòu)對模型進行分類，如是線框模型或者實體模型則進行模型轉(zhuǎn)化，然后對轉(zhuǎn)化后的模型進行優(yōu)化，最后歸并為S3M模型后，再與Shpfile文件進行融合，最后三維緩存切片制作出大型地理虛擬場景。針對此次研究數(shù)據(jù)概況和實際需求，下面對模型標準格式轉(zhuǎn)化和模型優(yōu)化兩個部分進行詳細介紹。

圖1 流程化整合方案

2.1 模型標準格式轉(zhuǎn)化

通過查閱三維模型格式的文獻資料[9-11]，發(fā)現(xiàn)目前三維模型的標準格式并不統(tǒng)一，而每種格式也有其自身的特點。例如OSGB格式為傾斜攝影常用模型格式，有著數(shù)據(jù)文件碎、數(shù)量多和高級別金字塔文件大的數(shù)據(jù)特點；OBJ格式是基于工作站建模和3D動畫開發(fā)的一種格式，特點為交互性好，有利于模型的共享，但在大型精細化建模上，有著數(shù)據(jù)量較大的問題。除此之外，還有FBX、3DS、STL和DAE等傳統(tǒng)模型，但結(jié)合實際需求，標準格式需要滿足支持表達多源地理空間數(shù)據(jù)、共享性高、高效傳輸數(shù)據(jù)和高效繪制等要求，故該文選擇2019年7月19日中國地理信息產(chǎn)業(yè)協(xié)會所審查批準的空間三維模型數(shù)據(jù)格式S3M作為模型整合工作的標準化格式[12]，其格式與3DGIS結(jié)合密切的同時具有較高的性能。根據(jù)數(shù)據(jù)情況，X和STL為表面模型，絕大多數(shù)GIS平臺即可支持，而DWG、DGN和REVIT則不支持，故需要通過一定的方法對模型的幾何、坐標和屬性信息進行轉(zhuǎn)化。但傳統(tǒng)模型到3DGIS模型的轉(zhuǎn)化方法大多直接進行模型格式的轉(zhuǎn)化導致模型屬性丟失，而為了完整模型的拓撲關(guān)系對模型進行切割進而使模型語義丟失，并且多數(shù)轉(zhuǎn)化忽視了坐標系的轉(zhuǎn)化導致無法與世界坐標系相通，因此通過建模軟件接口與GIS通用格式相結(jié)合總結(jié)出一套新的轉(zhuǎn)化方案，此方案有效地避免了傳統(tǒng)模型的弊端，圖2為文中方法與傳統(tǒng)方法對比。

圖2 轉(zhuǎn)化方法對比

2.2 三維模型與虛擬地理場景優(yōu)化

線框模型由點、線和面構(gòu)成，表面模型和實體模型由頂點與面構(gòu)成，所以對于點和面的優(yōu)化為模型優(yōu)化的基礎(chǔ)，也是許多學者所研究的重點[13-14]。結(jié)合現(xiàn)有文獻與實際情況，該文對電力三維模型提出如下3點基礎(chǔ)優(yōu)化方法：(1)通過搜索算法，刪減電力設(shè)備看不見的面、各種骨架之間的重疊面、各種骨架之間的相交面以及因相互遮擋所導致的不可見的面；(2)使用Stan Melax縮減算法，刪減各個骨架上的冗余點和不可見的點；(3)對模型進行面簡化，控制模型的分段數(shù)，用最少的面片數(shù)進行模型幾何結(jié)構(gòu)的精簡。但對于構(gòu)建一個大型的地理虛擬場景，只針對模型本身往往是不夠的，因此需要結(jié)合現(xiàn)有研究成果，采用紋理優(yōu)化、LOD模型構(gòu)建和三維緩存技術(shù)來優(yōu)化虛擬地理場景和三維模型。

通常在構(gòu)建三維模型時，建模者不會考慮模型紋理的大小，這種行為往往導致紋理的數(shù)據(jù)量大于了模型本身。故針對地理虛擬場景里會同時存在大量模型的情況，紋理的優(yōu)化和共享就顯得十分必要。紋理優(yōu)化常用的壓縮格式有DXT、ETC和PVRTC，其中DXT與ETC的原理類似，都是通過數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)將4×4的像素塊壓縮成一個64或128位的數(shù)據(jù)塊來減少數(shù)據(jù)量，而PVRTC則是根據(jù)精度和每個像素的權(quán)重，融合2張雙線性放大的低分辨率圖來呈現(xiàn)紋理。

Δdi=di-di-1,i=1,2,…,n

(1)

(2)

δ=∑|f(x)-Si|Δdi

(3)

其中，Δdi為觀察點與對象的距離，S為對象的近似表達，δ為真實對象與近似對象的差值。

因此將LOD構(gòu)建問題轉(zhuǎn)化為求使廣義函數(shù)最小的問題，實際使用時通常要結(jié)合需求來進行處理，得到理想的LOD模型。

緩存技術(shù)是主流地理信息系統(tǒng)中常用的圖形顯示技術(shù)。該技術(shù)大大縮短了用戶的等待時間，提高了工作效率，并使圖形數(shù)據(jù)的瀏覽速度更加流暢。根據(jù)不同的使用場景，緩存可以分為二維緩存和三維緩存。對于圖像和DEM數(shù)據(jù)，通過三維緩存技術(shù)對圖像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，將圖像數(shù)據(jù)縮小為具有不同分辨率的圖像集合，通過重采樣，可以建立一系列具有不同分辨率的圖層，然后再進行分割、存儲并建立相應(yīng)的空間索引機制，以提高縮放和查看圖像時的顯示效率。對于地理虛擬場景，生成場景緩存時要對整個三維場景進行瓦片切分，當瓦片所在的位置出現(xiàn)在視圖內(nèi)時才對其進行加載，使用這種方法可以加快初始渲染，減少等待時間。綜合以上理論和方法，制定出三維模型與虛擬地理場景優(yōu)化方法，其流程如圖3所示。

圖3 模型優(yōu)化流程

3 實驗結(jié)果與成果展示

3.1 實驗結(jié)果對比

為驗證整合方案的有效性和科學性，該文使用X模型、DWG模型和REVIT模型，共3種模型格式，在配置為Intel I5 1.60 GHz Core(CPU)，英偉達MX250圖形處理單元(GPU)和無線網(wǎng)絡(luò)的筆記本電腦下進行整合工作，并將實驗前后數(shù)據(jù)進行對比分析。

從表1、圖4和圖5可以看出，模型處理后的視覺效果基本與原模型保持一致，但X模型實際頂點數(shù)減少了80%以上，三角面數(shù)減少了20%左右，數(shù)據(jù)量與渲染時間下降1倍左右，優(yōu)化效果明顯。DWG模型由于模型結(jié)構(gòu)變化導致結(jié)構(gòu)較復雜的桿塔數(shù)據(jù)量有所增加，但模型數(shù)據(jù)量仍處于場景能夠接受的范圍(普通性能電腦渲染300萬個三角面左右可保持45以上的幀率)，圖6為REVIT模型轉(zhuǎn)化后的效果圖，可以看出模型語義保存完善，門、窗和欄桿等也都十分清晰。

圖4 X模型優(yōu)化前后對比

圖5 DWG模型格式轉(zhuǎn)化前后對比

圖6 REVIT數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后展示

表1 X模型轉(zhuǎn)化前后對比

3.2 成果展示

通過模型整合流程所得虛擬地理場景如圖7所示，可以看出桿塔模型與高清影像中桿塔圖像位置大致相同，證明模型與GIS數(shù)據(jù)結(jié)合較好；圖8為輸電線路接引站與地下管廊地上地下一體化展示，可以看出，都較好地保證了模型的完整性。

圖7 GIS信息融合展示

圖8 三維模型地上地下一體化展示

4 結(jié)束語

針對三維設(shè)計模型數(shù)據(jù)存在來源多、結(jié)構(gòu)復雜和模型整合難度大的問題，提出了一種面向輸變電工程三維設(shè)計模型流程化優(yōu)化方案，通過實驗得出以下結(jié)論：

(1)通過對比選擇適合3D GIS發(fā)展趨勢的S3M標準格式，并通過實驗與傳統(tǒng)方法對比，證明在保證模型坐標系、屬性和語義的同時，將不同格式的模型進行了統(tǒng)一，有利于數(shù)據(jù)的管理和挖掘；

(2)結(jié)合數(shù)據(jù)實際情況分析，對模型頂點和面進行針對性優(yōu)化方法，使表面模型的數(shù)據(jù)量下降95%左右，采用LOD模型構(gòu)建和對場景進行三維緩存切片來控制場景性能，渲染時間較優(yōu)化前減少約1倍，這都為后續(xù)開發(fā)基于Cesium框架的三維仿真系統(tǒng)提供了強有力的數(shù)據(jù)保障；

(3)利用軟件二次開發(fā)接口，實現(xiàn)不同格式的三維設(shè)計模型一鍵化處理，大大減少了傳統(tǒng)模式所需的人力資源；

(4)通過已有三維設(shè)計模型進行整合，但模型僅具有單一的設(shè)計屬性，而對于模型本身更優(yōu)秀的優(yōu)化算法也將是下一步研究的重點。