李斯泽

（北京洛斯达科技发展有限公司，北京 100120）

1 概述

为积极响应国家“一带一路”战略，近年来，国家电网公司加快了海外业务的拓展，继巴西美丽山一期项目以后，国家电网公司于2015 年7 月中标巴西美丽山水电站欣古至里约±800kV 特高压直流输电特许经营权项目。工程包括±800kV、4000MW 欣古、里约换流站两座，接地极两处；新建±800kV 特高压直流输电线路2518 公里，线路途经帕拉、托坎廷斯、戈亚斯、米纳斯和里约五个州、81 座城市。是巴西最长、世界第二长的输电线路，也是巴西最高电压等级的输电线路，由于工程具有规模大，跨度长，地质、气象条件复杂，参建单位多等特点，对项目的工程建设管理提出了严峻的挑战。

为保障工程建设管理工作的顺利开展和实施，国网巴西控股公司开展了巴西美丽山二期工程建设管理平台的研究和实施工作。工程建设管理平台主要面向公司中、高层项目管理人员，针对巴西当地政策法规及工作特点，提供了一整套基于GIS服务的施工进度管理、人员物资管理、质量安全管理以及征地环保管理等业务功能。通过三维GIS 平台打造一个真实、直观、可综合展现工程现场情况的三维虚拟现实环境。实现对各类工程实体和管理要素的数字化表达，提供一个更为快捷、高效的工程建设管理工具以及信息整合发布的平台。

Google Earth（简称GE）是由Google 公司在Keyhole 平台基础上开发的一款免费虚拟地球软件，可以提供海量高清卫星影像数据、航拍数据以及高精度地形数据。同时为开发者提供了基于组件技术的应用程序开发接口Google Earth COM API，以满足部分使用者个性化的功能定制和开发需求。当前，GE 已经在地质、能源、农业、建筑以及教育等众多领域中获得了广泛的应用，在电力系统中也同样如此，已被众多国内外学者成功应用到了电力工程设计建设的各个阶段中，如线路勘测设计（邓加娜等，2006；张思祥等，2008；邱宝松，2013；李鹏亮等，2016）、通信光缆管理（倪子强和胡传明，2008）、杆塔坐标校正（马御棠等，2013）以及线路三维建模与仿真（高尚飞等，2009）等。

工程建设管理平台采用了MVVM (Model-View-ViewModel)设计模式进行设计开发，借助GE 平台提供的基于组件技术的应用程序开发接口Google Earth COM API，在GE 平台已有功能基础上进行进一步的功能定制和二次开发。系统数据访问层采用ADO.NET Entity Framework 框架，结合MySQL 数据库，实现了对数据存储、管理和访问。

2 杆塔三维建模

杆塔三维建模需要同时兼顾精细程度和存储效率，通常情况下，精细模型会采用Bentley 软件进行创建，而对于精度要求不高的单线塔模型，则一般采用3DS Max 软件直接进行建模。美丽山二期特高压直流输电线路工程中共有4448 基杆塔，若逐一进行建模，则工作量将十分庞大，同时，鉴于同一线路工程中存在大量塔型和基础类型复用情况，为避免重复建模，一般会将杆塔根据不同的塔型、呼高、绝缘子串类型以及基础类型进行拆分，对每一种类型分别进行建模，然后再根据每一基杆塔的具体配置情况进行模型的组装，以实现模型的复用，提升建模效率。在美丽山二期特高压直流输电线路工程中共创建了18 种塔型以及16 种基础类型，而线路工程中所有杆塔均可通过这些塔型和基础类型的排列组合来呈现。导线模型的生成需要在已知两端挂点坐标的基础上，利用导线弧垂模拟算法根据档距、高差、应力、呼称高等参数信息计算得到（图1）。

图1 部分杆塔及杆塔部件三维模型

3 Google Earth 三维可视化关键问题

3.1 模型数据加载

GE 上的三维模型的加载是通过KML（Keyhole Markup Language）文件和DAE 文件组合实现的。其中，KML 文件是一种基于XML 语法与格式的标记语言，用于描述和保存地理信息（如点、线、图像、多边形和模型等）的编码规范，KML 在2008 年被OGC（Open Geospatial Consortium, Inc.开放地理信息系统协会）宣布为开放地理资讯编码标准。在三维模型的加载和展示过程中，KML 需要存储三维模型的ID、名称、经纬度、高程、方位角、缩放比例、显隐状态等参数信息。而DAE 文件实质上是一个采用COLLADA 标准的XML 文件，以XML 的形式描述了三维模型的各种几何信息和属性信息，然后由 KML 调用并在Google Earth 上加载和展示出来。

由于三维建模过程中对杆塔模型的各部分进行了拆分和模块化处理，因此各个模块需要通过相对坐标进行模型组装和拓扑关系的重建，在GE 中各个部分的模型也是独立进行加载和展示的，为保证模型的正确放置，必须进行坐标换算，杆塔主体（塔头、塔身和塔腿）模型的位置来源于KML 文件中的经纬度信息，而高程信息则需要通过Google Earth COM API 中的IPointOnTerrainGE 接口进行动态获取，以保证三维杆塔模型能在不同地形拉伸比例下正确显示，对于转角塔，模型的朝向需要根据前后两级杆塔的相对位置进行计算来获取。塔基础模型在杆塔主体模型位置确定后直接根据塔腿位置来确定。绝缘子串模型的姿态需要根据挂点相对位置、俯仰角、方位角以及翻滚角共同确定。导线的位置则需要根据分裂数以及挂点编号来综合确定。

3.2 模型数据的调度

由于美丽山二期输电工程跨度大、所含杆塔数量多，如果一次性将所有模型全部加载到GE 平台上，势必会对平台性能造成严重影响，而GE 本身对外部加载的文件并未提供调度管理功能，因此为保障平台的稳定性和流畅性，减少计算资源的浪费，必须开发相应的动态调度功能，巴西美丽山二期工程建设管理平台对所有加载到平台中的二维和三维模型对象均提供了统一的调度管理， 借助Google Earth COM API 的ICameraInfoGE 接口获取实时的视角高度、视窗范围等信息，结合各个图层要素的具体配置，对加载的数据进行显隐控制。

调度系统根据具体业务管理需要，将所加载的数据划分为三个层级，即线路级- 标段级- 杆塔级。针对每一个层级设定不同的视角高度以及视窗范围的阈值，来判断图层的显隐状态，实现要素的动态加载和刷新，具体的图层划分方式如表1 所示。

表1 图层调度分层管理

4 平台应用

美丽山二期工程建设管理平台的主要业务功能包括：计划、环境、征地、施工、移交等，服务工程的基建阶段。围绕美丽山二期工程进行的系统开发、工程数据和技术服务将持续到工程竣工。加载到Google Earth 中的三维模型不仅仅可以用于展示，也可以结合三维GIS 平台，进行一些业务功能的定制开发。部分主要的业务应用如下：

4.1 基础三维操作

可以实现包括对象拾取，空间查询与属性查询、三维场景漫游等，利用Google Earth 平台实现线路的虚拟巡视。可以实现工序状态查询及定位、阻工点查询及定位、交叉跨越查询及定位等业务功能（图2）。

图2 杆塔三维建模

4.2 工程进度管理

平台建立了项目总体进度管理、专项工作进度管理以及细分专业进度管理三级进度管理体系，将进度信息与空间要素信息紧密结合起来，提供多角度、全方位的工程进度管理功能（图3）。

图3 工程进度管理

4.3 征地、环保管理

平台将工程沿线的海量、多源、异构征地数据完整纳入统一管理。支持各种类型土地协议的存储和管理；整合全线环境保护区、动植物调查信息、社会人文、考古等信息。

4.4 征地管理

在平台上整合全线路径设计信息、土地业主信息、进场通道、沿线环境保护区、交叉跨越等信息后，通过可视化表达，整合各类型跨越信息，辅助精准定位跨越，制定跨越方案。

5 结论

本文借助Google Earth 平台，实现了三维杆塔模型的动态加载和展示，并结合基建工程业务需要，实现了基于Google Earth 平台的工程建设管理平台的开发和应用。利用三维建模技术构建了涵盖整个输电线路的三维模型，所有模型均按照真实的比例和形态特征进行建模，不仅将工程建设的设计结果以生动形象的方式呈现出来，而且也为建设工程的设计与施工提供了相互协调且内部一致的信息模型，实现了设计与施工的一体化。

基于GE 平台，实现了三维线路模型的加载和展示，通过坐标转换完成了杆塔各部分模型的组装和拓扑关系的重建。通过弧垂模拟算法实现了导线的加载和展示，借助Google Earth COM API 实现了图层的调度管理功能，有效提高了数据动态加载的效率。借助GE 平台三维可视化能力，完成了巴西美丽山二期工程建设管理平台的开发，实践表明GE 可以实现初步的模型加载和展示，并可以借此实现一些业务功能。相比于其他三维GIS 平台，GE 具有数据更新快、数据精度高、可以二次开发等优势。

巴西美丽山二期工程建设管理平台可以有效加强对工程各系统间的统筹协调和信息的集中处理，为工程管理和协调提供决策参考，也可在工程投运后移交数字化工程，对建设成就展示、移交运维生产等都具有积极、现实的意义。