面向输变电工程三维设计模型整合研究

2021-07-06聂俊阳

计算机技术与发展 2021年6期

陈辰，简季，杨鑫，文兵，聂俊阳

(成都理工大学国土资源部地学空间信息技术重点实验室，四川成都 610059)

0 引言

随着中国经济建设和城市化进程的不断加快，对清洁能源特别是电力的需求不断增加，导致电力供给和电力建设规模也在不断扩大。但是目前电网还存在以下问题：电力数据格式多样缺乏标准，导致彼此无法共享信息，形成“信息孤岛”，电力数据的利用率低；电力建设的各阶段大多还以二维图纸抑或单独三维模型为依据，缺乏真实地理环境，无法直观地表达信息，工作效率低。通过探究发现，三维仿真系统是解决以上问题的有利手段，但由于计算机硬件与软件的发展水平有限，并且输变电工程具有线路繁复、设备形状不规则且数量庞大等特点，使得大型输变电工程的三维仿真系统实现变得十分困难[1]。

目前，对于输变电工程的三维仿真系统，国内外学者的研究重点绝大多数都在系统算法层面进行优化。例如，针对模型数据量大，调度效率低的问题，黄良等提出对点分层快速调度算法对线路上杆塔站点之间的传输效率进行了优化[2]，孙小虎等提出聚合和动态调度算法使变电站模型可视化在加载速度上有所提高[3]。也有不少学者研究将LOD思想与金字塔结构相结合，使大量三维地物模型能够高效显示[4]，或是通过计算机缓存机制和显示策略，提高三维场景的流畅度，从一定程度上缓解计算机存储的压力[5-6]。除此之外，也有少数研究针对电力大数据的特点，与场景的结合、数据存储和管理方式进行架构优化[7]。上述方法一定程度上对三维数据加载速度、存储模式和模型管理起到了积极的作用，但是由于起初输变电工程数字化设计成果没有统一的格式，导致现存大量不同格式的三维设计模型，如DWG、DGN、X、STL和REVIT等，这对电力数据的利用和共享带来了巨大的困难。

不同格式模型有着不同的结构特点，不同的情况也对应着特殊的需求，因此电力三维设计模型数据存在来源多、结构复杂、模型整合难度大等难题。针对以上问题，该文基于SuperMap平台，在传统三维模型优化的基础上，采用模型层级分类、纹理优化、LOD优化体系和三维缓存技术等方法，提出一种面向输变电工程三维设计模型流程化整合方案，将不同格式的模型进行了统一整合，有利于数据的管理和挖掘。

1 数据概况

输变电工程的数字化设计成果包括文档资料、三维设计模型及工程地理信息数据3类[8]。其中，文档资料数据包括设计文档，设计图纸和建设文档资料等；三维设计模型数据包括X、DWG、DGN、STL和REVIT等格式三维模型，存储量已达GT量级；工程地理信息数据包含三维设计模型的基础参数，如模型姿态、定位点、关联文档信息等。

2 三维模型整合方案

三维模型按结构进行划分，可以将模型分为线框模型、实体模型和表面模型，其主要建模方法有，边界表示法(boundary-representation，B-rep)、模型扫面建模法(sweep)和几何实体创建法(constructive solid geometry，CSG)等。根据数据概况，可将DWG和DGN分为线框模型，X和STL可分为表面模型，REVIT分为实体模型，数据涵盖三种结构，每种结构有多种格式。其整个整合过程如图1所示。文档资料和工程地理信息数据部分，是通过程序读取xml文件里的每个标签，根据地理坐标信息生成对应Shpfile文件，并将关联文档与模型姿态等信息存入dbf数据表中。三维设计模型数据部分，首先根据结构对模型进行分类，如是线框模型或者实体模型则进行模型转化，然后对转化后的模型进行优化，最后归并为S3M模型后，再与Shpfile文件进行融合，最后三维缓存切片制作出大型地理虚拟场景。针对此次研究数据概况和实际需求，下面对模型标准格式转化和模型优化两个部分进行详细介绍。

图1 流程化整合方案

2.1 模型标准格式转化

通过查阅三维模型格式的文献资料[9-11]，发现目前三维模型的标准格式并不统一，而每种格式也有其自身的特点。例如OSGB格式为倾斜摄影常用模型格式，有着数据文件碎、数量多和高级别金字塔文件大的数据特点；OBJ格式是基于工作站建模和3D动画开发的一种格式，特点为交互性好，有利于模型的共享，但在大型精细化建模上，有着数据量较大的问题。除此之外，还有FBX、3DS、STL和DAE等传统模型，但结合实际需求，标准格式需要满足支持表达多源地理空间数据、共享性高、高效传输数据和高效绘制等要求，故该文选择2019年7月19日中国地理信息产业协会所审查批准的空间三维模型数据格式S3M作为模型整合工作的标准化格式[12]，其格式与3DGIS结合密切的同时具有较高的性能。根据数据情况，X和STL为表面模型，绝大多数GIS平台即可支持，而DWG、DGN和REVIT则不支持，故需要通过一定的方法对模型的几何、坐标和属性信息进行转化。但传统模型到3DGIS模型的转化方法大多直接进行模型格式的转化导致模型属性丢失，而为了完整模型的拓扑关系对模型进行切割进而使模型语义丢失，并且多数转化忽视了坐标系的转化导致无法与世界坐标系相通，因此通过建模软件接口与GIS通用格式相结合总结出一套新的转化方案，此方案有效地避免了传统模型的弊端，图2为文中方法与传统方法对比。

图2 转化方法对比

2.2 三维模型与虚拟地理场景优化

线框模型由点、线和面构成，表面模型和实体模型由顶点与面构成，所以对于点和面的优化为模型优化的基础，也是许多学者所研究的重点[13-14]。结合现有文献与实际情况，该文对电力三维模型提出如下3点基础优化方法：(1)通过搜索算法，删减电力设备看不见的面、各种骨架之间的重叠面、各种骨架之间的相交面以及因相互遮挡所导致的不可见的面；(2)使用Stan Melax缩减算法，删减各个骨架上的冗余点和不可见的点；(3)对模型进行面简化，控制模型的分段数，用最少的面片数进行模型几何结构的精简。但对于构建一个大型的地理虚拟场景，只针对模型本身往往是不够的，因此需要结合现有研究成果，采用纹理优化、LOD模型构建和三维缓存技术来优化虚拟地理场景和三维模型。

通常在构建三维模型时，建模者不会考虑模型纹理的大小，这种行为往往导致纹理的数据量大于了模型本身。故针对地理虚拟场景里会同时存在大量模型的情况，纹理的优化和共享就显得十分必要。纹理优化常用的压缩格式有DXT、ETC和PVRTC，其中DXT与ETC的原理类似，都是通过数据压缩技术将4×4的像素块压缩成一个64或128位的数据块来减少数据量，而PVRTC则是根据精度和每个像素的权重，融合2张双线性放大的低分辨率图来呈现纹理。

Δdi=di-di-1,i=1,2,…,n

(1)

(2)

δ=∑|f(x)-Si|Δdi

(3)

其中，Δdi为观察点与对象的距离，S为对象的近似表达，δ为真实对象与近似对象的差值。

因此将LOD构建问题转化为求使广义函数最小的问题，实际使用时通常要结合需求来进行处理，得到理想的LOD模型。

缓存技术是主流地理信息系统中常用的图形显示技术。该技术大大缩短了用户的等待时间，提高了工作效率，并使图形数据的浏览速度更加流畅。根据不同的使用场景，缓存可以分为二维缓存和三维缓存。对于图像和DEM数据，通过三维缓存技术对图像数据进行预处理，将图像数据缩小为具有不同分辨率的图像集合，通过重采样，可以建立一系列具有不同分辨率的图层，然后再进行分割、存储并建立相应的空间索引机制，以提高缩放和查看图像时的显示效率。对于地理虚拟场景，生成场景缓存时要对整个三维场景进行瓦片切分，当瓦片所在的位置出现在视图内时才对其进行加载，使用这种方法可以加快初始渲染，减少等待时间。综合以上理论和方法，制定出三维模型与虚拟地理场景优化方法，其流程如图3所示。

图3 模型优化流程

3 实验结果与成果展示

3.1 实验结果对比

为验证整合方案的有效性和科学性，该文使用X模型、DWG模型和REVIT模型，共3种模型格式，在配置为Intel I5 1.60 GHz Core(CPU)，英伟达MX250图形处理单元(GPU)和无线网络的笔记本电脑下进行整合工作，并将实验前后数据进行对比分析。

从表1、图4和图5可以看出，模型处理后的视觉效果基本与原模型保持一致，但X模型实际顶点数减少了80%以上，三角面数减少了20%左右，数据量与渲染时间下降1倍左右，优化效果明显。DWG模型由于模型结构变化导致结构较复杂的杆塔数据量有所增加，但模型数据量仍处于场景能够接受的范围(普通性能电脑渲染300万个三角面左右可保持45以上的帧率)，图6为REVIT模型转化后的效果图，可以看出模型语义保存完善，门、窗和栏杆等也都十分清晰。