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基于Cesium的电网Web3D GIS的开发

摘要：目前，电力GIS系统主要采用二维电子地图来显示电网和相关信息。但是，由于缺乏垂直的视角，该系统很难满足全景显示的要求。本篇文章介绍了一种基于Cesium和3DCityDB的可视化方法，在三维虚拟环境中实现电力数据的全景可视化。研究区域的地图数据从OpenStreetMap中提取出来，并且用于城市建筑的建模。由3DCityDB设计并管理电力设施及其属性。电力Web3D GIS通过Web服务与服务器进行通信。最后，对3D系统进行部署和功能测试。通过此项研究，我们将电力3DGIS扩展到B/S架构上。这有利于三维GIS的跨平台使用。本文所使用的工具是开源软件，便于系统的升级。

关键词：地理信息系统；三维建模；网络地图服务；三维城市数据库。

Ⅰ.介绍

电力系统是一个具有大量设备的、复杂的、动态的环境。随着系统操作，将会产生大量的数据。因此，为了显示大数据和设备之间的运行状态和所隐含的关系，电力系统应该具有可视化技术和高性能的计算机支持。这才能确保有关动态监控、调动、任务计划的有效决策。目前，可视化技术已经应用到所有的电力子系统，例如监控系统和广域测量系统。在美国，Power World公司开发了一个用于分析和在线可视化的模拟器。在中国，有关机构正在研究一些电力视觉产品。一般的可视化方法包括轮廓，动态趋势，区域着色等。

近些年来，地理信息系统已被广泛应用于电力系统。GIS对于电力网络的高效运行至关重要。它可以维护、管理、分析电力数据，并在桌面、web和移动设备的解决方案中集成电力网络模型、地图和相关数据。目前，大多数电力GIS系统主要采用二维地图作为可视化模型。但是，2D GIS在地理空间和电力数据的表示和分析方面有很大的局限性，很难显示出功率运行状态的全景信息。三维GIS提供了z轴视觉能力，例如，垂直塔与绝缘体之间的关系。大多数地理空间物体和动力设备可以真实地显示在3D环境中。因此，电力管理人员可以从多个角度观察和分析结果，并做出正确的判断。但是，大部分的3D GIS都是基于C/S架构的。不同的操作系统和应用程序需求可能会导致重新开发3D GIS客户端。它限制了3D系统的开发、升级和管理，甚至限制了大面积的普及。

本文介绍了一种基于Cesium和三维城市数据库（3DCityDB）并基于Web可视化的方法来构建的三维全景电力可视化系统。其内容包括：(1) 介绍提议的3D系统架构；(2)分析Cesium资源包和Cesium的开发过程；(3) 从OpenstreetMap中提取研究区域的地图数据，设计三维城市建筑模型，并在3DCityDB中管理这些模型；(4) 通过提取的地图数据和三维模型建立Cesium的开发环境；(5) 添加三维的电力网络动态可视化功能，包括动态着色、透明显示和其他查询以及定位功能；(6) 基于Geoserver和Openlayers构建2D地图服务；(7) 最后，将3D系统部署到Tomcat 7环境中，并对其功能进行测试。

Ⅱ.系统构架

Web3D电力系统包括两个部分：Web客户端和3D电力数据库服务器。在客户端，OpenLayers提供了二维地图服务。它可以显示地图块、图像块、矢量数据和来自Geoserver或任何其他web地图服务（WMS）的符号。使用二维地图服务是为了简化显示细节并提高显示速度。传统的电力2D GIS很容易基于OpenLayers来实现。3D电力模型用Cesium进行可视化。电力塔、电线、电力设备以及地理实体（建筑物、道路等）的三维模型将在Cesium的场景中可视化，并由Cesium管理器进行管理。在服务器端，用于与电力相关的数据处理功能的Java Servlet和JavaServer Pages驻留在Tomcat中，它直接与web客户端进行通信并处理客户端请求。二维地图请求将提交给Geoserver，而三维地图请求将由3DCityDB web属性服务处理。3DCityDB是一个免费的开源包，它由一个数据库模式和一组软件工具组成，它根据CityGML标准来导入、管理、分析、可视化和导出虚拟3D城市模型。在这个架构中，3DCityDB有两个重要的任务。一是将二维电子地图模型转换为三维模型，并保存到PostgreSQL数据库中；二是用于为基于Cesium的电力系统客户端提供三维网络属性服务。

Ⅲ.数据

Web3D电力系统由四类数据组成：电线和电力设备的三维模型，三维建筑模型，地理空间数据和电力属性数据。作为3D虚拟环境的地理空间数据可以显示电网周围的地理对象（例如道路，桥梁，河流）。矢量地图，遥感影像和DEM是Web3D系统中的三种地理空间数据。数据源有两种方式：一种是使用高分辨率遥感数据收集的矢量地图或创建的图像切片；另一种方式是通过WMS服务（例如Google Earth，Bing）获取的数据。在虚拟地理环境的支持下，电力管理人员可以了解电力设备的空间定位，空间关系并进行空间统计。建筑模型是基于OpenStreetMap矢量数据设计的。OpenStreetMap仍处于不断更新的过程中，研究区内大部分建筑物是缺失的，因此我们采用基于Bing航空影像服务的手动添加。可以将电力消耗数据，城市土地使用数据，社会经济数据，城市人口数据与建筑模型相关联，以创建每个电力区域中的交互式电力城市地图并分析电力负载。电力属性数据主要来源于SCADA系统，由关系数据库管理。二维矢量图形，三维模型和属性之间的连接可以通过电力线或电气设备的名称和ID号构造。

Ⅳ.三维电力对象的可视化及其管理

A.基于Cesium的可视化

Cesium是一个JavaScript库，用于在Web浏览器中创建平面地图和三维场景。它利用HTML5和Web图形库（WebGL）作为其硬件加速的核心，并提供跨平台功能，如在Web上显示3D图形对象，而无需额外的软件支持。本文使用Cesium实现电力和地理空间数据的可视化。对于Web客户端的海量数据请求，可视化模块通过AJAX技术异步回调结果。图3显示了电力对象和空间要素的可视化过程。首先，需要定义3D对象的坐标变换和地图投影。本文使用WGS84，坐标格式是纬度和经度值。3D对象将通过纹理，颜色和其他艺术效果进行渲染。此后，Cesium层管理器可以在3D场景中加载这些电力对象。对于三维动力矢量特征，3D客户端调用DynamicScene来显示其动画效果。

B.3DCityDB的管理

3D电力系统包含许多代表现实世界实体的模型，如塔、线、电气设备、建筑、道路和树等。目前，3D模型以文件格式保存，并且通过关键词与关系数据库中的属性相关联。这种是低效的，并且可能会丢失真实世界对象的语义。在本文中，我们采用地理标记语言（CityGML）建立模型，在3DCityDB中管理这些模型，并发布到由Cesium浏览器客户端调用的WFS服务中。图4显示了3DCityDB中3D对象的管理过程。CityGML是整个系统的关键。这是一种标记语言，用于描述以三维形式存储的真实世界对象、转换、传输和地理特征。它还定义了城市大多数地理对象的分类与对城市模型的几何、拓扑、语义、外观和特性的充分考虑之间的关系。3DCityDB是一款3D模型管理工具。它可以将三维模型导入到PostGIS数据库中，以处理数百万个多细节层面的3D模型。

Ⅴ.系统实现

A.数据采集

本文使用的数据分为两部分，一部分是静态地图和图像切片，另一部分是矢量数据。地图和图片切片基于由百度和Bing提供的WMS，建筑物建模的矢量数据从OpenStreetMap下载。一些缺失的建筑物将根据Bing航空影像服务进行手动添加。

系统中使用的电力数据包括电力线、塔架坐标和监控数据。电力线路图层是从电力2D-GIS系统中提取的。格式是ESRI ArcGIS的shape file文件。我们将它转换为GeoJSON格式，并在Cesium场景中动态加载。塔式模型由地面测量、由SketchUp设计并通过3DCityDB存储到数据库中。监控数据是来自E文件格式的能源管理系统。它将被处理成PostgreSQL数据库，并通过ID号与三维对象相关联。

B.系统功能

以下为系统功能：

1) 预处理：处理E文件格式的电流和电压数据并存入数据库。

2) 图形操作：实现缩放、旋转及沿预定路线移动3D物体。

3) 查询和统计：根据查询条件从数据库中搜索和统计符合条件的数据。

4) 动态显示：以不同颜色、线宽和符号渲染的负载电流和电压创建动画。

5) 电力分析模型：分析电网电压的时间相关性和外部分析模型的导入结果。

6) 地理定位：根据用户输入的坐标或属性快速查找特征，并在3D场景中高亮显示。

7) 3D漫游：通过路径飞行来模拟直升机巡线。

C.实例

系统运行时环境，如表1所示。它们用于管理3D模型，电力属性数据和地理空间地图图层。

Web3D电力系统的界面如上所示。它包括这个系统的七个功能。

图8显示了二维热图的一个例子。背景地图来自OpenStreetMap网络地图服务。根据密度分析算法，热图通过PostgreSQL中存储的电压产生。

上图是与人工添加的建筑物叠加的二维地图。与原始的OpenStreetMap数据相比，建筑模型的数量通过人工添加而增加。构建的3D虚拟环境更加逼真。

三维网络结构由Cesium提供。电力塔和线路的3D模型从3DCityDB传输。线路颜色可以根据电压和功率电流数据进行更改。

图11显示了彩色建筑物。在3D建筑模型的支持下，电力消费数据和城市人口数据可以整合在一起，创建交互式城市电力地图。同时，我们可以设置建筑物层的透明度来显示隐藏的信息和关系（如图12所示）。

Ⅵ.结束语

具有地理坐标的二维电力GIS系统反映了电网空间分布的真实状况。但是，二维几何、符号、文本标签没有Z轴。这很难展现出来真实的地形和电网景观。在进行检查和维护时，电源管理人员将没有足够的信息用来作出有效的决定。本文介绍了三维建模方法，并设计了一个基于Cesium和3DCityDB的Web3D电力GIS系统。3D模型包括电力塔、线路和建筑物。地理数据来自网络要素服务和网络地图服务。3D模型由3DCityDB管理、由WFS发布并由Cesium调用。最后，我们展示了设计的Web3D系统并验证了所提出的方法。通过这项研究，电力GIS系统扩展到B / S模式的网络环境。有助于在三维全景显示中实现城市电力地图的跨平台使用。本文中使用的所有工具都是开源的，可以促进系统开发和升级。

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