一种基于三维化技术的电力配网系统的制作方法

本发明涉及电力网领域，特别是一种基于三维化技术的电力配网系统。

背景技术：

电力工业作为国民经济发展中最重要的基础能源产业，它同时也是是国民经济的第一基础产业，是关系国计民生的基础产业，是世界各国经济发展战略中的优先发展重点。作为一种先进的生产力和基础产业，电力行业对促进国民经济的发展和社会进步起到了重要作用，与社会经济和社会发展有着十分密切的关系。它不仅是关系国家经济安全的战略大问题，而且与人们的日常生活、社会稳定密切相关。

配电网是从输电网或地区发电厂接受电能，通过配电设施就地分配或按电压逐级分配给各类用户的电力网。配电网直接与供电用户相联系，是电力系统的重要组成部分。特别是农村配电网地域分布广泛，电气设备的种类和数量众多，是一个巨大的信息载体，在配电网中不但涉及了大量的诸如地理特征、网架结构、配电设备的属性等静态信息，还存在电力系统实时运行状态等动态信息。

然而，随着国家电网改造的深入进行，配电网在设备更新、技术改造等方面有了较大的进步，但在信息化管理方面还比较落后，许多电力部门还存在着规划方法不当、应用水平不高、相关地理信息滞后、部门之间信息资源难以共享等问题。各单位部门建立的电子办公平台也是相互独立的，导致空间数据更新力度不同、无法统一，也为信息资源共享和应用带来了隐患，并且基于电网运行的设备资源、电网架构越来越多样化、复杂化，电力设备和传输线路分布于户外，靠原来的维护体制和管理模式用人工的、分散的管理，已不能适应现在的电网发展状况。在电力营销服务业务、故障抢修等方面，面临营销资源的实时性和营销业务要求高效率等现状的需求。与此同时，目前在电力配网行业广泛运用的主要是基于二维坐标的gis系统，不能模拟仿真现场情况，其空间表现和分析能力受到很大的局限性，并且目前电子地图(二维)更新速度慢和费用较高。

因此，从电力生产和营销本身的业务和管理需求出发，迫切需要建立一套地理、地形、地物数据信息丰富、功能完善的配网设备三维管理系统，能够使电网的资源信息、维护信息等达到动态实时获取与共享，并借助于可视化的三维网络系统，为电力电网规划、设计、建设、运行维护、专业应用、事故抢修和项目决策提供相应的电网信息查询及管理服务，从而实现规范化、数字化、科学化集中统一的管理平台，以此加来强配电网管理，提高整个电力企业信息化水平，降低成本、提高电力生产效率和营销工作效率。

技术实现要素：

本发明所要达到的目的就是提供一种基于三维化技术的电力配网系统，建立电力配网设施三维应用系统，实现配网调度、监控、运方、自动化、抢修等多个专业的集约化管理，构建配电网调控一体化系统支撑平台提供有效基础数据保障，更加直观的展现城区配电网构建情况，为电力设施维护、设备数字化统一管理、指导配网未来规划发展等建立一个虚拟的办公平台。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于三维化技术的电力配网系统，其中，包括三维虚拟仿真、三维地理信息系统、计算机自动制图，在三维仿真空间环境中进行新建配电网的虚拟设计和/或快速生成虚拟的现有配电网，多目标分析策略和优化，并分图层多样式展示输出，用于配电网工程设计和运维工作。

进一步的，所述三维虚拟仿真、三维地理信息系统包括倾斜摄影数据处理，所述倾斜摄影数量处理包括：包括dsm和tdom的生产，选用smart3d软件进行生产，其生产流程包括数据预处理、像控点刺点、空三加密、三维模型生成、模型修复与编辑、dsm和tdom成果生成。

进一步的，利用smart3d建模软件进行三维模型自动化生产，主要处理流程包括：

数据准备包括相机参数文件、pos数据、像控点、倾斜摄影数据等数据文件的准备和编辑；

将航摄获取的倾斜影像五个镜头的数据，解算好的pos数据、像控点成果按要求设置好格式，并准备好相机参数文件，包括相机像素、像幅、焦距、主点和各个相机的相机方向等信息，其中，像控点是空中三角测量中辅助性的定位信息，要求每一像控点均具有2张及以上的影像刺点。

进一步的，利用倾斜摄影数据处理及成果导入至skyline软件系列平台，并进行分析合成配网设施的相关系类，根据自己的需求进行功能定制，建立三维地理信息系统。

进一步的，还包括对获取的影像数据都需要进行几何纠正、融合、镶嵌裁剪。

进一步的，该系统应该具备以下功能：

将目标范围内的地表特征和输电网用三维模型形象化，并提供断面图、杆塔定位图和三维立体模型图；在三维场景中可进行漫游、缩放、旋转及飞行等操作；

多方式方便快捷地查询任一输电线路的有关数据资料，包括线路的电压等级、连接方式、起止点、回路数、路径长度、导线型号等设备属性；

多方式方便快捷地查询输电线路任一杆塔的空间位置及其单线图、结构图、杆塔材料表等信息，可查看实物图像及相关文档；

结合对应的二维gis系统,可在三维和二维系统中实现数据互动,即通过二维图上的精确定位来实现杆塔、线路等设备管理和维护；

通过飞行或漫游,查询线路经过的跨越物,并对跨越物进行统计和管理；

系统提供线路设备报表统计功能，并且报表可导出查看；

配网未来规划展示，包括配电线路设计、变电站和杆塔选址。

进一步的，通过获得的影像数据，以terrabuilder软件为核心，对三维空间数据进行检查、处理、建立、更新、维护以及三维场景生成，其主要的功能如下：建立空间影像数据集；建立空间dem数据集；集成dom/dem数据，生成三维地形场景mpt；对三维空间数据进行数据更新和维护；与terrabuilder连接opengis空间数据网络服务国际标准协议，网络矢量数据服务协议、网络影像数据服务协议，连接网络数据服务器。

进一步的，通过skyline高效的三维gis编辑软件terraexplorerpro，在构建好的三维地形场景中叠加矢量数据、地名标注数据以及三维建筑模型数据。

进一步的，建设电力系统数据库，所述电力系统数据库包括：

基础数据库主要包括：基础地理数据、遥感影像数据、地形高程数据、三维模型数据、城市建筑物模型数据。

电力设施数据库：包括有关电力工程、电力线路、电厂、变电站以及塔位等数据。

进一步的，三维模型的建模为：外业拍照结合建筑物轮廓线数据，在3dsmax中创建精模型；或者航测技术三维建模；或者车载lidar三维激光扫描技术建模。

采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：建立电力配网设施三维应用系统，实现配网调度、监控、运方、自动化、抢修等多个专业的集约化管理，构建配电网调控一体化系统支撑平台提供有效基础数据保障，更加直观的展现城区配电网构建情况，为电力设施维护、设备数字化统一管理、指导配网未来规划发展等建立一个虚拟的办公平台。电力配网设备三维应用系统以遥感影像和dem数据建立真实的三维地形场景，并且以直观的三维模型代替抽象的二维地图符号，同时将设备的属性信息和三维模型进行直接挂钩，真正达到了图形数据(模型数据)和属性信息的无缝结合，为各种空间分析创造了良好的条件，为设备管理、规划设计、设备抢修等工作提供真实的三维信息化服务，大力提高了电力配网信息化水平和服务水平。并且实现配网设备的全寿命周期管理。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明实施例中倾斜摄影数据处理及成果制作工艺流程示意图；

图2为本发明实施例中三维模型生产流程示意图；

图3为本发明实施例中三维系统示意图；

图4为本发明实施例中三维空间数据处理与更新流程示意图；

图5为本发明实施例中电力系统数据库设计示意图；

图6为本发明实施例中3dsmax建模流程示意图；

图7为本发明实施例中；航测技术三维建模流程示意图。

具体实施方式

实施例：

本发明一种基于三维化技术的电力配网系统，其特征在于，包括三维虚拟仿真、三维地理信息系统、计算机自动制图，在三维仿真空间环境中进行新建配电网的虚拟设计和/或快速生成虚拟的现有配电网，多目标分析策略和优化，并分图层多样式展示输出，用于配电网工程设计和运维工作。

在此过程中，首先需要用到倾斜摄影数据处理，为后续的三维建立提供基础数据。倾斜摄影数据处理及成果制作主要包括dsm和tdom的生产，选用smart3d软件进行生产。主要生产流程包括数据预处理、像控点刺点、空三加密、三维模型生成、模型修复与编辑、dsm和tdom成果生成等过程，工艺流程示意图如图1所示。

1)数据预处理

数据预处理主要包括数据检查和影像匀光处理。

2)数据检查

对提交的航摄成果进行二次检查分析，确保数据完整，元数据信息完备。pos记录信息与影像成果对应一致，无缺漏和不匹配现象。图像质量和文件格式正确无误。相机参数信息齐全。

3)影像匀光处理

倾斜摄影数据包括下视影像和倾斜影像两种不同类型的成果，倾斜影像和下视影像存在一定程度上的色调差异。应保持影像色调一致、无拉毛现象、反差适中。以下视影像为基准，根据倾斜影像不同拍摄角度，分别制作对应色调模板进行批量匀光处理。

获知基础数据后，开始进行三维模型生产，在本实施例中：利用三维模型生产技术对于导出的相关数据进行三维模型自动化生成。

利用smart3d建模软件进行三维模型自动化生产，主要处理流程如图2所示。数据准备包括相机参数文件、pos数据、像控点、倾斜摄影数据等数据文件的准备和编辑。

将航摄获取的倾斜影像五个镜头的数据，解算好的pos数据、像控点成果均按要求设置好格式，并准备好相机参数文件，包括相机像素、像幅、焦距、主点和各个相机的相机方向等信息。

其中，像控点是空中三角测量中辅助性的定位信息，要求每一像控点均具有2张及以上的影像刺点。

具体的，利用倾斜摄影数据处理及成果导入至skyline软件系列平台，并进行分析合成配网设施的相关系类。skyline软件系列平台介绍如下：skyline软件系列平台提供了从数据生产到编辑再到网络发布的一整套的成熟的解决方案。无论是单机环境还是网络环境，用户都能够根据自己的需求进行功能定制，建立起自己的三维地理信息系统。

在本实施例中，需要的三维影像进行纠正及融合镶嵌，具体的：

1)影像数据

测区所使用的影像是1:1000、1:5000数字正射影像图，其分辨率达到了0.1米，一般情况下，我们获取的影像数据都需要进行几何纠正、融合、镶嵌裁剪等操作才能达到我们地理信息系统所使用的数据的要求，经过这些步骤后，这些影像才能达到地理底图的要求。

2)影像几何纠正

几何纠正指对遥感影像的空间位置及几何形态变形进行校正、改善的过程，使遥感图像归正到以某种投影性质为基础的图件上，以此来适应资源，环境调查的测量、定位，以及各种图件的复合。几何纠正常用的方法有共线方程法、一般多项式法、空间投影法。几何纠正主要包括三个基本步骤，一是确定纠正模型，选点匹配纠正；二是定向检查，去除粗差；三是进行几何纠正。

3)影像融合镶嵌

遥感影像融合是通过高级图像处理技术来复合多源遥感影像的技术。在融合过程中，选择最佳的波段组合和影像分辨率，选择最合适的时相叠加，采用最佳的算法来体现各图像的优势，将各数据源互补有机的结合起来产生新的图像。

影像融合后最大限度地利用不同影像的不同特性，使最终的融合影像同时具有较高的控件分辨率和光谱，改善影像的几何精度和视觉效果，提高影像的分类精度和可靠性，减少影像解译中存在的多意性、不确定性、不完整性和误差，最终提供更强的信息解译能力和更可靠的分析结果。

3)影像裁剪

对于经过几何纠正和融合镶嵌处理后的遥感影像，在用户使用之前，由于影像范围、黑边、美观等因素，需要对影像进行裁剪处理。

电力线路数据系统中的电力线路以变电站为组，以一条完整线路为单位将测区的电路线路划分，架空线路中以点文件记录各个电线杆和铁塔的详细信息，其信息组织方式如下：a，#1，12，1，jklgyj-240。其中，“a”代表杆塔型号和线路架设位置，“#1”代表杆号，“12”代表杆高12米，“1”代表此杆的顺序号，“jklgyj-240”代表架空线型号；电缆线路以线文件记录电缆的走向和详细信息，其信息组织方式如下：三名线电缆，1.5，jklgyj-3*240。其中，“三名线电缆”代表该段电缆名称，“1.5”代表该段电缆的埋深，“jklgyj-3*240”代表该段电缆的型号和根数，而此线文件的走向就代表了该电缆的走向。系统最终提供生成架空线和生成电缆的工具，该工具通过解析各线路里的点或者线文件，相应的加载各自对应的电力设施模型。

整个系统建设采用在浙江省三维影像地图基础平台的基础上进行配网电力设施三维展示，数据分析，规划指导等功能开发。三维影像地图基础平台原始数据为1:1000、1:5000数字正射影像图和1:1000、1:5000数字高程模型，通过skyline系统平台加工成三维影像地图平台。地上建筑物采用3dsmax建模，再现城区约100平方公里内二层以上建筑物的三维地理场景，影像分辨率为0.1米。然后再通过skyline提供的com接口进行系统二次开发，实现用户所需的功能。

系统建设的技术路线如图3所示，根据现有二维电力gis系统所显露出的弱点和三维gis电力系统的独特功能，以及用户对于三维电力配网系统所关心的环节，该系统应该具备以下功能：

(1)将目标范围内的地表特征和输电网用三维模型形象化，并提供断面图、杆塔定位图和三维立体模型图；在三维场景中可进行漫游、缩放、旋转及飞行等操作；

(2)多方式方便快捷地查询任一输电线路的有关数据资料，包括线路的电压等级、连接方式、起止点、回路数、路径长度、导线型号等设备属性；

(3)多方式方便快捷地查询输电线路任一杆塔的空间位置及其单线图、结构图、杆塔材料表等信息，可查看实物图像及相关文档；

(4)结合对应的二维gis系统,可在三维和二维系统中实现数据互动,即通过二维图上的精确定位来实现杆塔、线路等设备管理和维护；

(5)通过飞行或漫游,查询线路经过的跨越物,并对跨越物进行统计和管理；

(6)系统提供线路设备报表统计功能，并且报表可导出查看；

(7)配网未来规划展示，包括配电线路设计、变电站和杆塔选址。

在此过程中，进行三维地理空间平台的建设包括：

(1)三维地形场景构建

三维地形场景构建主要使用由市区的相关影像数据，以terrabuilder软件为核心，对三维空间数据进行检查、处理、建立、更新、维护以及三维场景生成，其主要的功能如下：

建立空间影像数据集；

建立空间dem数据集；

集成dom/dem数据，生成三维地形场景mpt；

对三维空间数据进行数据更新和维护，实现三维地形场景的更新；

与terrabuilder连接opengis空间数据网络服务国际标准协议，wfs(网络矢量数据服务协议)、wms(网络影像数据服务协议)，从而广泛的连接网络数据服务器，实现真正的数据分布式管理，这是数字地球技术核心所在。具体的工作模式如图4所示，

在完成三维空间数据库的建立以及三维地形场景的构建后，需要在构建好的三维地形场景中叠加矢量数据、地名标注数据以及三维建筑模型数据，这些工作将在skyline高效的三维gis编辑软件terraexplorerpro上进行。

在以dom/dem为基础建立的三维地形场景上，完成三维建筑模型数据、矢量数据的加载后，就形成了三维景观，这时候就需要对海量地形、影像、模型、矢量等三维空间数据进行集成整合，添加三维虚拟现实特效环境美化景观，对数据进行配置，美化和构造逼真的虚拟现实景观；提供对场景数据的维护管理功能；此外，还提供方便直观地进行视景仿真和全方位场景浏览、查询分析功能。

在本实施例中，电力系统数据库由以下部分组成：

(1)基础数据库

基础数据库主要包括：基础地理数据、遥感影像数据、地形高程数据、三维模型数据、城市建筑物模型数据。

(2)电力设施数据库

电力设施数据库：包括有关电力工程、电力线路、电厂、变电站以及塔位等数据。电力系统数据库设计图如图5所示。

具体的，基于skyline的电力配网三维应用系统，为电力系统提供一个三维办公平台，使电力相关部门可以通过统一的网络三维平台进行顺畅的数据交流，减少信息孤岛，提高城市空间信息的利用水平，使规划方案评估、审核以及管理等日常工作更加高效、科学。

在此过程中，三维建模技术方案有三种，分别是：(1)外业拍照结合建筑物轮廓线数据，在3dsmax中创建精模型；(2)航测技术三维建模；(3)车载lidar三维激光扫描技术建模。当然可以使用其中一种或者多种结合来进行建模。

具体的：3dsmax建模主要用于：

对于城市重要地区，在没有立体像对对建筑轮廓进行精确测量的情况下，便只能根据建筑底面的数据，完全采用3dsmax软件来进行建筑建模。首先根据项目确定需要精细建模的地区划分作业范围和作业设计，接着利用数码相机对所分区的工作区内全部建筑物进行数码拍摄，然后在3dsmax软件里建立模型，格式为max，最后利用其扩展模块转换成.x的格式，具体实现过程如图6所示。

航测技术三维建模主要用于：

此建模方法主要是利用已有数字摄影测量系统、地面激光扫描系统等，采集相关地物的三维数据，包括建筑物的外围轮廓和高度、道路的轮廓和中心线高程、树木的轮廓和高度、各种桥梁的尺寸和高度、大型户外广告牌的尺寸和高度、路灯杆的位置和高度等数据信息，然后在专业建模软件中利用采集到的专业数据建立建筑物的形体，再野外实际采集纹理建立模型精细分类的过程需要进行大量人工干预，弥补自动分类算法在地物、地表数据判别上不准确的不足，经过精细分类的激光点云数据进入最后的质检阶段。对数据进行遍历，使用不同的显示模式，检查分类成果，保证质量。最终激光点云分类成果可输出为xyz、las、txt等多种数据格式。利用此方法，在采集建筑物的同时采集每个建筑物中心点坐标以及名称都关键字段，同时连接业务提供其他扩展属性信息，形成建筑物点位矢量数据。最后集成建筑模型和矢量属性扩展数据，自动建立三维建筑模型到三维准确场景位置，形成三维城市景观，具体作业流程图如图7所示。

车载lidar三维激光扫描技术建模主要用于：

车载lidar三维激光扫描技术，由于地面上接收gps信号的条件远不如航空，故必须在处理信号失锁方面下工夫。惯性测量装置(imu)结合测速器有效地解决了这一问题，使得直接测量隧道也已成为可能。

随着社会的快速发展，人们对三维空间信息也越来越感兴趣，对数据现势性的要求越来越高。车载系统的灵活性和经济性就越发诱人，其应用前景可谓无限。此外，作为航空测量的补充，车载激光雷达系统是完善三维城市模型等高精度、高分辨率应用的最佳手段之一。

在本实施例中，对于配网环境外观改造方案包括：

1)数据源获取

a：倾斜摄影环境数据采集

使用无人机倾斜摄影技术对现场环境进行实地采集，最大程度复现了现在台区的情况。倾斜摄影技术比之三维gis(数字高程+影像卫片方式)更加精细。三维gis数据一般采集周期以年为单位，所以不能展现现有实际情况，更缺少了建筑等实际环境。激光扫描获取环境精准但是不适合大规模空旷环境，而且激光点云数据缺少材质，只能获取单色点信息，无法用于表现实际情况。数字城市的建模方式耗时耗力，更存在建模精度问题。综合比较多种方式，无人机倾斜摄影技术的应用最适合本方案。

b：杆塔图纸建模

在杆塔的设计过程中，有国网统一的典型设计，又有根据地方特色和特殊使用情况的非典型设计，使用图纸建模能够最标准的展示设计成果。同时也需要这样的精细度来配合实际的环境，展现设计成果和改造成效。

c：业务数据整理

配网改造设计除了杆塔线路的选择应用外，最主要的是杆塔位置的选择和整体解决方案的设计。在这里需要将设计的业务数据叠加到整个三维系统中，将线路设计方案的选择、优势、设计原理、设计成效直观展示。所以需要对位置、档距、转角度数、环境影响下的特殊处理一一表现出来。

2)三维呈现

a：全景展现

三维全景是精品台区的直观展现，从环境到杆塔，从线路到柱上变，还有表箱的选择和安装，所有的信息全部展现在一个可视化的场景中，是浏览者以所见即所得的方式最快的了解整个设计方案和效果。

b：自由浏览

在整个设计的展现过程中，开放自由浏览，根据不同职位和不同业务人员，从自己感兴趣的角度对整个方案进行观察和了解。固定模式容易遗漏相关细节，而自由控制方式能满足所有人员的需求。

c：新旧对比

三维呈现的另一优势是可以进行新旧对比展示，既对老旧方案和线路进行展示，又可以随时切到新方案及效果上，进行新旧方案下合理性对比、美观性对比。

3)宣传与推广

a：设计方案验证

真三维的系统应用，在设计初期可以对设计方案进行验证和预览，在施工期可以对施工进行直观的指导，不管是线路建设的选材还是施工目标，都能很好的表现，建设目标更明确，减少了错误的发生。

b：改造预演

需要最新的技术支撑，三维可视化的设计成果展现是最符合数字化电网的要求，从设计初期环境的观测、选址、选材、方案设计、对比、验证，集合到了整个设计过程中，最后还能直接作为汇报和宣传材料输出。

在本实施例中，按照智能电网的内在要求并结合配电网的特点，借助三维虚拟仿真、三维地理信息系统、计算机自动制图等先进技术，依据相关省电力公司的“电力公司城市中低压配网建设和改造技术导则”等规程规范开展配电网优化设计智能算法研究，进而实现配电网辅助设计各项功能，研发一套配电网三维可视化辅助设计及方案评估平台软件。

平台软件支持二维城镇行政区划图/带高程卫星影像图/三维数字城市等多类型地理信息基础数据融合和映射，在三维仿真空间环境中进行新建配电网的虚拟设计或快速生成虚拟的现有配电网，提供多目标分析策略和优化工具，同时能够分图层多样式展示输出，满足配电网工程设计和运维工作的实际需要。

通过对skyline软件体系的各个模块的研究，结合其在其他行业的应用和配电单位用户需求，从三维场景制作、三维模型制作、模型数据组织与管理和电力配网系统开发等方面详细论述了建立电力配网三维应用系统的各项工作的主要内容和实现方法。

电力配网设备三维应用系统以遥感影像和dem数据建立真实的三维地形场景，并且以直观的三维模型代替抽象的二维地图符号，同时将设备的属性信息和三维模型进行直接挂钩，真正达到了图形数据(模型数据)和属性信息的无缝结合，为各种空间分析创造了良好的条件，为设备管理、规划设计、设备抢修等工作提供真实的三维信息化服务，大力提高了电力配网信息化水平和服务水平。并且实现配网设备的全寿命周期管理。

除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。