彭熾剛，許志海，廖如超，江萬壽，黃偉

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顧及對象語義的大規(guī)模桿塔電力線分頁細(xì)節(jié)層次模型構(gòu)建＊

彭熾剛1，許志海1，廖如超1，江萬壽2，黃偉2

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司機(jī)巡作業(yè)中心，廣東 廣州 510600； 2.武漢大學(xué) 測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079）

分頁細(xì)節(jié)層次模型的構(gòu)建是三維可視化的關(guān)鍵技術(shù)之一。如何建立合理的細(xì)節(jié)層次模型并進(jìn)行有效的內(nèi)外存調(diào)度，使占用盡量少的內(nèi)存并保證三維可視化平臺的流暢運(yùn)行，是大規(guī)模三維場景可視化技術(shù)的關(guān)鍵。針對電力桿塔、電力線這類特殊對象的可視化需求，充分利用電力桿塔和電力線的語義結(jié)構(gòu)特征，提出了一種顧及對象語義的大規(guī)模桿塔電力線分頁細(xì)節(jié)層次模型的構(gòu)建方法，在滿足不同觀察距離的細(xì)節(jié)感知要求的情況下，實現(xiàn)最大限度的細(xì)節(jié)簡化。實驗表明，顧及對象語義的分頁細(xì)節(jié)層次模型能夠很好地滿足大范圍桿塔和電力線可視化的實際需求。

電力桿塔；語義模型；模型簡化；分頁細(xì)節(jié)層次模型

自三維可視化技術(shù)誕生以來，細(xì)節(jié)層次模型（Leves of Details，LOD）以及面向內(nèi)外存交換的分頁細(xì)節(jié)層次模型（Paged LOD，PagedLOD）的構(gòu)建就一直是大規(guī)模三維場景可視化的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-8]。最開始的地理信息可視化主要針對數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和數(shù)字正射影像（Digital Ortho Map，DOM）進(jìn)行[1-3]，由于DEM、DOM的規(guī)則性，一般直接采用四叉樹結(jié)構(gòu)就能滿足顯示需求。隨著三維建模技術(shù)的發(fā)展，三維可視化的對象已由規(guī)則的DEM、DOM發(fā)展到以建筑物物為主的三維城市模型，這使得可視化的復(fù)雜性有了很大的提高[4]。為滿足日漸增長的三維可視化需求，細(xì)節(jié)層次模型技術(shù)特別是通用型細(xì)節(jié)層次模型技術(shù)得到了深入的研究并取得了一定的進(jìn)展（如基于三角網(wǎng)邊折疊的細(xì)節(jié)簡化算法[5-7]），不僅廣泛運(yùn)用到三維實體模型的三維可視化，也開始用于三維地圖符號的可視化[9]。但通用型層次建模技術(shù)有其內(nèi)在的缺陷，即在構(gòu)建細(xì)節(jié)層次模型時無法顧及對象的組成及對象之間的語義關(guān)系，細(xì)節(jié)的簡化具有一定的盲目性，往往會出現(xiàn)重要的邊被刪減的情況，導(dǎo)致模型走樣[7]。因此，在構(gòu)建LOD模型時需要充分考慮模型的內(nèi)在結(jié)構(gòu)及其語義，以進(jìn)行更好的模型簡化[8]。

電力桿塔和電力線作為國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施，從城市到農(nóng)村普遍存在，其模型對構(gòu)建輸電線路三維可視化管理平臺具有重要的意義[9]。傳統(tǒng)上，一般采用3D MAX、SketchUp或其他軟件工具來直接構(gòu)建帶有材質(zhì)的桿塔模型，該方法建立的桿塔模型能夠較好地反映桿塔的骨架特征和細(xì)節(jié)，但所建的模型在進(jìn)行三維可視化時由于脫離了原有環(huán)境，只能以通用三角面元的形式保存，不僅缺乏語義，而且文件較大，既不利于多細(xì)節(jié)模型的構(gòu)建，也不利于模型的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

針對現(xiàn)有模型構(gòu)建存在的文件大、缺乏語義等問題，本文充分利用桿塔的結(jié)構(gòu)和部件關(guān)系，提出了一種顧及對象語義的大規(guī)模桿塔電力線分頁細(xì)節(jié)層次模型的構(gòu)建方法。該方法從建模階段就考慮了模型的語義特征，不僅可以存儲桿塔的關(guān)鍵特征和屬性，也可以在三維顯示時有選擇的實現(xiàn)材質(zhì)的渲染，可以在建立osg（Open Scene Graph，osg）的PagedLOD模型時按照細(xì)節(jié)層次需求直接生成簡化后的LOD文件，以最大程度減少多細(xì)節(jié)層次模型的存儲需求和傳輸需求。文章組織結(jié)構(gòu)如下：簡單介紹桿塔和電力線的結(jié)構(gòu)，然后介紹基于語義的桿塔電力線的建模方法和簡化策略，再介紹基于四叉樹的混合式桿塔電力線分頁細(xì)節(jié)模型實現(xiàn)，最后介紹深圳市桿塔電力線LOD生成的具體效果。

1 桿塔、電力線的結(jié)構(gòu)

按使用材料的不同，架空輸電線路使用的桿塔可分為鋼筋混泥土電桿和鐵塔，本文僅以高壓線路使用的鐵塔為例說明。如圖1（a）所示，鐵塔一般由主材、斜材和綴材三部分構(gòu)成[10-11]。主材起到上下支撐作用，斜材和綴材對主材起到橫向約束作用。三者的材料可以為同一類型也可以為不同類型，且三者材質(zhì)寬度和厚度也隨著其重要性減小而逐漸減小。從三維可視化的角度出發(fā)，在近處看時，桿塔模型需要完整地反映桿塔的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)；在遠(yuǎn)處看的時候，桿塔模型不管是角鋼、薄壁型鋼或鋼管都可以簡化為一條直線；再遠(yuǎn)一點時，則只需畫出桿塔的外輪廓，忽略桿塔的斜材和綴材。

絕緣子是連接導(dǎo)線與塔身的絕緣體，其作用是避免導(dǎo)線直接接觸塔身，引發(fā)漏電事故。如圖1中的（b）和（c），絕緣子一般根據(jù)導(dǎo)線的電壓由若干個絕緣子片串接而成，且電壓越高，絕緣子的片數(shù)越多。從三維可視化的角度出發(fā)，在近處看時，絕緣子模型需要完整地反映絕緣子的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)；在遠(yuǎn)處看的時候，則只需用直線表示絕緣子的位置。

圖1 鐵塔結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、絕緣子與導(dǎo)線

電力線由導(dǎo)線和地線組成。導(dǎo)線通過絕緣子掛在桿塔上，而地線直接掛在桿塔的頂部。按照回路數(shù)的不同，導(dǎo)線可分為單回路、雙回路、三回路和四回路等情況。每個回路導(dǎo)線由A、B、C三相構(gòu)成，每相導(dǎo)線又可分為2，3，4，6，8等多條分裂導(dǎo)線[13]。圖1（b）為雙回路導(dǎo)線，每相導(dǎo)線為二分裂；圖1（c）則為單回路導(dǎo)線，每相導(dǎo)線為三分裂。一般情況下，分裂導(dǎo)線橫截面分布在一個圓上，構(gòu)成一個正多邊形。從三維可視化的角度出發(fā)，在近處看時，電力線模型需要完整地反映電力線的結(jié)構(gòu)；在遠(yuǎn)處看的時候，電力線模型只需用分裂導(dǎo)線中的一根來表示多分裂導(dǎo)線。

2 桿塔電力線建模方法與簡化策略

與基于3DMAX、SketchUp軟件直接建模出每個部件的三角形[10]不同，本文的桿塔和電力線建模采用語義建模法，即只采集桿塔部件、絕緣子和電力線的關(guān)鍵點。直接構(gòu)建每個部件的三角形，可以直接把桿塔的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)三角形化，脫離原有環(huán)境進(jìn)行帶材質(zhì)的三維顯示，但存儲的文件會比較大。本文以編寫osg的文件插件[14]的形式，加載自定義的桿塔文件*.ptm（power tower model，ptm），在加載.ptm文件時根據(jù)視覺感知的需要動態(tài)繪制桿塔（根據(jù)osg的插件命名規(guī)則，該插件名字為osgdb_ptm.dll）。該方法可以在生成LOD時根據(jù)桿塔按不同LOD級別加載*.ptm文件，從而直接得到不同細(xì)節(jié)的模型。

2.1 電力桿塔語義模型

為了便于數(shù)據(jù)的采集、編輯和可視化，本文以干字塔為例建立了如圖2所示的桿塔語義模型。不同結(jié)構(gòu)的桿塔語義模型有所不同，比如貓頭塔和酒杯塔會包括內(nèi)環(huán)和外環(huán)結(jié)構(gòu)。圖2所示的桿塔語義模型只是一個示意性模型，對于每一個回路來說，至少會有3個橫擔(dān)，對于換位塔來說會有額外的換位橫擔(dān)。每一個絕緣子由于構(gòu)造的關(guān)系往往不只是由一個絕緣子串組成，而是由多個絕緣子串組成I形、V形、Y形等結(jié)構(gòu)。

圖2 干字塔語義模型（簡化版）

2.2 基于語義的桿塔電力線簡化策略

基于語義的桿塔電力線簡化即依據(jù)不同的可視化距離，有選擇地畫出不同復(fù)雜程度的桿塔電力線模型，即在近處看時，桿塔電力線模型需要完整地反映桿塔、電力線的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)；在遠(yuǎn)處看的時候，桿塔電力線模型可以忽略部分細(xì)節(jié)。

2.2.1 桿塔的簡化

桿塔簡化層次如表1所示，當(dāng)視點距離很近時，生成的桿塔模型需要帶有材質(zhì)和細(xì)節(jié)；當(dāng)視點較遠(yuǎn)時，則只需要用直線段代替桿塔的材料，比如把角鋼和鋼管都簡化為一根直線；當(dāng)視點再遠(yuǎn)一些時，則只畫出桿塔的外輪廓，忽略桿塔的斜材和綴材結(jié)果。

同理，對于絕緣子這種半徑變化的旋轉(zhuǎn)體，其三角形比桿塔本身多一個數(shù)量級，在較遠(yuǎn)距離時直接用直線段代替絕緣子真實外表能極大地減少數(shù)據(jù)量。

2.2.2 電力線的簡化

電力線簡化層次如表2所示，電力線的簡化采取逐步減少繪制的電力線數(shù)量和減少電力線上的點數(shù)相結(jié)合的思路，即只有在視點距離足夠近時，才畫出電力線的所有相數(shù)的分裂線，在視點距離足夠遠(yuǎn)時則只畫出分裂線中一根，再遠(yuǎn)時則進(jìn)一步減少繪制的相數(shù)和地線。

表1 桿塔簡化層次

視點距離近———————>遠(yuǎn) 簡化層次01234 桿塔主材???? 桿塔輔材??? 桿塔綴材?? 絕緣子骨架???? 絕緣子細(xì)節(jié)? 桿塔材質(zhì)?

表2 電力線簡化層次

視點距離近—————————>遠(yuǎn) 簡化層次012345 相A?????? 相B??? 相C?? 地線?? 多分裂線? 點數(shù)9161311573

3 混合式桿塔電力線分頁細(xì)節(jié)模型實現(xiàn)

為了充分利用osg的PagedLOD功能[14-15]和本文設(shè)計的桿塔模型（如圖3所示），本文在設(shè)計桿塔電力線的分頁細(xì)節(jié)層次模型時將桿塔電力線LOD模型分為osgb（osg二進(jìn)制文件格式）層和ptm層。其中，osgb層保存簡化后的桿塔模型和電力線，ptm層保存原始的桿塔語義模型。

osgb層如圖3所示，總共6層，L0和L1層由于可視距離較遠(yuǎn)，桿塔會被壓縮到不到1個像素，因此只顯示電力線，而L2到L5層逐步加入桿塔及其細(xì)節(jié)。和L0到L4層相比，L5層進(jìn)行了特殊設(shè)計：L0到L4層都屬于4叉層，L5層則根據(jù)本層當(dāng)前瓦片的桿塔的多少，對每個桿塔建立了獨立的PageLOD，這樣可以方便地進(jìn)行。

ptm層就是立體測塔的原始文件，保存了桿塔塔身、塔頭、橫擔(dān)、絕緣子等關(guān)鍵點位數(shù)據(jù)和各部件的材質(zhì)。由于斜材、綴材、絕緣子實體模型是動態(tài)生成的，在文件中并不存儲，因此文件通常只有十幾KB。

在渲染時，直接利用osgb層渲染無材質(zhì)的簡化模型，而只有在最精細(xì)的ptm模型層出現(xiàn)時，才動態(tài)渲染當(dāng)前視野中的帶材質(zhì)的質(zhì)感模型。由于只有在一個桿塔占顯示窗口很大比例的情況下才進(jìn)行真實感顯示，因此，動態(tài)渲染的工作量大大減少，從而實現(xiàn)以時間換取存儲空間的目標(biāo)。

圖3 基于四叉樹的桿塔電力線LOD模型

4 實驗與效果

4.1 單個桿塔的PagedLOD對比實驗

本文選取3DMAX生成的深圳市嶺鯤甲線-N10桿塔LOD模型進(jìn)行對比說明。如圖4所示，圖4（b）為某公司提供的利用3DMAX建立的桿塔模型的4級LOD模型文件，文件總大小為54 MB；圖4（c）為利用本文方法生成的PagedLOD模型文件，文件總大小為74.1 KB。為了進(jìn)行更好的對比，圖4（d）為4個桿塔及其電力線的生成的PagedLOD模型文件，文件總大小只有550 KB，比3DMAX生成LOD的一個級別還要小至少100%.從數(shù)據(jù)上看，本文方法生成的PagedLOD文件占用空間很小，有利于桿塔的快速加載和數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 深圳市嶺鯤甲線-N10桿塔的LOD模型對比

4.2 深圳市桿塔電力線PagedLOD生成實驗

為了驗證本文方法的正確性和有效性，本文基于osgEarth搭建了實驗平臺（32位程序），并對深圳市110 kV、22 kV、500 kV共458條線路的桿塔和電力線數(shù)據(jù)進(jìn)行LOD模型生成和三維可視化實驗，實驗結(jié)果如表3所示。所生成的桿塔電力線PageLOD總共615 MB。osgEarth平臺單獨加載桿塔電力線內(nèi)存占用最少76 MB，最多只有475 MB；與深圳市DOM、傾斜攝影測量建立的高分辨率電力走廊地面模型一起加載，內(nèi)存占用最少243 MB，最多只有1.3 GB，刷新率達(dá)到每秒60幀。

表3 深圳市桿塔電力線LOD模型及加載情況

可視化內(nèi)容數(shù)據(jù)量內(nèi)存占用刷新率/fps 桿塔與電力線615 MB76 M/475 MB60 DOM、架次模型、桿塔與電力線55.6 G+110 G+615 MB243 M/1.3 GB60

為了直觀表示，如圖5～6所示，本文截取了深圳市桿塔電力線由遠(yuǎn)到近3種不同視點距離下的可視化結(jié)果。實驗結(jié)果表明，本方法能流暢快速地加載桿塔電力線LOD模型。

圖5 深圳市桿塔部分電力線遠(yuǎn)景

圖6 深圳市桿塔部分電力線近景

5 結(jié)束語

針對電力桿塔和電力線這類特殊人造地物的可視化需求，本文根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征提出了一種顧及對象語義的大規(guī)模桿塔電力線分頁細(xì)節(jié)層次模型構(gòu)建方法。與傳統(tǒng)方法相比，本文提出的方法通過實時計算桿塔的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，能有效減少桿塔表示的數(shù)據(jù)量，有利于縮短網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牡却龝r間，提高三維可視化平臺的響應(yīng)速度；根據(jù)本文方法建立的PagedLOD模型占用硬盤空間小，便于網(wǎng)絡(luò)傳輸；占用內(nèi)存少，可以在32位osgEarth程序上流暢瀏覽。實驗結(jié)果表明，針對不同可視化對象的結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建顧及對象語義的分頁細(xì)節(jié)層次模型，對于精細(xì)化的三維城市模型構(gòu)建與可視化具有重要的意義，是可視化模型建立的重要趨勢之一。

［1］王永君，龔健雅.用于大范圍虛擬地形環(huán)境的動態(tài)場景管理方法［J］.測繪學(xué)院學(xué)報，2003（03）：231-234.

［2］戴晨光，張永生，鄧雪清.一種用于實時可視化的海量地形數(shù)據(jù)組織與管理方法［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2005（02）：406-409，413.

［3］馮亮.面向大場景三維可視化的高精度地形數(shù)據(jù)組織［J］.測繪科學(xué)，2012，37（05）：119-120，125.

［4］朱慶，陳興旺，丁雨淋，等.視覺感知驅(qū)動的三維城市場景數(shù)據(jù)組織與調(diào)度方法［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2017，52（05）：869-876.

［5］周昆，潘志庚，石教英.基于三角形折疊的網(wǎng)格簡化算法［J］.計算機(jī)學(xué)報，1998（06）：506-513.

［6］周楊，姬淵，藍(lán)朝楨，等.基于三角形折疊的連續(xù)多分辨率LOD算法［J］.測繪學(xué)院學(xué)報，2004（04）：279-281，285.

［7］熊仕勇，李沁翰，謝愛榮.基于半邊折疊的LOD三維模型簡化算法［J］.計算機(jī)工程與設(shè)計，2016，37（03）：655-659.

［8］蒲浩，羅詩瀟，李偉，等.基于OSG的鐵路站場三維場景層次細(xì)節(jié)建模研究［J］.鐵道工程學(xué)報，2017，34（03）：63-67.

［9］郭星辰，佘江峰.多細(xì)節(jié)層次的三維植被符號設(shè)計［J］.測繪科學(xué)，2016，41（06）：48-52.

［10］尹暉，孫夢婷，干喆淵，等.基于SketchUp的輸電桿塔三維建模研究［J］.測繪通報，2015（04）：34-37.

［11］劉樹棠.輸電桿塔結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)設(shè)計［M］.北京，水利水電出版社，2005.

［12］陳祥和，劉在國，肖琦.輸電桿塔及基礎(chǔ)設(shè)計［M］.第2版.北京：中國電力出版社，2013.

［13］譚波，楊亮，周偉才，等.基于圓形度和懸鏈方程的電力線半自動建模［J］.測繪科學(xué)，2016，41（12）：243-247.

［14］邵孔東.虛擬戰(zhàn)場仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2016.

［15］王譽(yù)立.基于OSG的三維可視化研究［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2016.

彭熾剛（1963—），男，碩士，高級工程師，主要從事高壓輸電、電力巡線等研究。

南方電網(wǎng)科技項目（編號：GDKJQQ20161187）

2095－6835（2019）03－0017－04

TM75

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.017

〔編輯：張思楠〕