基于WebGIS的三維全景變電站遠程監控系統設計與應用

胡常勝+黃昊+黃曉婧+卓旭

摘 要：基于現有的2D平面展示技術與3D建模技術目前存在的種種不足，該文提出了一種基于WebGIS的三維全景技術對變電站的實際應用場景進行虛擬展示，給出了三維全景技術變電站監控系統功能設計，包括球形投影技術、HTML5前端展示、WebGIS前端、GIS后端和數據庫；給出了三維全景變電站監控系統結構的詳細說明，并將三維全景變電站監控系統應用到實際變電站中，實際效果表明，該技術在成本、效率和可維護性上較2D平面展示技術和3D建模展示技術都表現出了較大優勢。

關鍵詞：三維全景 變電站遠程監控系統 WebGIS

中圖分類號：TM764 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（b）-0006-02

在實時監控方面，現有變電站以攝像機監視主站為基礎，但是清晰度高度依賴于視頻監控系統，對設備細節的完整呈現存在不足；目前還采用了基于2D的平面技術及基于3D的建模技術這兩種主要手段對變電站進行虛擬展示，其中第二種方法需要對變電站內部進行深度模擬展示，從而對變電站圖形進行一體化建模，但技術實現難度高且成本不易控制。

該文以三維全景技術對變電站運行場景進行仿真展示，并基于WebGIS的監控特點，建立具有輔助決策的智能監控平臺，實現跨平臺數據共享。

1 三維全景技術

相比傳統技術手段，三維全景技術是實現環境要素空間信息化的最好選擇[1]。近年來，基于全景圖像的虛擬現實技術也得到了迅速發展，對數字博物館、虛擬旅游、房地產展示等虛擬漫游應用領域起到了重要的行業發展推動作用[2]。三維全景技術有著無法比擬的優勢[1]，主要體現在以下幾方面。

（1）數據量小，數據采集和處理簡便。

（2）數據冗余度低。

（3）與場景復雜度無關。

（4）對運行計算機的性能要求不高。

（5）對特殊裝置的依賴程度低。

2 三維全景技術變電站監控系統設計及應用

2.1 三維全景變電站監控系統功能設計

三維全景變電站監控系統架構的關鍵技術主要由5部分組成，以下將一一進行詳細技術說明。

2.1.1 球形投影技術

球形投影的原理是將照片投影到一個具有經/緯度的全景球面上，與直線投影不同，球形投影將圖片中所有的水平或垂直線投影到球面上時都會彎曲（0°經/緯線除外）。其合成全景圖的水平視角可達360°，垂直視角可達180°，適用于近距廣角鏡頭的大視角全景觀察[3]。因此，球形投影方式非常適合變電站內局部場景的展示。目前，球形投影方式幾乎被所有的硬件拍攝設備以及合成軟件支持，也是使用的最廣泛的全景投影方式之一。

2.1.2 HTML5前端展示

現有主流的瀏覽器都支持HTML5的WebGL標準。WebGL是一種3D繪圖標注，這種繪圖技術標準允許把JavaScript和OpenGL ES 2.0結合在一起。WebGL可以為HTML5的Cavas標簽提供硬件3D加速渲染，這樣Web開發人員可以借助系統顯卡在瀏覽器里更流暢地展示3D場景和模型[4]。

直接使用WebGL進行三維全景的展示比較繁瑣，可以借助three.js或者是panolens.js等開發庫來縮減開發的工作量。

2.1.3 WebGIS前端

OpenLayers作為一種輕量級的開源WebGIS開發框架，具有成本低、開發簡單，支持多種地圖格式和Web頁面，實現頁面的無刷新動態實時更新等特點，更方便地將空間信息和非空間信息進行集成管理，非常適用于構建中小范圍、小尺度下的地理信息系統項目[5]。

2.1.4 GIS后端

目前主流的GIS服務器都被Openlayers所支持，如 ArcGIS、MapInfo等。對于變電站遠程監控，可以考慮更經濟且靈活的開源解決方案，如GeoServer。

GeoServer是一個符合J2EE規范且實現了WCS、WMS及WFS規格，并支持Transaction WFS（WFS-T）；支持ESRI Shapefile及Post GIS、Oracle、ArcSDE等空間數據庫；輸出的GML檔案滿足GML2.l的要求；且由于它的開源，所以開發組織可以基于GeoServer靈活實現特定的目標要求。

2.1.5 數據庫

數據庫的選擇范圍較廣，可以從現有開發經驗和應用需求上進行考慮。主流的商業數據庫，如OracleSQL Server以及開源數據庫，如MySql、PostgreSQL、Sqlite等都提供了對空間數據的存儲支持。

2.2 三維全景變電站監控系統結構說明

系統以電網統一的視頻監控平臺為核心，接口開放是變電站綜合數據協議接入網關、監控智能聯動及應用服務器等設備進行交互的關鍵，以實現站內監控系統的智能分析、聯動等功能?；赪ebGIS的三維全景變電站監控系統結構如圖1所示。

整個系統內部傳輸的數據主要有控制及聯動數據、設備狀態、三維及二維圖片媒體數據等，由串口設備接入，在上級電網公司部署流媒體服務器以及變電站相關的綜合數據協議轉換接入網關實現各類數據的協議轉換；為滿足全景展示應用服務的要求，需要在變電站內部部署圖片引擎服務器，主要存儲內容為電子地圖，同時為了能夠對圖片業務進行在線發布，系統應單獨安裝Web服務器；每一臺服務器的運行狀態需要統一監控管理，操作人員可通過網管服務器對系統的實時狀態進行信息查詢，同時能夠將系統的實時操作及時快速地反映在全景圖像中。

2.3 三維全景變電站監控系統應用

如圖2所示，左邊是常見的地理信息展示（2D展示界面），用于對較大場景進行展示；右邊是3D全景展示界面，用于對局部場景的展示。在地理信息展示界面中設置相應的熱點，如圖中的圈，點擊后在右邊的界面對局部的細節采用三維全景技術進行展示。在三維全景展示界面中，通過熱點對現場安裝設備進行數據顯示或者是交互操作。

3 結語

將基于WebGIS的三維全景技術應用在變電站遠程監控系統當中，可以有效地解決2D平面展示技術與3D建模技術目前存在的種種不足，同時在成本、效率和可維護性上都具備顯著的優勢。

參考文獻

[1] 郭林崗，周潔，張冰，等.GIS集成三維全景在環境應急中的應用[J].環境科學導刊，2013（S1）：134-136.

[2] 鄧杏杏，朱大明，楊袁聰.基于全景圖的虛擬現實系統研究與討論[J].地礦測繪，2009，25（1）：26-28.

[3] 高鐵.全景照片合成技術及PTGUI的運用[J].電腦知識與技術，2010，6（25）：7114-7117.

[4] 榮艷冬.基于WebGL的3D技術在網頁中的運用[J].信息安全技術，2015（8）：90-92.

[5] 楊鵬，鄒時林.基于OpenLayers的WebGIS客戶端的研發[J].測繪與空間地理信息，2012，35（3）：131-133.