林小柏，謝銀昌，段學(xué)云，王磊

(1.云南省電力設(shè)計(jì)院，昆明 650051；2.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217)

基于GIS的線路覆冰數(shù)據(jù)空間分析及建模

林小柏1，謝銀昌1，段學(xué)云1，王磊2

(1.云南省電力設(shè)計(jì)院，昆明 650051；2.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217)

介紹基于GIS技術(shù)的空間分析方法和模型構(gòu)建工具，根據(jù)電力覆冰采樣數(shù)據(jù)，結(jié)合地形高程及區(qū)域氣候等影響因素，計(jì)算覆冰值，并用空間插值分析方法得到整個(gè)區(qū)域內(nèi)覆冰柵格圖；根據(jù)冰區(qū)區(qū)間劃分原則，最終得到冰區(qū)分布GIS矢量要素圖，為電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行服務(wù)。

輸電線路覆冰數(shù)據(jù)；GIS空間分析；冰區(qū)分布圖

0 前言

隨著用電需求不斷增加，電力資源的空間分布不均衡，使得輸電線路工程越來越多出現(xiàn)長距離跨區(qū)域的特點(diǎn)。線路覆冰對電網(wǎng)安全運(yùn)行影響重大，電力覆冰區(qū)劃對電力線路勘察設(shè)計(jì)及抗冰搶險(xiǎn)有重要意義。以下探討如何利用GIS技術(shù)，基于采樣數(shù)據(jù)，并結(jié)合高精度地形DEM數(shù)據(jù)和區(qū)域覆冰擬合模型，運(yùn)用ArcGIS軟件建模工具，運(yùn)行得到整個(gè)區(qū)域的冰區(qū)劃分矢量圖形及屬性數(shù)據(jù)庫，為電網(wǎng)設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行提供參考數(shù)據(jù)。

1 GIS空間分析技術(shù)簡介

GIS是地理信息系統(tǒng) (Geographical Information System的簡稱)，是在計(jì)算機(jī)軟硬件支持下，對整個(gè)或者部分地球表層空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)?？臻g分析是基于地理對象的位置和形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)，其目的在于提取和傳輸空間信息，分析對象是地理目標(biāo)的位置和形態(tài)特征[1]。

基于GIS的空間分析是將空間分析方法植入GIS軟件中，使復(fù)雜的傳統(tǒng)空間分析任務(wù)變得簡單易行，并能高效地分析和解釋地理特征間的相互關(guān)系及空間模式。[1-2]。

常見的GIS系統(tǒng)中，ESRI的ArcGIS以其強(qiáng)大的分析能力成為主流的GIS系統(tǒng)，且ArcGIS具備強(qiáng)大的建模功能，能使空間分析執(zhí)行效率大大提高，運(yùn)用ArcGIS進(jìn)行地理信息系統(tǒng)空間分析將成為一種主導(dǎo)趨勢[1]，本文主要介紹基于ArcGIS的電力線路覆冰數(shù)據(jù)空間分析方法。

2 覆冰數(shù)據(jù)空間分析及分布圖輸出

電力線路覆冰狀況主要用覆冰值來衡量，覆冰值指的是覆蓋在線路上的冰狀物的半徑，單位為毫米 (mm)。把覆冰值按照一定的數(shù)字區(qū)間劃分得出冰區(qū)區(qū)間，在地理空間上表示出冰區(qū)區(qū)間分布，并將數(shù)據(jù)形式轉(zhuǎn)化為GIS空間矢量數(shù)據(jù)圖層，冰區(qū)分布圖的研究成果，客觀地反映云南電網(wǎng)覆冰分布的規(guī)律。

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1)覆冰采樣數(shù)據(jù)：電力覆冰采樣數(shù)據(jù)包括兩種類型數(shù)據(jù)：一種是實(shí)地采樣數(shù)據(jù)，即帶坐標(biāo)點(diǎn)和覆冰觀測值，需轉(zhuǎn)換為GIS支持的空間數(shù)據(jù)點(diǎn)文件格式。另一種數(shù)據(jù)是虛擬采樣數(shù)據(jù)，即在分析區(qū)域內(nèi)，定義采樣點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)，起始位置，距離間隔，起始位置等參數(shù)后，得到一個(gè)覆蓋區(qū)域的格網(wǎng)，每個(gè)網(wǎng)格的中心生成一個(gè)點(diǎn)，代表采樣的點(diǎn)位，點(diǎn)位文件即需要的輸入采樣數(shù)據(jù)文件。

以上兩種類型數(shù)據(jù)可以單獨(dú)進(jìn)行分析應(yīng)用，也可以結(jié)合使用，即在實(shí)地采樣數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建虛擬采樣點(diǎn)，得到密度更高的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合高程和區(qū)域氣候條件，分析覆冰情況。在沒有實(shí)地采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的情況下，也可直接根據(jù)生成的虛擬采樣點(diǎn)結(jié)合地形高程數(shù)據(jù)和氣候因素，直接計(jì)算覆冰值，通過插值分析得到整個(gè)區(qū)域的覆冰情況。

2)數(shù)字高程模型 (DEM)數(shù)據(jù)：ArcGIS軟件支持的DEM數(shù)據(jù)格式，以柵格象元表示地表地形，象元值表示高程值。該數(shù)據(jù)主要用于提取采樣點(diǎn)對應(yīng)位置的高程信息，同等情況下，DEM數(shù)據(jù)精度越高，地形表達(dá)越細(xì)致，相對的冰區(qū)劃分結(jié)果精度越高。

3)根據(jù)云南各地區(qū)氣候特征，劃分出不同的覆冰氣候區(qū)域，并順序編號，對各個(gè)區(qū)域，基于氣象記錄資料，進(jìn)行高程變量與覆冰值的擬合分析，推導(dǎo)出計(jì)算公式。在模型的相關(guān)步驟，需要輸入該計(jì)算公式。

2.2 空間分析模型建立

先將采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)與DEM數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析，得到地形信息后，根據(jù)氣候區(qū)域劃分信息按不同的覆冰值計(jì)算擬合模型，計(jì)算得到采樣點(diǎn)覆冰值，然后通過空間插值分析，計(jì)算得到整個(gè)采樣范圍內(nèi)的覆冰柵格圖 (該數(shù)據(jù)以設(shè)定大小的象元為單位，象元值代表象元對應(yīng)區(qū)域的覆冰值)，再通過冰區(qū)區(qū)間劃分原則，對柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，得到采樣區(qū)的冰區(qū)區(qū)間分布柵格圖，最后將柵格圖轉(zhuǎn)換為空間矢量數(shù)據(jù)。

使用ArcGIS軟件按以上思路建立模型，以圖解建模方式用直觀的圖形語言將一個(gè)具體的過程模型表達(dá)出來。在這個(gè)模型中，分別定義不同的圖形代表輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、空間處理工具，它們以流程圖的形式進(jìn)行組合并且可以執(zhí)行空間分析操作功能。建成后的模型如下圖1所示：

圖1 覆冰數(shù)據(jù)空間分析及冰區(qū)分布圖輸出處理模型

其中，橢圓形圖框表示輸入或輸出數(shù)據(jù)，方形圖框表示空間分析處理操作。該模型一共包括8個(gè)數(shù)據(jù)分析處理操作步驟，箭頭方向表示數(shù)據(jù)流方向，上一步驟輸出數(shù)據(jù)可以作為下一步驟地輸入數(shù)據(jù)。模型前三步驟是生成虛擬采樣點(diǎn)并提取地形信息，添加覆冰字段為下一步計(jì)算機(jī)覆冰值做準(zhǔn)備，如果需要用實(shí)地采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)直接進(jìn)行分析得出冰區(qū)分布圖，可直接從插值分析步驟開始。

2.3 模型分析步驟及成果輸出

1)創(chuàng)建采樣格網(wǎng)：生成一個(gè)覆蓋研究區(qū)域的格網(wǎng)，輸入?yún)^(qū)域坐標(biāo)范圍參數(shù)，格網(wǎng)間距參數(shù)，生成格網(wǎng)多邊形數(shù)據(jù)的同時(shí)生成格網(wǎng)中心點(diǎn)數(shù)據(jù)，作為虛擬采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，格網(wǎng)間距可以根據(jù)研究區(qū)域地形條件、區(qū)域大小、成果精度要求來設(shè)置適當(dāng)?shù)拈g距值。例如，地形數(shù)據(jù) (DEM)象元單位為100m，則采樣格網(wǎng)間距可設(shè)為150m或稍大。

2)地形分析：采用提取分析，將上以步驟生成的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)作為基點(diǎn)，輸入坐標(biāo)與之匹配的DEM數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，獲取基點(diǎn)對應(yīng)DEM象元值，自動在采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)屬性表中添加字段記錄象元值作為該點(diǎn)的高程值。

3)添加覆冰值字段：為了計(jì)算和存儲覆冰值，在采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)中添加一個(gè)覆冰字段，本步驟定義字段名稱、類型、精度等參數(shù)。

4)計(jì)算覆冰值：選擇上一步驟添加的覆冰字段名，定義數(shù)學(xué)表達(dá)式或者是VB代碼塊來計(jì)算覆冰值。此步驟需要用到氣候區(qū)域劃分及覆冰計(jì)算擬合公式，用來界定不同區(qū)域內(nèi)，不同的高程覆冰擬合計(jì)算公式。例如，某地區(qū)計(jì)算覆冰值函數(shù)為：

其中y表示點(diǎn)位覆冰值，x表示點(diǎn)位高程

則模型中計(jì)算表達(dá)式為：

0.253 4?Exp(0.001 2[RASTERVALU])

其中 [RASTERVALU]為地形分析步驟中提取得到的采樣點(diǎn)高程字段。

5)采樣點(diǎn)插值分析：采用柵格插值分析方法，目的是通過已采樣點(diǎn)的數(shù)值來推算未采樣點(diǎn)值，插值結(jié)果將生成一個(gè)連續(xù)的表面，在這個(gè)連續(xù)表面上可以得到每一點(diǎn)的值。本研究采用克里金方法，它是通過一組具有z值 (空間現(xiàn)象特征值)的分散點(diǎn)生成估計(jì)表面的高級地統(tǒng)計(jì)過程。與其它插值方法相比，該方法基于包含自相關(guān)(即測量值之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系)的統(tǒng)計(jì)模型。因此，該方法不僅具有產(chǎn)生預(yù)測表面分布的功能，而且能夠?qū)︻A(yù)測的確定性或準(zhǔn)確性提供某種度量。

本步驟采用的克里金插值方法需要配置的參數(shù)有：Z值字段 (即覆冰值字段)、半變異函數(shù)屬性 (包括克里金方法和半變異函數(shù)模型)、輸出象元大小、搜索半徑設(shè)置、柵格數(shù)據(jù)方差等。柵格數(shù)據(jù)方差是每個(gè)輸出柵格像元中都含有克里金法方差，用于度量預(yù)測值的準(zhǔn)確性。本步驟輸出結(jié)果是柵格圖，象元值代表了覆冰值。

6)冰區(qū)區(qū)間劃分：采用柵格重分類方法對上一步生成的柵格圖，按照冰區(qū)區(qū)間的劃分原則進(jìn)行分類處理，在分類參數(shù)設(shè)置中輸入對應(yīng)值。

7)柵格轉(zhuǎn)矢量數(shù)據(jù)：矢量數(shù)據(jù)比柵格數(shù)據(jù)更節(jié)約存儲空間，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)嚴(yán)密便于編輯處理及用于空間分析，本步驟將上一步柵格重分類后的數(shù)據(jù)，選擇重分類字段，生成GIS矢量面數(shù)據(jù)，屬性表中的重分類字段值，即面圖斑對應(yīng)的地理區(qū)域的冰區(qū)區(qū)間值。

8)圖層融合處理：為減少數(shù)據(jù)冗余，方便制圖，按冰區(qū)值字段，將值相同的面合并，生成新的冰區(qū)分布面圖層數(shù)據(jù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 結(jié)果精度分析

以上介紹的是一種由區(qū)域覆冰采樣數(shù)據(jù)獲得冰區(qū)分布圖的到通用模型方法，輸出成果的精度與三個(gè)方面因素有關(guān)，前兩方面因素與本文介紹分析方法本身無關(guān)，屬外部因素，而第三個(gè)方面因素是影響空間分析方法和建模輸出成果精度的關(guān)鍵因素：

1)輸入數(shù)據(jù)的精度：包括采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)精度、采樣點(diǎn)間距、地形數(shù)據(jù) (DEM)精度。采樣數(shù)據(jù)精度與采樣觀測計(jì)算方法有關(guān)，不屬本文探討范圍；采樣點(diǎn)間距是衡量區(qū)域內(nèi)采樣點(diǎn)分布密度的量，間距越小，密度越大，相對的輸出成果精度越高；地形數(shù)據(jù) (DEM)具有不同比例尺精度，越大比例尺數(shù)據(jù)象元所表示的單位面積越小，精度越高，選擇較高精度DEM數(shù)據(jù)，得出的冰區(qū)分布成果精度也越高。

2)覆冰值計(jì)算的精度：本文覆冰計(jì)算方式是根據(jù)區(qū)域氣候特征，對高程值和覆冰值關(guān)系進(jìn)行擬合，得出經(jīng)驗(yàn)函數(shù)公式。云南地形復(fù)雜，氣候區(qū)域較多，例如滇東北雖然平均海拔不高，但冬季處于冷暖氣團(tuán)交匯靜止之處，冬季覆冰較重；滇西北海波較高，覆冰也較重，兩個(gè)地區(qū)相比高程對覆冰厚度影響程度不同。所以，必須劃定氣候區(qū)域，對不同區(qū)域得出不同的擬合公式，然后再實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證后進(jìn)行修正。

3)采樣點(diǎn)空間插值分析精度：這與選擇插值方法及其參數(shù)配置有關(guān)，插值分析方法有反距離權(quán)重法、克里金法、自然鄰域法、樣條函數(shù)法、趨勢面法等。

根據(jù)線路覆冰現(xiàn)象的空間分布特征和云南地形氣候情況，本文選擇克里金插值方法。選擇合適的半變異函數(shù)模型和設(shè)置合理的模型參數(shù)，對得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果至關(guān)重要。未知覆冰值點(diǎn)和已知點(diǎn) (采樣點(diǎn))構(gòu)成多個(gè)點(diǎn)對，將點(diǎn)對按兩點(diǎn)間距離分組，使用變異函數(shù)和協(xié)方差函數(shù)估算擬合模型的空間自相關(guān)值，根據(jù)改值隨距離增加的變化關(guān)系，擬合函數(shù)模型。

4 結(jié)束語

以上的分析方法和模型得出的是冰區(qū)的區(qū)間分布，所以計(jì)算得出的覆冰值誤差在一定范圍內(nèi)是可以接受的。由于線路覆冰的形成機(jī)理，受多方面影響，覆冰值計(jì)算方法只從區(qū)域大氣候和地形兩個(gè)最主要因素來考慮，未考慮微地形，風(fēng)速及水文因素影響。在后續(xù)研究中，可以將其它影響因素加入到覆冰計(jì)算模型中后，仍然可以使用該GIS模型分析得出冰區(qū)分布圖，基于覆冰數(shù)據(jù)庫可建立一個(gè)動態(tài)的覆冰分析GIS系統(tǒng)，提供參考數(shù)據(jù)和輔助決策。

[1] 湯國安，楊昕.AreGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：科學(xué)出版社，2006：1-10.

[3] 鄔倫，地理信息系統(tǒng)一原理、方法與應(yīng)用 [M]，2001.

[2] 郭仁中，空間分析 [M]，武漢：武漢測繪大學(xué)出版社，2000.

[4] 嚴(yán)爾梅.淺議架空輸電線路覆冰觀測與覆冰計(jì)算 [A].第三屆 (2012)全國架空輸電線路技術(shù)研討會論文集[C].2012

[5] 杜珍.重慶地區(qū)電網(wǎng)覆冰劃分依據(jù)與冰區(qū)圖編制研究[D].2011.

GIS Spatial Analyst and Modeling Application on Data of Transmission Line Icing

LIN Xiaobai1，XIE Yinchang1，DUAN Xueyun1，WANG Lei2
(1.Yunnan Electric Power Design Institute，Kunming 650051；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217)

This article introduces the progress of calculating icing value base on the sampling icing data of transmission line，the DEM and the factor of region-climate，using GIS Spatial Analyst tools and modeling tools，and Then we can obtain a regional Raster map of ice value by Spatial Interpolation Analyst；After that，according to the rule of icing area divided，we should get the GIS vector layer of ice level map，serving for Electric power Design and the safe of power grid.

data of transmission line icing；GIS spatial analyst；ice level map

TM76

B

1006-7345(2014)06-0078-03

2014-10-24

林小柏 (1982)，男，工程師，云南省電力設(shè)計(jì)院，主要從事地理信息系統(tǒng)應(yīng)用工作 (e-mail)shitou7988＠163.com1。

謝銀昌 (1981)，男，工程師，云南省電力設(shè)計(jì)院主要從事水文氣象工作 (e-mail)xyc413＠163.com。