李 欣，劉 震，李建松，盧賓賓

（1.武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢430079）

基于GIS電力智能選線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 欣1，劉 震1，李建松1，盧賓賓1

（1.武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢430079）

電力選線是輸電線路設(shè)計(jì)首先需要解決的問(wèn)題。結(jié)合電力選線的研究現(xiàn)狀，探討了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)和開發(fā)了基于ArcGIS Engine的電力智能選線系統(tǒng)，提高了電力選線的自動(dòng)化水平。最后使用該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)選出一條輸電線路，并對(duì)線路進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。分析結(jié)果表明，選出的線路能為電力設(shè)計(jì)人員提供決策支持，大幅提高工作效率。

GIS；分層模型；A*算法；電力選線；選線系統(tǒng)

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)

目前在電力選線中常采用柵格數(shù)據(jù)模型，具體方法是將要進(jìn)行選線的區(qū)域按一定規(guī)則進(jìn)行劃分，形成大小相同的單元格，每個(gè)單元格的值經(jīng)過(guò)它的成本值，構(gòu)成了成本表面模型。在成本表面上，應(yīng)用最短路徑算法，生成輸電線路。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了分層網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型，不同的層次存放不同大小的格網(wǎng)單元，此模型兼顧了選線時(shí)間和線路的準(zhǔn)確性問(wèn)題。三層網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型如圖1所示。本文在線路選擇時(shí)先從單元格最大的第一層格網(wǎng)選出粗略通道，然后在包含該通道范圍的單元格較小的下一層格網(wǎng)選出較細(xì)的通道，直到從單元格最小的格網(wǎng)層選出最終路徑。

1.2 格網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

參與選線計(jì)算的格網(wǎng)分為通道格網(wǎng)和路徑格網(wǎng)。通道格網(wǎng)用于生成通道，路徑格網(wǎng)則用于生成路徑。本文主要考慮坡度、交通便利度、與交通線交叉、居民地、一般規(guī)劃區(qū)等影響因素[7]。2種格網(wǎng)的屬性表的大部分字段均相同。由于通道分析時(shí)不考慮與交通線交叉，因此通道格網(wǎng)不包含與交通線交叉字段，路徑格網(wǎng)不包含累積成本字段。通道格網(wǎng)屬性表的主要字段如表1所示。

圖1 三層網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型

表1 通道格網(wǎng)屬性表主要字段

1.3 影響因素成本值

影響電力選線的因素大部分是定性描述，不利于計(jì)算機(jī)進(jìn)行綜合分析，將這些因素量化為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的形式是進(jìn)行選線的前提。本文將影響因素的成本值量化在1～9之間。坡度越大，施工難度越大，成本也越高。坡度取1～9的值，分為0°～5°（值為1）、5°～15°（值為4）、15°～30°（值為7）、大于30°（值為9），默認(rèn)值為1。交通便利度表示電力線施工和維護(hù)的便利程度，電力線離道路越近，越便于施工和維護(hù)，成本也越低。交通便利度取1～9的值，分為：距離道路＜1 km（值為1）、距離道路1～3 km（值為3）、距離道路＞3 km（值為9），默認(rèn)值為9。輸電線與等級(jí)越高的交通線交叉，跨越成本就越高。與交通線交叉取1～9的值，分為鐵路、高速公路（值為9）、國(guó)道（值為7）、省道（值為6）、縣道（值為3）、其他（值為1），默認(rèn)值為1。居民地屬于應(yīng)盡量避免通過(guò)的區(qū)域，可賦予相應(yīng)網(wǎng)格很高的成本值來(lái)避開居民地。居民地取1、9值，1表示不是居民地，9表示是居民地，默認(rèn)值為1。一般規(guī)劃區(qū)屬于不宜通過(guò)的區(qū)域，可賦予相應(yīng)網(wǎng)格較高的成本值來(lái)規(guī)避此類區(qū)域。一般規(guī)劃區(qū)取1、7值，1表示不是規(guī)劃區(qū)，7表示是規(guī)劃區(qū)，默認(rèn)值為1。

1.4 選線算法

電力選線問(wèn)題是求解給定起止點(diǎn)的最短路徑問(wèn)題。在路徑規(guī)劃中，常用的最短路徑算法有Dijkstra算法、Floyd-Warshall算法和A*算法等。Dijkstra在求解單源點(diǎn)最短路徑問(wèn)題時(shí)效率較高；Floyd-Warshall算法適合于求解任意2點(diǎn)間的最短路徑問(wèn)題。這2種算法求解給定2點(diǎn)間最短路徑問(wèn)題的效率較低，而采用啟發(fā)式搜索的A*算法克服了Dijkstra算法毫無(wú)方向地向四周搜索的缺陷，能保證路徑的搜索始終朝著終點(diǎn)方向進(jìn)行，提高了運(yùn)行效率。本文采用A*算法進(jìn)行路徑規(guī)劃。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于組件式ArcGIS Engine開發(fā)，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各子模塊按相應(yīng)的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有相對(duì)的獨(dú)立性，方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)與升級(jí)。系統(tǒng)包括項(xiàng)目管理模塊、成本表面生成模塊、成本信息計(jì)算模塊和自動(dòng)選線模塊。系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

2.1 項(xiàng)目管理模塊

項(xiàng)目管理模塊包括新建項(xiàng)目、影響因素參數(shù)設(shè)置等功能。項(xiàng)目涉及到地圖文檔（．mxd 文件）、文件地理數(shù)據(jù)庫(kù)（．gdb文件）、影響因素文件（．xml文件）和起止點(diǎn)文件（．xml文件）。數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)選線區(qū)域的遙感影像、DEM和影響因素?cái)?shù)據(jù)。由于一些影響因素要分成多個(gè)類別，適合采用分層的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行存儲(chǔ)，因此影響因素存儲(chǔ)在XML文件中。影響因素參數(shù)設(shè)置功能可設(shè)置各影響因素的權(quán)重和成本值。

圖2 電力智能選線系統(tǒng)功能模塊圖

2.2 成本表面生成模塊

格網(wǎng)生成功能可根據(jù)格網(wǎng)的實(shí)際范圍和單元格的大小創(chuàng)建格網(wǎng)，即成本表面。以選線區(qū)域作為格網(wǎng)的實(shí)際范圍，采用較大的單元格，創(chuàng)建用于生成通道的格網(wǎng)，即通道格網(wǎng)。通道生成后，以通道多邊形的邊界作為格網(wǎng)的實(shí)際范圍，采用較小的單元格，創(chuàng)建通道覆蓋范圍下用于生成路徑的格網(wǎng)，即路徑格網(wǎng)。

2.3 成本信息計(jì)算模塊

成本信息計(jì)算是計(jì)算成本表面上各格網(wǎng)單元的各影響因素的成本值，并存儲(chǔ)在相應(yīng)影響因素字段中。該模塊有坡度信息計(jì)算、交通便利度計(jì)算、面型信息計(jì)算和線型信息計(jì)算等功能。坡度信息計(jì)算利用選線區(qū)域的DEM生成坡度圖，利用疊加分析和統(tǒng)計(jì)分析，提取每個(gè)格網(wǎng)單元的平均坡度值。交通便利度計(jì)算主要是對(duì)交通線路進(jìn)行緩沖區(qū)分析。面型信息計(jì)算是將面狀地物分配到各格網(wǎng)單元。線型信息計(jì)算是將線狀地物分配到各格網(wǎng)單元。成本信息計(jì)算基本流程如圖3所示。2.4 自動(dòng)選線模塊

圖3 成本信息計(jì)算基本流程圖

自動(dòng)選線模塊包括通道分析、路徑分析和線路統(tǒng)計(jì)功能。通道分析功能使用通道格網(wǎng)，調(diào)用最短路徑算法，選出成本值較低的一部分單元格作為通道的范圍，并將通道文件存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。路徑分析功能使用路徑格網(wǎng)，調(diào)用A*算法，從格網(wǎng)中規(guī)劃出一條最終路徑，并將路徑文件保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。線路統(tǒng)計(jì)功能是在選線結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)線路的長(zhǎng)度、曲折系數(shù)、轉(zhuǎn)角個(gè)數(shù)、轉(zhuǎn)角度數(shù)分布、通過(guò)地物的長(zhǎng)度以及輸電線坡度分布，驗(yàn)證系統(tǒng)選出的線路是否符合要求。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 選線實(shí)驗(yàn)

本文采用的實(shí)驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)約65 km，寬約22 km。實(shí)驗(yàn)區(qū)包含山地、居民地、規(guī)劃區(qū)、鐵路、高速公路、省道、縣道，地物復(fù)雜，地形起伏大，因此考慮坡度、交通便利度、與交通線交叉、居民地、一般規(guī)劃區(qū)等影響因素。首先在軟件中輸入選線的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)，并在參數(shù)設(shè)置中設(shè)置各影響因素的權(quán)重；然后在格網(wǎng)生成功能中以整個(gè)選線區(qū)域?yàn)楦窬W(wǎng)范圍，采用大小為250 m×250 m的單元格創(chuàng)建通道格網(wǎng)；利用成本信息計(jì)算模塊計(jì)算各格網(wǎng)單元的坡度、交通便利度、居民地、一般規(guī)劃區(qū)等字段成本值；利用通道分析功能，根據(jù)各影響因素的權(quán)重，計(jì)算各格網(wǎng)單元的累積成本值，并生成通道；再在格網(wǎng)生成中以通道多邊形邊界為格網(wǎng)實(shí)際范圍，采用大小為125 m×125 m的單元格創(chuàng)建路徑格網(wǎng)，并計(jì)算格網(wǎng)單元字段的成本值；利用路徑分析功能，調(diào)用A*算法，選出一條輸電線路。實(shí)驗(yàn)在一臺(tái)i5 2．53 GHz 雙核CPU、6 G 內(nèi)存的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，從單元格數(shù)量為20 641的路徑格網(wǎng)中規(guī)劃出最終線路耗時(shí)64 s。選線結(jié)果表明，輸電線路沒(méi)有穿過(guò)居民地和規(guī)劃區(qū)，且線路大部分在交通線附近，如圖4所示。

3.2 線路統(tǒng)計(jì)

圖4 選線結(jié)果圖

選線結(jié)束后，對(duì)線路進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，線路長(zhǎng)度為72．423 km，曲折系數(shù)為1．11，滿足設(shè)計(jì)需求。轉(zhuǎn)角個(gè)數(shù)為156，偏多，有待對(duì)路線進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。轉(zhuǎn)角度數(shù)分布情況如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)角度數(shù)分布表

線路通過(guò)居民地的長(zhǎng)度為8．5 m，通過(guò)規(guī)劃區(qū)的長(zhǎng)度為0 m，說(shuō)明輸電線路基本上避開了居民地和規(guī)劃區(qū)。輸電線路坡度分布情況如表3所示。

表3 輸電線路坡度分布表

以上分析表明，系統(tǒng)選出的線路能滿足電力線路設(shè)計(jì)基本要求，能為電力設(shè)計(jì)人員選線提供參考。

4 結(jié) 語(yǔ)

為解決輸電線路的路徑規(guī)劃問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于GIS的電力智能選線系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，給定路徑的起止點(diǎn)和相關(guān)約束條件，利用該系統(tǒng)可以快速選出一條合理的輸電線路，為電力設(shè)計(jì)人員提供決策支持。該系統(tǒng)不僅提高了選線的效率和質(zhì)量，而且大幅降低了選線成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 劉宜灼．SkyLine 支持下的電力選線三維系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．地理空間信息,2010,8(5):24-26

[2] 高首都,李珂．遙感三維可視化技術(shù)在輸電線路選線中的應(yīng)用[J]．地理空間信息,2010,8(5):19-20

[3] 楊泰平,唐川,段永坤,等．RS 和 GIS 在高壓輸電線選線中的應(yīng)用[J]．地理空間信息,2010,8(2):115-117

[4] 袁敬中,于泓,蔣榮安,等．面向電力選線的多級(jí)網(wǎng)格空間數(shù)據(jù)模型研究[J]．電力勘測(cè)設(shè)計(jì),2011(6): 64-68

[5] 康健民,袁敬中,肖少輝,等．基于分層模型的輸電線路選線算法設(shè)計(jì)[J]．電力建設(shè),2012,33(4): 6-10

[6] 付仲良,秦菡,劉震． GIS技術(shù)支持下的電力智能選線[J]．測(cè)繪地理信息，2015,13(3):80-82

[7] 劉春霞,王家海．基于空間分析的送電線路選線方法[J]．測(cè)繪工程,2008,17(3):28-30

P208

B

1672-4623（2016）02-0066-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.02.023傳統(tǒng)的選線工作是由電力設(shè)計(jì)人員根據(jù)一定的原則和經(jīng)驗(yàn)，選出最佳線路。這種選線方法不僅成本高，而且難以保證電力線路的合理性。為了降低電力選線的成本和難度，電力設(shè)計(jì)人員和相關(guān)學(xué)者做了大量研究[1-3]，但沒(méi)有涉及到選線算法的實(shí)現(xiàn)，線路選擇仍需要設(shè)計(jì)人員在三維場(chǎng)景中完成。之后，部分專家雖然進(jìn)行了算法方面的研究，但沒(méi)有將算法集成到系統(tǒng)中[4,5]。付仲良等設(shè)計(jì)了基于GIS的電力智能選線原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電力線路的智能選擇[6]，但未對(duì)選線算法進(jìn)行探討，而且對(duì)影響因素的量化也缺乏考慮?；谝陨蠁?wèn)題，本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于GIS的電力智能選線系統(tǒng)。

李欣，碩士，主要研究方向?yàn)檫b感解譯和GIS應(yīng)用。

2015-06-19。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41401455）。