韋 耐 王 偉

（武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430072）

電網(wǎng)工作離不開地理數(shù)據(jù)的支撐，但是隨著工作范圍不斷擴大，逐漸出現(xiàn)電網(wǎng)信息與地理信息脫節(jié)的現(xiàn)象[1]，以往基于人工手段獲取地理數(shù)據(jù)的方法已無法適用于當前的電網(wǎng)項目，存在數(shù)據(jù)獲取成本高、周期長、誤差大且格式不統(tǒng)一等問題，無法支撐電網(wǎng)的規(guī)劃和維護工作。隨著計算機科學技術(shù)與地理信息技術(shù)的融合發(fā)展，地理信息系統(tǒng)分析時空大數(shù)據(jù)的能力越來越強，使其在各領(lǐng)域均有十分廣闊的應用前景[2]。電力行業(yè)一直通過地理數(shù)據(jù)為決策提供支撐，因此對地理信息系統(tǒng)技術(shù)的需求十分強烈。該文采用GIS空間分析技術(shù)，以數(shù)字高程模型（DEM）等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，通過相關(guān)地學算法快速獲取地形數(shù)據(jù)，并基于該數(shù)據(jù)信息為電網(wǎng)布設(shè)中的桿塔選點和維護工作提供建議，從而提高工作效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)以信息安全防護體系和信息標準化體系為保障，圍繞地理數(shù)據(jù)支撐電網(wǎng)規(guī)劃和運維工作的核心訴求，整合數(shù)字高程數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)、電網(wǎng)桿塔線路數(shù)據(jù)以及輸電線路數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，構(gòu)建空間數(shù)據(jù)庫，基于ArcEngine二次開發(fā)和.NET框架搭建服務平臺，為應用層的各個功能模塊提供服務調(diào)用，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)據(jù)組織

該系統(tǒng)主要包括2種類型數(shù)據(jù)類型，基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和電網(wǎng)桿塔專題數(shù)據(jù)?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)包括DEM數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)等Shp格式數(shù)據(jù)；專題數(shù)據(jù)主要包括電網(wǎng)桿塔線路數(shù)據(jù)、輸電線路數(shù)據(jù)、高桿植物類型數(shù)據(jù)以及維護人員信息等Excel格式數(shù)據(jù)。

使用MySQL技術(shù)對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理。MySQL具有低成本、開源、簡單易用以及連接便攜等優(yōu)勢，支持實時更新、快捷查詢電網(wǎng)數(shù)據(jù)；在安全性保障上支持通過設(shè)置用戶權(quán)限等級來保障數(shù)據(jù)庫的使用安全[3]，基于MySQL構(gòu)建的空間數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 空間數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)核心訴求為如何快速獲取電網(wǎng)所需的地理數(shù)據(jù)，并基于地理數(shù)據(jù)給電網(wǎng)的規(guī)劃和維護工作提供建議。基于該訴求共設(shè)計了5個模塊，分別為微地形數(shù)據(jù)分析及輸出、規(guī)劃建議、運維建議、數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)管理。其中，微地形數(shù)據(jù)分析及輸出模塊可以分析及輸出坡度、坡向、山脊、山谷以及坡位等地理數(shù)據(jù)。規(guī)劃建議模塊可以判斷某個點位是否適合建塔桿，還可以輸出某個地理范圍內(nèi)合適的塔桿點位。運維建議模塊可以查看問題塔桿的地理位置及周邊地理環(huán)境，還可以查詢距離最近的運維人員的聯(lián)系方式。數(shù)據(jù)查詢模塊具有空間查詢、屬性查詢和位置查詢等功能[4]。數(shù)據(jù)管理模塊支持數(shù)據(jù)同步和數(shù)據(jù)編輯等操作。整體系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)及算法實現(xiàn)

坡位算法與作者之前發(fā)表的一篇以研究GIS微地形算法在電網(wǎng)布設(shè)中的應用類似。但是這篇文章的重點在于研究基于GIS技術(shù)的電網(wǎng)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，算法作為實現(xiàn)系統(tǒng)中某個模塊的關(guān)鍵技術(shù)，而不是重點介紹原理。

2.1 SOA法提取山脊線和山谷線

山脊線和山谷線是非常重要的地形特征數(shù)據(jù)，可以描述地形的高低起伏[5]。在工程領(lǐng)域，山脊線具有分水性，不易形成洼地，是工程建設(shè)的重點區(qū)域；而山谷線具有匯水性，容易形成溪流和洼地，也是泥石流等自然災害高發(fā)區(qū)，在工程建設(shè)中是需要避開的區(qū)域。

該系統(tǒng)采用SOA算法，結(jié)合ArcEngine（ArcGIS的一套軟件開發(fā)引擎，可以讓程序員創(chuàng)建自定義的GIS桌面程序）地理數(shù)據(jù)分析接口，以原始DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取山脊線和山谷線。SOA即平面曲率的坡向變率，山脊線和山谷線均反映為SOA值較大的區(qū)域，區(qū)別在于山脊線是正地形中SOA值較大的區(qū)域，而山谷線是負地形中SOA值較大的區(qū)域[6]。具體實現(xiàn)方法如下。

第一步：計算SOA1。通過AE地形分析接口求DEM數(shù)據(jù)的坡向變率SOA1。

第二步：計算SOA2。通過公式（1）計算DEM數(shù)據(jù)的反地形DEM數(shù)據(jù)，并求反地形DEM數(shù)據(jù)的坡向變率SOA2。

式中：H為原DEM數(shù)據(jù)高程最大值；O為反DEM數(shù)據(jù)；S為DEM數(shù)據(jù)。

第三步：消除誤差。理論上，SOA1和SOA2都是描述同一DEM數(shù)據(jù)的坡向變化率，2個值應該相同，因此可以通過公式（2）消除SOA值誤差。

式中：SOA為平面曲率的坡向變率；Abs為絕對值。

第四步：通過正、負地形和SOA提取山谷線和山脊線數(shù)據(jù)，山脊線對應正地形且SOA值較大，如公式（3）所示。山谷線對應負地形且SOA值較大，如公式（4）所示。

式中：meandem為DEM高程平均值。

采用SOA算法提取山脊線和山谷線的操作十分簡單，同時支持通過調(diào)整曲率的大小來調(diào)節(jié)山脊和山谷的寬度，在可視化呈現(xiàn)上具有重要作用[7]。

2.2 坡位漸變信息的模糊推理法提取坡位信息

坡位是指坡面所處的地貌部位。例如位于正地形還是負地形，位于溝間地還是溝坡地。坡位提取的核心工作是劃分地貌部位、地貌類型[8]。該系統(tǒng)使用秦承志等人[9]提出的基于坡位漸變信息的模糊推理法來計算坡位信息，根據(jù)其他地形特征和坡位典型位置的相似度來綜合判斷，主要使用的地形特征數(shù)據(jù)有坡度、剖面曲率、水平曲率和區(qū)域特征值（RPI）。某一點的RPI值是指該點到溝谷的最短歐氏距離和該點到山脊及溝谷的最短歐式距離之和，如公式（5）所示（RPI值主要用于描述該點的相對位置信息）。

式中：min_Eu（溝谷）為到溝谷的最短歐氏距離；min_Eu（山脊）為到山脊的最短歐式距離。

在獲取各地形參數(shù)后，通過設(shè)置不同坡位典型位置的判斷條件（表1）來提取坡位的典型位置，該文主要包括山脊、坡肩、背坡、坡腳和溝谷等重要坡位數(shù)據(jù)。

2.3 DBSCAN聚類算法尋找最佳建站區(qū)域

DBSCAN聚類算法是基于密度的聚類方法，通過計算鄰域內(nèi)點的密度，將符合約束條件的點組成類，不符合的點標注為噪點。

該算法的核心約束條件有2個，即最小聚類點數(shù)和搜索距離。搜索距離一般指所創(chuàng)建的緩沖區(qū)范圍，通過緩沖區(qū)搜索落入的所有點要素，再計算該領(lǐng)域的點密度，如公式（6）所示。

式中：M為該領(lǐng)域的點密度；P為領(lǐng)域內(nèi)的點數(shù)（包括中心點）；S為領(lǐng)域面積。

而最小聚類點數(shù)則是指最小點數(shù)密度，主要用來判斷該領(lǐng)域是否符合要求，最小點數(shù)密度如公式（7）所示。

式中：Mmin為最小點數(shù)密度；Pmin為最小點數(shù)；S為領(lǐng)域面積。

如果該點所在鄰域的密度大于最小密度，就創(chuàng)建聚類，或分配到某個已經(jīng)存在的聚類，反之就標注為稀疏點。稀疏點所在區(qū)域標注為最佳建站區(qū)域。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)采用C#開發(fā)語言，后臺基于VS.NET+Arc Engine+ MySQL技術(shù)框架進行編碼。

3.1 微地形數(shù)據(jù)分析及輸出

該模塊主要調(diào)用ArcGIS GeoAnalysis、SpatialAnalysis等接口，通過DEM提取坡度、坡向、平面曲率和剖面曲率等地形數(shù)據(jù)；基于SOA算法提取山脊線和山谷線，從而得到RPI值，再根據(jù)表1輸出坡位信息。微地形數(shù)據(jù)輸出結(jié)果如圖4~圖5所示。

圖4 微地形數(shù)據(jù)輸出結(jié)果1

圖5 微地形數(shù)據(jù)輸出結(jié)果2

3.2 電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃建議

以半徑為1 000 m的圓形作為緩沖區(qū)，設(shè)置最小點密度為5，使用聚類算法聚類找到噪點，噪點所在緩沖區(qū)為最佳建站區(qū)域；該區(qū)域使用30 m×30 m的3×3窗口擬合，假設(shè)中心點位為建站點位，提取該點位的微地形數(shù)據(jù)，與人為設(shè)置的不同地形數(shù)據(jù)閾值（閾值數(shù)據(jù)可根據(jù)實際需要進行調(diào)整）進行對比，尋找符合條件的點位，再以這些點位為圓心，設(shè)置半徑為500 m的圓形緩沖區(qū)（數(shù)值可根據(jù)需要調(diào)整），如果緩沖區(qū)內(nèi)沒有已建電桿，則該點位適合建立新電桿點位。

3.3 電網(wǎng)系統(tǒng)運維建議

由外部導入問題站點數(shù)據(jù)，主要包括經(jīng)、緯度信息。將問題站點導入地圖上進行顯示，提取該位置的微地形數(shù)據(jù)信息，了解問題站點周邊的地形，如果站點某個地形數(shù)據(jù)不符合標準閾值設(shè)置，就進行提醒。如果該站點當前的坡度值大于40°，就顯示“坡度太大，需要調(diào)整！”的信息，同時可以根據(jù)距離最優(yōu)原則尋找運維人員的聯(lián)系方式和電話。

4 結(jié)語

該文基于ArcGIS進行二次開發(fā)，結(jié)合GIS相關(guān)的時空算法開發(fā)了基于GIS的電網(wǎng)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，不僅解決了傳統(tǒng)地理信息數(shù)據(jù)獲取成本高、周期長以及誤差大等問題，而且實現(xiàn)了信息化管理電網(wǎng)項目中的地理信息數(shù)據(jù)的功能，還可以基于地理數(shù)據(jù)分析給電網(wǎng)工作提供規(guī)劃和運維等方面的建議，提高了工作效率，推進了電網(wǎng)規(guī)劃和維護管理工作的科學化發(fā)展。