基于GIS的電網(wǎng)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

韋 耐 王 偉

（武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(kuò)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(dāng)前的電網(wǎng)項(xiàng)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(hù)工作。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)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(shí)空大數(shù)據(jù)的能力越來越強(qiáng)，使其在各領(lǐng)域均有十分廣闊的應(yīng)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(qiáng)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(xué)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(diǎn)和維護(hù)工作提供建議，從而提高工作效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以信息安全防護(hù)體系和信息標(biāo)準(zhǔn)化體系為保障，圍繞地理數(shù)據(jù)支撐電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)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(wù)平臺，為應(yīng)用層的各個(gè)功能模塊提供服務(wù)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(hù)人員信息等Excel格式數(shù)據(jù)。

使用MySQL技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)時(shí)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(jì)

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(hù)工作提供建議?；谠撛V求共設(shè)計(jì)了5個(gè)模塊，分別為微地形數(shù)據(jù)分析及輸出、規(guī)劃建議、運(yùn)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(gè)點(diǎn)位是否適合建塔桿，還可以輸出某個(gè)地理范圍內(nèi)合適的塔桿點(diǎn)位。運(yùn)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(yùn)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?jǐn)?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(shí)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(yīng)用類似。但是這篇文章的重點(diǎn)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(jì)和開發(fā)，算法作為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中某個(gè)模塊的關(guān)鍵技術(shù)，而不是重點(diǎn)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(diǎn)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(zāi)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(fù)地形中SOA值較大的區(qū)域[6]。具體實(shí)現(xiàn)方法如下。

第一步：計(jì)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(jì)算SOA2。通過公式（1）計(jì)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(gè)值應(yīng)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(fù)地形和SOA提取山谷線和山脊線數(shù)據(jù)，山脊線對應(yīng)正地形且SOA值較大，如公式（3）所示。山谷線對應(yīng)負(fù)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(shí)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(fù)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(jì)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(diǎn)的RPI值是指該點(diǎn)到溝谷的最短歐氏距離和該點(diǎn)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(diǎn)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(jì)算鄰域內(nèi)點(diǎn)的密度，將符合約束條件的點(diǎn)組成類，不符合的點(diǎn)標(biāo)注為噪點(diǎn)。

該算法的核心約束條件有2個(gè)，即最小聚類點(diǎn)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(diǎn)要素，再計(jì)算該領(lǐng)域的點(diǎn)密度，如公式（6）所示。

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

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

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

如果該點(diǎn)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(gè)已經(jīng)存在的聚類，反之就標(biāo)注為稀疏點(diǎn)。稀疏點(diǎn)所在區(qū)域標(biāo)注為最佳建站區(qū)域。

3 系統(tǒng)功能實(shí)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(jìn)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(diǎn)密度為5，使用聚類算法聚類找到噪點(diǎn)，噪點(diǎn)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(diǎn)位為建站點(diǎn)位，提取該點(diǎn)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(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整）進(jìn)行對比，尋找符合條件的點(diǎn)位，再以這些點(diǎn)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(diǎn)位適合建立新電桿點(diǎn)位。

3.3 電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)維建議

由外部導(dǎo)入問題站點(diǎn)數(shù)據(jù)，主要包括經(jīng)、緯度信息。將問題站點(diǎn)導(dǎo)入地圖上進(jìn)行顯示，提取該位置的微地形數(shù)據(jù)信息，了解問題站點(diǎn)周邊的地形，如果站點(diǎn)某個(gè)地形數(shù)據(jù)不符合標(biāo)準(zhǔn)閾值設(shè)置，就進(jìn)行提醒。如果該站點(diǎn)當(dāng)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(shí)可以根據(jù)距離最優(yōu)原則尋找運(yùn)維人員的聯(lián)系方式和電話。

4 結(jié)語

該文基于ArcGIS進(jìn)行二次開發(fā)，結(jié)合GIS相關(guān)的時(shí)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(shí)現(xiàn)了信息化管理電網(wǎng)項(xiàng)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(yùn)維等方面的建議，提高了工作效率，推進(jìn)了電網(wǎng)規(guī)劃和維護(hù)管理工作的科學(xué)化發(fā)展。