面向電力選線的多級網(wǎng)格空間數(shù)據(jù)模型研究

袁敬中，于 泓，蔣榮安，婁書榮，趙俊生

(1.華北電網(wǎng)有限公司，北京 100120；2.北京洛斯達(dá)科技發(fā)展有限公司，北京 100120；3.武漢大學(xué)，湖北 武漢 430072)

1 背景

輸電線路的選線工作是輸電線路設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一，選線需要綜合考慮地貌、地物、地形和地質(zhì)等諸多因素。傳統(tǒng)的主要通過專家經(jīng)驗(yàn)和人工主觀判讀的電力選線方法需要花費(fèi)大量的人力和時(shí)間，選擇的線路的好壞與選線人員的經(jīng)驗(yàn)和主觀判讀能力有密切的關(guān)系，難以確保選線的合理性。因此，計(jì)算機(jī)自動(dòng)選線的需求日益增加。

GIS作為空間數(shù)據(jù)的主要獲取和管理手段，可以將影響選線的因素進(jìn)行計(jì)算機(jī)量化和空間表達(dá)，并通過空間分析和最優(yōu)路徑算法實(shí)現(xiàn)電力的自動(dòng)選線。要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)選線，設(shè)計(jì)合理的針對電力選線特點(diǎn)的空間數(shù)據(jù)模型是需要考慮的關(guān)鍵問題。

當(dāng)前，諸多學(xué)者利用柵格數(shù)據(jù)模型將選線區(qū)域劃分為網(wǎng)格單元， Monteiro利用柵格數(shù)據(jù)模型對各種影響因素進(jìn)行計(jì)算，將各種影響因素轉(zhuǎn)化為通過網(wǎng)格時(shí)的花費(fèi)代價(jià)，然后利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法進(jìn)行電力線路通道選擇。Ahmadi和Schmidt等在柵格模型的基礎(chǔ)上利用ArcGIS的工具和空間分析功能設(shè)計(jì)電力線路；Beazer1和Beazer等針對柵格數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)了軟件工具用于計(jì)算選線影響因素代價(jià)。這些研究都在一定程度上提高了選線的智能性，然而，這些方法使用柵格數(shù)據(jù)模型主要是基于柵格數(shù)據(jù)格式，模型中使用的網(wǎng)格大小相同，模型的設(shè)計(jì)沒有考慮具體空間區(qū)域的地形、地物的復(fù)雜情況，并且選線的各個(gè)影響因素對選線影響方式的不同，使得選擇的線路難以達(dá)到較高的精確性。

華北電網(wǎng)有限公司以多年實(shí)際選線的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，針對管理區(qū)域地形復(fù)雜的狀況，針對當(dāng)前研究存在的問題，提出一種新的自適應(yīng)多級網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型，根據(jù)網(wǎng)格覆蓋區(qū)域的和影響因素的不同，自動(dòng)選擇不同分辨率的網(wǎng)格計(jì)算各個(gè)影響因子的值，然后自動(dòng)選擇不同層次的網(wǎng)格參與最優(yōu)路徑運(yùn)算，并通過A*算法進(jìn)行實(shí)際線路設(shè)計(jì)，結(jié)果表明該數(shù)據(jù)模型能夠提高選線策略的合理性。

2 多級網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)

在電力自動(dòng)選線中，當(dāng)前研究和使用較多的柵格數(shù)據(jù)模型，是通過將選線的備選區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，形成規(guī)則的網(wǎng)格單元，每個(gè)網(wǎng)格的值代表通過網(wǎng)格時(shí)或者從鄰近網(wǎng)格到該網(wǎng)格所需要花費(fèi)的代價(jià)。網(wǎng)格的值主要是通過綜合與其他影響選線因素的空間數(shù)據(jù)疊加分析來獲取，然后為每個(gè)影響因素賦予不同的權(quán)重，計(jì)算出最終的網(wǎng)格單元的通過代價(jià)值。該方法中可以使用多個(gè)級別的網(wǎng)格，每個(gè)級別的網(wǎng)格單元大小相等，例如：2km×2km 、1km×1km和500m×500m的網(wǎng)格。然而，一種網(wǎng)格層次的柵格數(shù)據(jù)難以滿足不同的地理區(qū)域的不同影響因素的信息提取。本節(jié)首先分析電力選線的諸多影響因素，及其空間數(shù)據(jù)表示方法；然后根據(jù)影響因素在不同分辨率層次上的作用大小，設(shè)計(jì)自動(dòng)適應(yīng)影響因素復(fù)雜變化的多級網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型；最后，對各種影響因素的提取方法進(jìn)行論述。

2.1 電力選線影響因素分析

輸電線路設(shè)計(jì)的好壞與電網(wǎng)的施工、運(yùn)行與維護(hù)的成本和工作效率有密切關(guān)系。高質(zhì)量的線路的設(shè)計(jì)需要充分了解輸電線路的特點(diǎn)和選線區(qū)域的地形、地貌、地質(zhì)和地物的現(xiàn)狀。輸電線路通常具有明顯的地理特征，需要綜合考慮四大類因素，地形地質(zhì)因素：高程、坡度、坡向、地震、風(fēng)、雪、雷電等；地貌因素：軍事區(qū)域、森林、自然風(fēng)景區(qū)、礦區(qū)、水資源，河流跨越，野生物；社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素：農(nóng)業(yè)區(qū)、居民區(qū)等；技術(shù)因素：道路、鐵路、管線、電線等跨越信息。

這些影響因素來源分散，種類繁雜，衡量的標(biāo)準(zhǔn)各不相同，即有定量的因素，也包括大量定性的因素。如何有效的將多個(gè)因素進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，并將定性的因素定量化表達(dá)，形成計(jì)算機(jī)能夠識別的數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對各個(gè)影響因素進(jìn)行綜合分析形成某一地理位置的影響因素的綜合評定，形成有效的數(shù)據(jù)模型，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)選線的前提條件。本文根據(jù)各個(gè)影響因素對選線所起的作用不同，將影響因素分為以下幾種類型：①禁止通過區(qū)域，例如軍事區(qū)域、自然風(fēng)景區(qū)的核心區(qū)域、礦區(qū)和野生物區(qū)域等；②盡量避免通過區(qū)域，森林、居民區(qū)等；③限制通過方式的區(qū)域，例如、跨越河流、鐵路和高速公路等；④方便通過區(qū)域，地形平坦、距離公路較近等區(qū)域。

GIS作為一種有效的空間數(shù)據(jù)表達(dá)技術(shù)，可以利用不同的方式對各種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行表示?？梢杂肈EM表達(dá)研究區(qū)域的高程信息，然后根據(jù)DEM，利用空間分析功能，計(jì)算出區(qū)域的坡度和坡向信息；用線矢量數(shù)據(jù)表達(dá)鐵路、電線等數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)比例尺大小的不同選擇用線或者用面來表達(dá)道路、管線等數(shù)據(jù)；用面矢量數(shù)據(jù)表達(dá)軍事區(qū)域、自然風(fēng)景區(qū)、居民地等信息。DEM和柵格格式的數(shù)據(jù)有利于與柵格格式的網(wǎng)格疊加和統(tǒng)計(jì)分析，矢量格式的影響因素?cái)?shù)據(jù)有利于與矢量格式的網(wǎng)格進(jìn)行各種空間分析。因此，本文將綜合利用柵格和矢量模式的網(wǎng)格作為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)多級網(wǎng)格模型。

2.2 多級網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型

利用較多的柵格數(shù)據(jù)模型，可以利用網(wǎng)格單元行列號計(jì)算出網(wǎng)格的位置信息和鄰近網(wǎng)格的信息，見圖1，柵格數(shù)據(jù)的網(wǎng)格關(guān)系示意圖，每個(gè)網(wǎng)格都與八個(gè)方向上的鄰近網(wǎng)格相連通，在最優(yōu)路徑設(shè)計(jì)時(shí)，可以計(jì)算通過不同鄰近網(wǎng)格需要消耗的代價(jià)，然后選擇總體代價(jià)較小的網(wǎng)格通行。在進(jìn)行每個(gè)網(wǎng)格的影響因素值計(jì)算時(shí)，首先將影響因素的數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化處理；化為柵格格式的數(shù)據(jù)；然后與網(wǎng)格進(jìn)行疊加分析，計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格的單個(gè)影響因素的值；最后，根據(jù)各個(gè)影響因素的權(quán)重計(jì)算出網(wǎng)格內(nèi)的綜合通過代價(jià)。單一的柵格數(shù)據(jù)模型影響因素值統(tǒng)計(jì)時(shí)，需要將影響因素圖層轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)，這樣會(huì)在增加計(jì)算復(fù)雜性的同時(shí)，降低數(shù)據(jù)的精度。

圖1 柵格數(shù)據(jù)網(wǎng)格關(guān)系示意圖

本文提出的多級網(wǎng)格模型，在柵格網(wǎng)格模型的基礎(chǔ)上，為每個(gè)柵格單元同時(shí)建立對應(yīng)的矢量網(wǎng)格單元。在影響因素值提取時(shí)，采用柵格數(shù)據(jù)與DEM、坡度圖和各種柵格數(shù)據(jù)格式的影響因素進(jìn)行疊加分析，得出這個(gè)影響因素的影響值。同時(shí)，不需要將各種矢量數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，例如河流、道路圖、居民地等數(shù)據(jù)，而是利用柵格單元所對應(yīng)的矢量柵格數(shù)據(jù)與這些影響因素進(jìn)行疊加和各種空間分析，提取各個(gè)影響因素在網(wǎng)格中通過時(shí)的影響值。然后將柵格網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)的各種值并入到矢量格式所表達(dá)的網(wǎng)格模型中，最后，利用矢量網(wǎng)格進(jìn)行最優(yōu)路徑選擇。

可以對區(qū)域進(jìn)行多種網(wǎng)格等級的劃分，可以創(chuàng)建4km×4km 、2km×2km、500m×500m、250m×250m和125m×125m等。網(wǎng)格單元的大小對選線的結(jié)果具有重大影響，較大的網(wǎng)格單元計(jì)算速度快，可以選出粗略的線路通道，但是單個(gè)網(wǎng)格難以準(zhǔn)確表達(dá)網(wǎng)格內(nèi)所有區(qū)域的信息，使得部分復(fù)雜區(qū)域的數(shù)據(jù)代表了整個(gè)網(wǎng)格單元的影響代價(jià)值，使得計(jì)算難以精確，并且由于單個(gè)網(wǎng)格覆蓋區(qū)域內(nèi)部分禁止通過區(qū)域會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)格的通行，使得最終選擇的通道會(huì)繞過該網(wǎng)格區(qū)域，進(jìn)而增加了選線的不合理性；較小的網(wǎng)格單元，計(jì)算需要花費(fèi)的時(shí)間較長，線路較為具體，但是較細(xì)的網(wǎng)格難以表達(dá)較大范圍的影響因素，使得難以統(tǒng)計(jì)部分影響因素的值。因此，本文設(shè)計(jì)了多級網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型，根據(jù)網(wǎng)格覆蓋區(qū)域的影響因素的復(fù)雜層度自動(dòng)選擇不同等級的網(wǎng)格進(jìn)行影響因素代價(jià)值統(tǒng)計(jì)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

在較粗層次的網(wǎng)格中，根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的影響因素的復(fù)雜層度，可以選擇較細(xì)層次的分割方法，在線路選擇時(shí)，首先在較粗層次上選擇較粗的選線范圍，并建立緩沖區(qū)，形成一個(gè)選線粗級通道；然后，在粗級通道內(nèi)選擇較細(xì)的通道，再在較細(xì)的通道上選擇更細(xì)的通道，以此類推逐級選擇，直到在最細(xì)的網(wǎng)格層次上選出線路為止。見圖2，首先在第1層的網(wǎng)格劃分方法中選擇通道，然后在第2層和第3層進(jìn)行，直到最底層為止。

圖2 逐層選線圖

2.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具功能設(shè)計(jì)

智能選線需要網(wǎng)格數(shù)據(jù)和影響選線的因子信息的圖形化，數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換的目標(biāo)是把各種定性及定量的影響因子定量化和圖形化。

確定選線區(qū)域范圍，定義和獲取各個(gè)影響因素的數(shù)據(jù)，并根據(jù)范圍生成不同層次的網(wǎng)格，并對網(wǎng)格進(jìn)行編碼和中心坐標(biāo)提??；其次，利用DEM數(shù)據(jù)計(jì)算坡度和等高線，利用疊加分析和統(tǒng)計(jì)分析功能，提取每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的平均高程值和平均坡度值；再次，根據(jù)不同類型的影響因子生成不同種類的矢量圖層，例如城鎮(zhèn)、村莊、河流、道路、風(fēng)景區(qū)、礦區(qū)和土地利用等多種數(shù)據(jù)；將各類影響因子數(shù)據(jù)包括禁止區(qū)域通過數(shù)據(jù)融合和各種空間分析，提取出各種影響因子在網(wǎng)格內(nèi)的影響等級；最后，為每個(gè)網(wǎng)格單元中的每個(gè)屬性設(shè)置相應(yīng)的屬性等級。圖3為數(shù)據(jù)處理的流程圖。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

針對某些影響因素的數(shù)據(jù)，在較粗的網(wǎng)格中對網(wǎng)格的代價(jià)影響較大，而該網(wǎng)格下層網(wǎng)格中形成的多個(gè)子網(wǎng)格的影響值差別過大，則利用該網(wǎng)格的下層網(wǎng)格數(shù)據(jù)取代該網(wǎng)格，來計(jì)算各個(gè)子網(wǎng)的通過代價(jià)值，圖4為疊加分析的示意圖。

圖4 影響因素提取示意圖

3 實(shí)驗(yàn)與分析

圖5為100km×40km的研究區(qū)域的DEM、坡度圖、和1km×1km的網(wǎng)格圖和影響因子提取的屬性表。本文利用A*算法選擇電力線路，圖6是選線結(jié)果的對比圖，圖中紅色線是利用單層網(wǎng)格模型選線，首先在1km×1km的網(wǎng)格劃分層次上選出較粗通道，然后再在500km×500km和250km×250km的層次上選擇電力線路的最終結(jié)果，從圖中可以看出，該方法首先在1km×1km選擇通道，難以從兩個(gè)禁止通過區(qū)域公園和礦區(qū)中間的較窄的通道里通過。圖中藍(lán)色的線為利用多級網(wǎng)格選線的結(jié)果，多級網(wǎng)格可以根據(jù)地形和影響因素的復(fù)雜層度自動(dòng)組合不同層次的網(wǎng)格參與線路選擇，因此，在1km×1km級別的粗選時(shí)，在通過公園和礦區(qū)區(qū)域時(shí)，調(diào)用較低層次的網(wǎng)格層的數(shù)據(jù)參與計(jì)算，使得線路可以通過該區(qū)域，然后再在500km×500km和250km×250km的層次上選擇更細(xì)的線路。

圖6 選線結(jié)果對比圖

4 總結(jié)

輸電線路的選線受到多種因素的影響，數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)和選擇是實(shí)現(xiàn)高效和合理選線的關(guān)鍵問題，當(dāng)前的研究和利用較多的是柵格數(shù)據(jù)模型。本文針對柵格數(shù)據(jù)模型存在的問題，提出了一種多級網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型，該模型可以根據(jù)空間區(qū)域的地形、地物的復(fù)雜層度選擇不同層次的網(wǎng)格參與電力選線的運(yùn)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型具有較好的適應(yīng)復(fù)雜地形和地物的能力。

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