GIS坡度分級法在藏區(qū)大高差電力線路設計中的應用

余婧峰，余銀普

(1.成都城電電力工程設計有限公司，四川 成都 610041；2.四川省測繪地理信息局測繪產品質量監(jiān)督檢驗站，四川 成都 610041)

GIS坡度分級法在藏區(qū)大高差電力線路設計中的應用

余婧峰1，余銀普2

(1.成都城電電力工程設計有限公司，四川 成都 610041；2.四川省測繪地理信息局測繪產品質量監(jiān)督檢驗站，四川 成都 610041)

針對川北藏區(qū)電力線路工程的大高差跨越地形特征，引入GIS空間分析運算中的坡度算法，基于數字高程模型DEM，生成研究范圍的坡度專題層。依據《土地坡度等級劃分技術規(guī)范》對坡度層進行二次分類定級，最終獲得GIS坡度分級專題層。結合高分衛(wèi)片、坡度分級層及相關矢量專題信息，在GIS空間分析平臺上進行可視化線路優(yōu)化設計，可以有效地控制線路設計成果的整體坡度范圍、合理規(guī)劃桿塔的立塔位置，將桿塔定位在坡度合理、地質條件穩(wěn)定的地理位置上。研究論證表明，GIS坡度分級技術能有效提高大高差跨越地區(qū)線路工程的整體安全系數，降低后期外業(yè)勘測的作業(yè)難度，最終使線路的建設、運營得到可靠的保障。

GIS；坡度分級；大高差跨越；線路設計

0 前 言

近年來，四川電力建設的重心逐漸由城區(qū)骨干電網建設向川北甘孜藏族無電地區(qū)延伸。2012年3月，“十二五”四川藏區(qū)電網“一號工程”——“新甘石”工程的正式啟動，拉開了川藏聯網電力工程的序幕。隨著設計勘察工作的不斷深入，許多技術難點逐步凸顯。其中較為顯著的，是電力線路設計中所遭遇的川北藏區(qū)大高差跨越地形問題。川西藏區(qū)多屬高山峽谷類地形，地勢切割劇烈，懸崖絕壁較多。僅依靠傳統(tǒng)的工程測量手段和既有地形圖判讀選線方法，已無法達到高效、合理的電力線路優(yōu)化設計目標。大高差的地形，對傳統(tǒng)的線路設計方式和沿線勘察測手段均提出了更高的技術要求。因此，尋求新型的設計技術手段來輔助藏區(qū)大高差型地貌電力線路設計勢在必行。

GIS，又稱地理信息系統(tǒng)，具有強大的空間分析功能和輔助決策功能。作為GIS空間分析技術中的核心運算之一，地形坡度運算已逐漸被電力行業(yè)所采納，在輸配電線路工程的設計和勘測工作過程中得到廣泛應用。結合高分辨率的航天衛(wèi)星影像及數字高程模型，通過GIS空間分析技術，對線路沿線進行地形專題數據的提取，獲取電力線路路徑的坡度信息，使設計人員能在線路設計初期對電力線路全線的地形地勢有宏觀而合理的把握。利用GIS平臺的可視化交互查詢，設置線路路徑中立塔的地理最優(yōu)位置，從而到達對輸變電線路整體坡度范圍的合理控制，實現輸變電線路設計的優(yōu)化。

1 GIS坡度分級算法原理闡述

1.1 GIS坡度空間分析運算原理

對于數字高程模型中的每一個像元而言，坡度分析運算統(tǒng)計的是該像元與臨近像元的最大地形變化率。基本上，一個地形像元的最大變化率由它和周邊鄰接的8個外像元決定。假設，這外圍的8個像元被依次定義為a～i，如圖1(a)所示，以最大平均值原理進行中心像元水平、垂直方向的地形變化率運算，運算原理見公式(1)、公式(2)。

[dz/dx]=((c+2f+i)-(a+2d+g))/(8×x_cellsize)

(1)

[dz/dy]=((g+2h+i)-(a+2b+c))/(8×y_cellsize)

(2)

綜合上述水平、垂直方向的坡度計算原理，對4個直接鄰接單元的權重賦值，值取2；而4個角落單元的權重賦，值取1，權重賦值圖見圖1(b)。最終，中心地形像元的坡度計算公式見公式(3)。圖中G表示格網尺寸，ei(i=1…8)分別表示中心點e周圍的格網點高程。以3×3大小為移動窗口，在數字高程模型矩陣中逐個計算每個格網數據的坡度信息，計算完畢后將獲得坡度柵格影像，詳見圖1(c)。

坡度值θ的正切值為

(3)

圖1 坡度分析運算原理示意圖

1.2 坡度分級原則

2008年6月，國土資源部綜合了中國各地區(qū)地形地勢坡度范圍，按照其對農業(yè)、工業(yè)、環(huán)境水土保持等方面的影響限制程度，頒布了《土地坡度等級劃分技術規(guī)范》。規(guī)范中指出，將中國的地形坡度分布分為了如下7個等級：≤3°、3°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、35°～45°、>45°[1]。不同的坡度等級，對土壤地質環(huán)境的穩(wěn)定性和水土保持產生的影像力有顯著的差異性。

根據多年水土流失監(jiān)測結果表明，≤3°區(qū)域俗稱無侵蝕區(qū)域，一般無水土流失現象發(fā)生；3°～8°時，地表有輕微的細溝、淺溝出現，可發(fā)生輕度土壤侵蝕，使用此區(qū)域土壤時，應需注意水土保持；8°～15°可發(fā)生中度水土流失，應采取修筑梯田、等高種植等措施；15°～25°地質侵蝕漸趨加劇，區(qū)域水土流失嚴重，必須采取工程、生物等綜合措施進行防治。25°是土壤侵蝕方式的一個轉折點，>25°以上的土壤區(qū)域將會大量出現重力侵蝕現象；而35°是黃土堆積面的臨界休止角， >45°以上時極易發(fā)生坡面錯落、滑坡、瀉溜等重力侵蝕出現，此區(qū)域為開荒限制坡度，不易進行工程建設及開發(fā)，并采用退耕還林等水土保護措施。

2 GIS坡度分級算法在藏區(qū)大高差電力線路工程中的應用

在舉世矚目的“川藏聯網電力天路工程”中，多數線路工程屬于高山峽谷類地形，有的地區(qū)坡度甚至超過了60°。地勢切割劇烈，懸崖絕壁較多。如果不能正確對桿塔的立塔位置進行設計，控制線路的整體坡度范圍，則會導致線路工程的整體安全系數降低，為后期的施工難度、工人的人生安全、線路的使用壽命帶來極大的安全隱患。因此，采用GIS輔助決策技術，對線路路徑的大方案設計進行優(yōu)化，顯得尤為重要。

本次研究基于ArcGIS空間分析平臺，采用GIS坡度分級算法，提取研究區(qū)域的坡度專題數據。隨后，依據國土資源部頒布的《土地坡度等級劃分技術規(guī)范》文件，按照坡度數據的取值范圍，對獲取的坡度專題數據進行2次分類和定級，最終獲得GIS坡度分級專題圖層。疊加相關的工程影像數據、城市規(guī)劃數據等要素，在ArcGIS平臺上可視化查詢各桿塔位置上的坡度值，實現桿塔立塔位置的合理設計，從而達到對線路整體方案所處坡度區(qū)域的合理調控。總體而言，本次技術研究分為如下6個大的研究方面，具體流程詳見圖2。

圖2 技術流程圖

2.1 研究區(qū)域及原始數據介紹

本次研究依托“東谷河一級水電站至丹巴500 kV變電站220 kV線路工程”。該研究區(qū)域行政隸屬于四川省甘孜藏族自治州丹巴縣管轄，工程全長預估為12 km。地理位置而言，研究區(qū)域線路地處四川盆地與青藏高原東南緣過渡地帶，主體地形表現為侵蝕、剝蝕形成的高山峽谷地形，地形切割強烈，懸崖絕壁所處可見。山脊形態(tài)呈尖峭狀，山坡和谷坡坡度較大，一般在40°以上，溝谷狹窄，橫剖面呈“V”型。海拔方面，研究區(qū)域途經地段標高均在2 100 m以上，相對高差在200～800 m范圍之間，屬于典型的川北藏區(qū)大高差跨越地形，地形地質條件非常惡劣。

為了將新型勘測技術在實際工程中得以運用，開展線路的優(yōu)化設計工作，向四川省測繪地理信息局收資1：5萬比例尺精度、含10 m等高線要素層的數字化矢量地形圖，共計3幅。配套衛(wèi)星影像方面，收資了2.5 m分辨率的IRS-P5衛(wèi)星影像，共計6幅。兩套原始數據均已完成前期的幾何糾正及正攝糾正處理，滿足工程設計所需要的平面精度。原始資料的具體分布情況詳見圖3。

鋸截裝置主要由鏈鋸、驅動電機、齒輪、齒條、機架、調速控制器、行程開關及其它電器控制部件等組成，結構見圖9。作業(yè)時按鋸截啟動鍵，驅動電機轉動，通過齒輪、齒條的傳動，帶動已鋸切狀態(tài)鏈鋸橫向進給，實現切割枝丫捆作業(yè)，當完成切割后，且行程擋塊達接近開關(6#)后，電動機反向轉動，鏈鋸及機架等返回運動，達行程擋塊達接近開關(7#)后停止運動，鏈鋸改為怠速狀態(tài)。

圖3 原始資料分布圖

2.2 等高線反演TIN及DEM

TIN(triangulated irregular network)，俗稱不規(guī)則三角網，是構建數字地表模型DEM必不可少的步驟之一。具體而言，構建不規(guī)則TIN的流程和意義如下：通過將一系列的高程點以基于矢量形式組成三角形格網，從而使各矢量邊形成不疊置的連續(xù)三角面，可用于捕獲在地形起伏中發(fā)揮重要作用的線狀要素(如山脊線或河道)的位置。由于網絡是以不規(guī)則結點連接，因此可以將整個三角網絡以不規(guī)則形式，放置于地形表面。在表面起伏變化較大或需要更多細節(jié)的區(qū)域，網絡分布密集，使TIN具有較高的分辨率，而在表面起伏變化較小的區(qū)域，網絡分布稀疏，TIN的分辨率較低[2]。最終利用不同的數學插值算法，實現以數字模式來表示地表形態(tài)的目標，構建成果詳見圖4(a)、圖4(b)。

構建TIN三角網的插值方法有很多種，如 Delaunay 三角測量法、距離排序法等。目前，GIS 平臺運算中，普遍采用的是 Delaunay 三角測量算法。

利用線性或最鄰近插值原理，通過查找落在二維空間中的三角形，計算像元中心相對于三角形平面的位置，作為每個輸出像元的高程屬性值。最終，將上一階段生成的不規(guī)則三角網柵格化轉換為平面柵格，實現由不規(guī)則三角網TIN生成數字高程模型DEM的目標。該流程俗稱“TIN柵格化構DEM”，具體構建成果詳見圖4(c)。

2.3 DEM質量評估

采用上述處理流程，制作出本次工程全境范圍內10 m等高線精度的數字高程模型DEM，共計3張。對加工生產出的DEM柵格影像進行如下3個方面的成果質量評估檢驗。

1)精度檢查

①平面精度檢查：與數字遙感正射影像圖及地形圖進行疊加，檢查數字遙感所示地形地貌特征與DEM高程變化特征是否吻合。經檢查，DEM平 面精度滿足要求。

②接邊精度檢查：接邊檢查是對相鄰兩幅DEM重疊區(qū)的同名格網點高程，計算DEM 接邊精度。采用目視判讀進行接邊檢查，經檢查，接邊處灰度連續(xù)、無錯位的情況。

2)數據完整性檢查

數據完整性包括要素完整性、覆蓋完整性、圖幅間完全接邊。將DEM數據進行鑲嵌。經檢查，DEM 數據覆蓋區(qū)域完整；相鄰圖幅間能夠實現完全接邊。

3)數據文件檢查：經檢查元數據文件內容齊全。

2.4 基于DEM的GIS坡度分級專題圖提取及圖層優(yōu)化

按照前文所闡述的坡度系數提取原理，對研究范圍內的所有DEM進行GIS坡度空間分析運算，提取出工程全境的DEM坡度專題層。隨后，依據國土資源部《土地坡度等級劃分技術規(guī)范》中所規(guī)定的地形坡度臨界值，對上一階段的坡度專題圖層進行2次分級運算，并賦予各個坡度級別相應的地物屬性編碼，從而得到坡度分級的基礎圖層。坡度分級基礎圖層詳見圖5(a)，坡度分級表詳見表1。

圖4 等高線反演TIN、DEM示意圖

表1 坡度分級表

值得注意的是坡度重分類基礎圖圖面中，不同的坡度值分級處呈現鋸齒狀，級別與級別間的過渡極不柔和。同時，在一個級別的坡度面狀圖斑中，會出現很多破碎的馬賽克狀的小顆粒，它們像“椒鹽”一樣散布在圖斑中。這種情況，就是遙感影像分類技術中俗稱的“椒鹽噪聲”現象[3-4]。其存在的原因，可來源于大面積地形中某一處地形的坡度值突變所致，也可能因為分類算法在此處出現了誤分類情況。綜上所述，為了使坡度分級圖的圖面無椒鹽噪聲現象、邊界過渡平滑，需要設定相應的面積閾值參數，對基礎圖層進行相應的二次濾波優(yōu)化處理和圖斑融合處理，實現坡度分級專題圖的優(yōu)化。

采用Eliminate算法，對細碎圖斑進行融合。Eliminate算法的中心思想是，依據1個或多個指定的屬性聚合條件，將面與具有最大面積或最長公用邊界的鄰近面進行合并來消除面，通常用于移除疊加操作(如相交或聯合)所生成的小的狹長面。細碎圖斑的典型特征是面積小，不足以成為單獨被分為1個類別。依照此思路，本次研究選用了面積閾值參數作為臨界條件，篩選出面積值小于100 m2的所有細碎圖斑。隨后，以“選中類別周邊的最大面積圖斑”為算法準則，將被選中的類別融合到與其接壤的臨近最大面積圖斑里，并賦以相應屬性，從而達到消除細碎圖斑的目的。隨后采用Focal Statistics算法進行輸出柵格數據的3×3鄰域運算，對柵格中鋸齒狀的分類邊緣進行平滑，效果極佳。最終，得到畫面清晰、邊界過渡平滑的GIS坡度分級專題圖層，詳見圖5(b)。

為了使坡度的起伏情況更加直觀，可運用DEM數據計算出山體地形起伏層，與坡度分級圖進行合成，最終形成景觀化坡度分級地形渲染圖，詳見圖6。設計人員在此底圖基礎上疊加相應的衛(wèi)片信息，即可以在GIS空間分析平臺上開展可視化的線路優(yōu)化設計工作[5-6]，結合線路的實景衛(wèi)片，分析擬定塔位點的坡度取值，觀看線路設計的整體坡度范圍，從而使線路設計的可靠性與合理性獲得提高。

2.5 設計成果坡度范圍質量分析

本次“東谷河一級水電站至丹巴500 kV變電站220 kV線路工程”，設計全周期依托于ArcGIS空間分析平臺。通過GIS空間分析運算，生成了工程全境范圍內的坡度專題層、坡度分級基礎層、坡度分級優(yōu)化專題層及景觀化坡度分級地形渲染圖層成果4套。疊合2.5 m分辨率的衛(wèi)星遙感影像和地質、規(guī)劃、礦區(qū)等設計重點專題信息數據，設計人員在ArcGIS空間分析平臺上，對初期路徑概率大方案開展了詳細的可視化后期優(yōu)化設計工作。

以線路轉角塔J12-J14 1段為示例，進行坡度分級法在優(yōu)化線路設計中的案例說明。如圖7中白色三角注記所示，在初期概率方案中，J12、J13、J14 3級轉角塔的坡度值分別為45.01°、35.54°、41.65°，隸屬于棕紅色的6級坡度范圍內，已列入土堆積面臨界休止角范圍。初期方案的設計原理，是為了最大程度降低線路的曲折系數，減少線路總體長度、節(jié)約經濟成本。但此3級塔的平均坡度值高達40.73°，屬于極易發(fā)生坡面錯落、滑坡的地理位置，安全隱患較大，因此在后期的線路優(yōu)化工作中，需要做立塔位置的細部調整。

圖5 GIS坡度分級專題圖優(yōu)化

圖6 景觀化坡度分級地形渲染圖

在優(yōu)化設計階段，設計人員結合GIS空間分析平臺進行可視化設計，對該段線路進行了局部微調。經過優(yōu)化設計，J12、J13、J14 3級轉角塔坡度值調整為17.98°、30.63°、30.96°，平均坡度值為20.32°，隸屬于淺黃色的4級坡度安全范圍內。雖然一定程度上犧牲了局部的線路曲折系數，擴大了線路的整體長度；但就工程的安全隱患而言，該段線路方案的整體可靠性得到了有效地保障，立塔位置的地質條件更為穩(wěn)定，對終勘階段現場勘測人工投入、后期工程的建設難度，都能實現經濟、人力、工期上的成本節(jié)約。

綜上所述，利用GIS坡度分級技術，此次線路工程優(yōu)化設計范圍內大方案修改共有17處，局部塔位微調5處?？傮w而言，本次工程的立塔坡度范圍情況如下：最大坡度值為33.32°,最小坡度為4.28°；全線線路平均立塔坡度系數為18.75°，隸屬于坡度分級中第4級別，為中低級安全坡度范圍；曲折系數方面，4個線路標段的曲折系數分別為1.14、1.12、1.15、1.11，平均曲折系數1.13；交叉跨越方面，由于采用可視化設計，本工程交叉跨越較少，成功避讓35 kV電力線4次，東谷河3次、S303省道3次。本次線路工程的設計大方案走向平直、坡度適中、跨越及占地量均為低級別，判定設計方案較為經濟，可以作為后期建設使用。

圖7 GIS坡度分級法線路優(yōu)化設計示意圖

3 結 論

本次“東谷河一級水電站至丹巴500 kV變電站220 kV線路工程”，依托GIS空間分析中的坡度分級運算，獲取了工程范圍內的GIS坡度分級專題圖層。結合高分辨率衛(wèi)星影像和設計相關的各專題要素，最終達到了有效控制線路設計成果的坡度范圍、合理規(guī)劃立塔位置的設計目標，使桿塔定位在坡度合理、地質條件穩(wěn)定的地理位置上，取得了較好成效。

本次新型勘測技術在“川藏聯網”藏區(qū)電力工程中的研究與使用，體現了設計人員對國網四川省電力公司 “兩型三新”設計原則的深入貫徹，將線路設計勘測手段由傳統(tǒng)型工程測量模式向數字化、精細化、集成化的新型勘測設計作業(yè)體制進行轉變，取得了較好的成效，值得在后續(xù)的藏區(qū)電力線路勘測設計工程中加以延續(xù)應用。

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Aiming at the large elevation difference terrain of Tibetan area in Northern Sichuan, the slope algorithm of GIS spatial analysis is introduced in transmission line design. With the function of slope algorithm, slope layers can be calculated based on DEM data. According to the technical guidelines of land slope classification, the study reclassifies the slope layers and finally gets the thematic layer of slope reclassification. Using the thematic layer of slope reclassification with high resolution satellite images, the transmission line design can be done visually in GIS environment and the statistical data of the slope for transmission line project can be controlled effectively. The study shows that there is an obvious safety improvement according to the statistical data. Above all, the slope classification algorithm of GIS spatial analysis will reduce the difficulty of transmission line design in large elevation difference terrain and provide a reliable guarantee for the security of the project.

GIS；slope anlysis；large elevation difference crossing；transmission line design

P231.5

A

1003-6954(2015)03-0062-06

2015-01-20)