基于GIS 的復(fù)雜地理?xiàng)l件下輸電線路路徑選擇

黃冬梅 王桂芳 胡安鐸 孫錦中 鄭小羅

（ 1、上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海200120 2、上海海洋大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，上海200120）

1 概述

輸電線路的路徑選擇需要綜合考慮地形地貌、氣象條件、地方規(guī)劃等多因素的耦合作用，最終選定一條運(yùn)行可靠安全、環(huán)境友好和經(jīng)濟(jì)、技術(shù)合理的路徑[1]。

現(xiàn)有輸電線路路徑選擇方案在評價體系中主要側(cè)重于對工程地質(zhì)條件分析，鮮有考慮覆冰因素影響。本文綜合考慮地形、坡度、用地類型、覆冰四類多種復(fù)雜地理因素影響，針對傳統(tǒng)層次分析法容易導(dǎo)致決策結(jié)果過于主觀的問題，引入三標(biāo)度法來建立層次分析模型，考慮各地理影響因素之間的耦合作用，基于ArcGIS 的數(shù)據(jù)分析功能，劃分線路建設(shè)成本分區(qū)，利用ArcGIS 進(jìn)行距離分析，生成成本路徑圖，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地理環(huán)境下輸電線路路徑選擇。基于GIS 的路徑選擇模型，可以有效提高選線工程的經(jīng)濟(jì)性和科學(xué)性。

2 三標(biāo)度層次分析法原理

層次分析法（AHP）是20 世紀(jì)70 年代運(yùn)籌學(xué)領(lǐng)域提出的一種系統(tǒng)分析方法。其基本思想是將復(fù)雜的問題分解多個層次，每個層次包含多個指標(biāo)，然后進(jìn)行定性和定量分析及決策。本文采用層次分析法模型將輸電線路路徑選擇問題模型化、層次化、數(shù)量化，實(shí)現(xiàn)非定量問題的定向分析。

圖1 輸電線路建設(shè)成本層次分析模型

表1 電線路建設(shè)綜合成本影響因素總權(quán)重

圖2 各因素分級賦值

傳統(tǒng)的1-9 標(biāo)度層次分析法[2]，由于決策者在做出決策時受人為判斷的主觀性和片面性影響，難以給出兩個因素準(zhǔn)確的重要性之比，出現(xiàn)不合理結(jié)果的可能性較大，本文提出采用（0，1，2）三標(biāo)度法構(gòu)造比較矩陣[3]，具體步驟為用直觀的三標(biāo)度法構(gòu)造比較矩陣，將比較矩陣轉(zhuǎn)換為間接判斷矩陣，求解判斷矩陣最大特征值對應(yīng)的特征向量，即可得到各影響因素對應(yīng)的權(quán)重。

3 輸電線路成本層次模型

3.1 建立輸電線路成本層次模型

本文選取西南某典型山區(qū)作為實(shí)例，通過對該地區(qū)地質(zhì)條件的調(diào)查及輸電線路建設(shè)規(guī)范, 建立如圖1 所示的建設(shè)成本層次分析模型，本模型將輸電線路路徑選擇中所考慮的因素分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層和影響因素四個層次。

本文的輸電線路層次分析模型與傳統(tǒng)輸電線路層次分析模型如文獻(xiàn)[4]的層次模型相比，進(jìn)一步考慮準(zhǔn)則層與指標(biāo)層各因素間的相互關(guān)系，綜合考慮準(zhǔn)則層對指標(biāo)層各因子的權(quán)重影響，在傳統(tǒng)模型基礎(chǔ)上細(xì)分指標(biāo)層影響因子，建立四層輸電線路成本層次模型。

3.2 模型實(shí)現(xiàn)過程

按照第1 節(jié)所述原理，根據(jù)圖1 中的輸電線路建設(shè)成本層次模型建立各層間比較矩陣，比較矩陣是根據(jù)輸電線路工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及國內(nèi)外學(xué)者發(fā)表成果總結(jié)而成，進(jìn)一步計(jì)算間接判斷矩陣及相對權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，其結(jié)果如表1 所示。

4 GIS 自動選線實(shí)例分析

4.1 選線因素賦值

根據(jù)前述各影響因素總權(quán)重對各個地圖的像元賦值，因GIS 像元值為整數(shù)，因此對權(quán)重結(jié)果乘以1000 對各像元賦值，表示該像元對建設(shè)成本影響的高低，即像元值越大代表在該像元內(nèi)布線的成本越大。各因素賦值結(jié)果如圖2 所示。

圖3 多種專題地圖中輸電線路路徑圖

4.2 空間選線

Dijkstra 算法是目前解決最短路徑問題最經(jīng)典的算法，也是公認(rèn)的最有效和最好的方法，本文以輸電線路建設(shè)綜合成本最低為判斷標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)前述綜合成本分區(qū)結(jié)果，采用Dijkstra 算法尋求綜合成本最低路徑。

為了顯示路徑選擇的效果，本文分別以A1B1為起點(diǎn)終點(diǎn)和以A2B2為點(diǎn)終點(diǎn)選擇了兩條綜合成本最低路徑，并在多種專題地圖中展示，如圖3 所示。其中圖3(a)中黑色實(shí)線表示所選綜合成本最低輸電線路路徑，紅色實(shí)線代表未考慮覆冰因素的輸電線路層次模型選線結(jié)果，其選線結(jié)果表明，若未考慮覆冰因素影響，其選線結(jié)果很有可能穿過覆冰區(qū)，對輸電線路運(yùn)行帶來巨大潛在危害，本文模型考慮加入覆冰因素影響，所選線路遠(yuǎn)離了覆冰區(qū)域，可以提高線路運(yùn)行安全系數(shù); 由圖3(b)中A1B1、A2B2為用地類型專題地圖中所選綜合建設(shè)成本最低路徑結(jié)果圖，由所選線路結(jié)果可以看出，兩條線路均與自然保護(hù)區(qū)域保持一定的距離，保護(hù)了生態(tài)系統(tǒng)，且經(jīng)過平原、草地等輸電線路建設(shè)成本較低的地區(qū)，遠(yuǎn)離施工難及對生態(tài)平衡有重要影響的地塊；由圖3(c)A1B2、A2B2為坡度等級專題地圖中所選綜合建設(shè)成本最低路徑結(jié)果圖，兩條選線可以看出所選線路經(jīng)過地區(qū)地勢較為平坦，遠(yuǎn)離了陡坡、峭壁、高原等地區(qū)，可以降低施工難度，提高工程的安全系數(shù)。綜合以上分析及未考慮覆冰因素模型選線結(jié)果對比可知，根據(jù)本文的層次分析模型在GIS 中所選輸電線路經(jīng)過區(qū)域綜合成本較低，且避開地理環(huán)境復(fù)雜區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜地理?xiàng)l件下輸電線路選擇的經(jīng)濟(jì)性和科學(xué)性。

5 結(jié)論

針對輸電線路路徑選擇需要考慮的地理要素較多，難以兼顧經(jīng)濟(jì)性和科學(xué)性的問題本文綜合考慮分析輸電線路所選區(qū)域內(nèi)的地形、坡度、用地類型和覆冰4 個地理因素影響，并細(xì)分地形、坡度和用地類型影響因素，充分考慮復(fù)雜地理環(huán)境影響，構(gòu)建輸電線路建設(shè)成本四層層次分析法模型，并采用三標(biāo)度代替九標(biāo)度構(gòu)建對比矩陣，來降低人為判斷的主觀性和片面性影響。本文利用GIS 強(qiáng)大的空間分析能力，采用Dijkstra 算法綜合考慮空間距離及綜合成本影響，選出以建設(shè)綜合成本最低為目標(biāo)的最優(yōu)路徑。通過輸電線路路徑圖可以看出基于本文前期成本分析，最終的路徑成功避開自然保護(hù)區(qū)、覆冰區(qū)、高原峭壁等復(fù)雜地理環(huán)境下不適宜線路通過的區(qū)域，說明本文的輸電線路成本建設(shè)層次分析法模型具有可行性。