基于GIS电力智能选线系统的设计与实现

李 欣，刘 震，李建松，卢宾宾

（1.武汉大学 遥感信息工程学院，湖北 武汉430079）

基于GIS电力智能选线系统的设计与实现

李 欣1，刘 震1，李建松1，卢宾宾1

（1.武汉大学 遥感信息工程学院，湖北 武汉430079）

电力选线是输电线路设计首先需要解决的问题。结合电力选线的研究现状，探讨了系统实现的关键技术，设计和开发了基于ArcGIS Engine的电力智能选线系统，提高了电力选线的自动化水平。最后使用该系统在实验区域内选出一条输电线路，并对线路进行统计分析。分析结果表明，选出的线路能为电力设计人员提供决策支持，大幅提高工作效率。

GIS；分层模型；A*算法；电力选线；选线系统

1 系统实现关键技术

1.1 数据模型设计

目前在电力选线中常采用栅格数据模型，具体方法是将要进行选线的区域按一定规则进行划分，形成大小相同的单元格，每个单元格的值经过它的成本值，构成了成本表面模型。在成本表面上，应用最短路径算法，生成输电线路。文献[5]设计了分层网格数据模型，不同的层次存放不同大小的格网单元，此模型兼顾了选线时间和线路的准确性问题。三层网格数据模型如图1所示。本文在线路选择时先从单元格最大的第一层格网选出粗略通道，然后在包含该通道范围的单元格较小的下一层格网选出较细的通道，直到从单元格最小的格网层选出最终路径。

1.2 格网数据结构

参与选线计算的格网分为通道格网和路径格网。通道格网用于生成通道，路径格网则用于生成路径。本文主要考虑坡度、交通便利度、与交通线交叉、居民地、一般规划区等影响因素[7]。2种格网的属性表的大部分字段均相同。由于通道分析时不考虑与交通线交叉，因此通道格网不包含与交通线交叉字段，路径格网不包含累积成本字段。通道格网属性表的主要字段如表1所示。

图1 三层网格数据模型

表1 通道格网属性表主要字段

1.3 影响因素成本值

影响电力选线的因素大部分是定性描述，不利于计算机进行综合分析，将这些因素量化为计算机能识别的形式是进行选线的前提。本文将影响因素的成本值量化在1～9之间。坡度越大，施工难度越大，成本也越高。坡度取1～9的值，分为0°～5°（值为1）、5°～15°（值为4）、15°～30°（值为7）、大于30°（值为9），默认值为1。交通便利度表示电力线施工和维护的便利程度，电力线离道路越近，越便于施工和维护，成本也越低。交通便利度取1～9的值，分为：距离道路＜1 km（值为1）、距离道路1～3 km（值为3）、距离道路＞3 km（值为9），默认值为9。输电线与等级越高的交通线交叉，跨越成本就越高。与交通线交叉取1～9的值，分为铁路、高速公路（值为9）、国道（值为7）、省道（值为6）、县道（值为3）、其他（值为1），默认值为1。居民地属于应尽量避免通过的区域，可赋予相应网格很高的成本值来避开居民地。居民地取1、9值，1表示不是居民地，9表示是居民地，默认值为1。一般规划区属于不宜通过的区域，可赋予相应网格较高的成本值来规避此类区域。一般规划区取1、7值，1表示不是规划区，7表示是规划区，默认值为1。

1.4 选线算法

电力选线问题是求解给定起止点的最短路径问题。在路径规划中，常用的最短路径算法有Dijkstra算法、Floyd-Warshall算法和A*算法等。Dijkstra在求解单源点最短路径问题时效率较高；Floyd-Warshall算法适合于求解任意2点间的最短路径问题。这2种算法求解给定2点间最短路径问题的效率较低，而采用启发式搜索的A*算法克服了Dijkstra算法毫无方向地向四周搜索的缺陷，能保证路径的搜索始终朝着终点方向进行，提高了运行效率。本文采用A*算法进行路径规划。

2 系统设计

系统基于组件式ArcGIS Engine开发，采用模块化结构设计，各子模块按相应的功能进行设计，具有相对的独立性，方便对系统进行维护与升级。系统包括项目管理模块、成本表面生成模块、成本信息计算模块和自动选线模块。系统功能模块如图2所示。

2.1 项目管理模块

项目管理模块包括新建项目、影响因素参数设置等功能。项目涉及到地图文档（．mxd 文件）、文件地理数据库（．gdb文件）、影响因素文件（．xml文件）和起止点文件（．xml文件）。数据库存储选线区域的遥感影像、DEM和影响因素数据。由于一些影响因素要分成多个类别，适合采用分层的数据文件进行存储，因此影响因素存储在XML文件中。影响因素参数设置功能可设置各影响因素的权重和成本值。

图2 电力智能选线系统功能模块图

2.2 成本表面生成模块

格网生成功能可根据格网的实际范围和单元格的大小创建格网，即成本表面。以选线区域作为格网的实际范围，采用较大的单元格，创建用于生成通道的格网，即通道格网。通道生成后，以通道多边形的边界作为格网的实际范围，采用较小的单元格，创建通道覆盖范围下用于生成路径的格网，即路径格网。

2.3 成本信息计算模块

成本信息计算是计算成本表面上各格网单元的各影响因素的成本值，并存储在相应影响因素字段中。该模块有坡度信息计算、交通便利度计算、面型信息计算和线型信息计算等功能。坡度信息计算利用选线区域的DEM生成坡度图，利用叠加分析和统计分析，提取每个格网单元的平均坡度值。交通便利度计算主要是对交通线路进行缓冲区分析。面型信息计算是将面状地物分配到各格网单元。线型信息计算是将线状地物分配到各格网单元。成本信息计算基本流程如图3所示。2.4 自动选线模块

图3 成本信息计算基本流程图

自动选线模块包括通道分析、路径分析和线路统计功能。通道分析功能使用通道格网，调用最短路径算法，选出成本值较低的一部分单元格作为通道的范围，并将通道文件存储到数据库。路径分析功能使用路径格网，调用A*算法，从格网中规划出一条最终路径，并将路径文件保存到数据库。线路统计功能是在选线结束后，统计线路的长度、曲折系数、转角个数、转角度数分布、通过地物的长度以及输电线坡度分布，验证系统选出的线路是否符合要求。

3 系统应用

3.1 选线实验

本文采用的实验区长约65 km，宽约22 km。实验区包含山地、居民地、规划区、铁路、高速公路、省道、县道，地物复杂，地形起伏大，因此考虑坡度、交通便利度、与交通线交叉、居民地、一般规划区等影响因素。首先在软件中输入选线的起点和终点坐标，并在参数设置中设置各影响因素的权重；然后在格网生成功能中以整个选线区域为格网范围，采用大小为250 m×250 m的单元格创建通道格网；利用成本信息计算模块计算各格网单元的坡度、交通便利度、居民地、一般规划区等字段成本值；利用通道分析功能，根据各影响因素的权重，计算各格网单元的累积成本值，并生成通道；再在格网生成中以通道多边形边界为格网实际范围，采用大小为125 m×125 m的单元格创建路径格网，并计算格网单元字段的成本值；利用路径分析功能，调用A*算法，选出一条输电线路。实验在一台i5 2．53 GHz 双核CPU、6 G 内存的计算机上进行，从单元格数量为20 641的路径格网中规划出最终线路耗时64 s。选线结果表明，输电线路没有穿过居民地和规划区，且线路大部分在交通线附近，如图4所示。

3.2 线路统计

图4 选线结果图

选线结束后，对线路进行了统计，线路长度为72．423 km，曲折系数为1．11，满足设计需求。转角个数为156，偏多，有待对路线进行进一步优化。转角度数分布情况如表2所示。

表2 转角度数分布表

线路通过居民地的长度为8．5 m，通过规划区的长度为0 m，说明输电线路基本上避开了居民地和规划区。输电线路坡度分布情况如表3所示。

表3 输电线路坡度分布表

以上分析表明，系统选出的线路能满足电力线路设计基本要求，能为电力设计人员选线提供参考。

4 结 语

为解决输电线路的路径规划问题，设计并实现了基于GIS的电力智能选线系统。实验结果表明，给定路径的起止点和相关约束条件，利用该系统可以快速选出一条合理的输电线路，为电力设计人员提供决策支持。该系统不仅提高了选线的效率和质量，而且大幅降低了选线成本，具有广阔的应用前景。

[1] 刘宜灼．SkyLine 支持下的电力选线三维系统的设计与实现[J]．地理空间信息,2010,8(5):24-26

[2] 高首都,李珂．遥感三维可视化技术在输电线路选线中的应用[J]．地理空间信息,2010,8(5):19-20

[3] 杨泰平,唐川,段永坤,等．RS 和 GIS 在高压输电线选线中的应用[J]．地理空间信息,2010,8(2):115-117

[4] 袁敬中,于泓,蒋荣安,等．面向电力选线的多级网格空间数据模型研究[J]．电力勘测设计,2011(6): 64-68

[5] 康健民,袁敬中,肖少辉,等．基于分层模型的输电线路选线算法设计[J]．电力建设,2012,33(4): 6-10

[6] 付仲良,秦菡,刘震． GIS技术支持下的电力智能选线[J]．测绘地理信息，2015,13(3):80-82

[7] 刘春霞,王家海．基于空间分析的送电线路选线方法[J]．测绘工程,2008,17(3):28-30

P208

B

1672-4623（2016）02-0066-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.02.023传统的选线工作是由电力设计人员根据一定的原则和经验，选出最佳线路。这种选线方法不仅成本高，而且难以保证电力线路的合理性。为了降低电力选线的成本和难度，电力设计人员和相关学者做了大量研究[1-3]，但没有涉及到选线算法的实现，线路选择仍需要设计人员在三维场景中完成。之后，部分专家虽然进行了算法方面的研究，但没有将算法集成到系统中[4,5]。付仲良等设计了基于GIS的电力智能选线原型系统，实现了电力线路的智能选择[6]，但未对选线算法进行探讨，而且对影响因素的量化也缺乏考虑。基于以上问题，本文设计和实现了基于GIS的电力智能选线系统。

李欣，硕士，主要研究方向为遥感解译和GIS应用。

2015-06-19。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41401455）。