一种基于gis的三维输电线路路径选择方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于GIS的三维输电线路路径选择方法，所述方法包括(1)建立与每个栅格单元对应的矢量网格单元；(2)提取影响栅格单元的因素；(3)将影响栅格单元的因素并入矢量网格模型中；(4)通过矢量网格选择最优路径。本发明方法进行的优化选线工程实践中，为设计人员提供的线路走廊三维场景直观、清晰。同时，为设计人员提供的辅助工具精细，使得内业作业效率大幅提高，有利于提高设计质量，保证工程技术指标的落实。在设计阶段使用的选线平台中的线路走廊基础地理数据，可以用于线路投运以后的运维管理，为建设线路运维管理三维平台奠定了良好的基础。
【专利说明】一种基于GIS的三维输电线路路径选择方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种输电线路路径选择方法，具体讲涉及一种基于GIS的三维输电线路路径选择方法。
【背景技术】
[0002]输电线路的选线是输电线路设计的主要内容之一，选线需要综合考虑地貌、地物、地形和地质等诸多因素。专家经验和人工主观判断的电力选线方法需要花费大量的人力和时间，选择的线路的好坏与选线人员的经验和主观判读能力有密切的关系，难以确保选线的合理性。因此，计算机自动选线的需求日益增加。
[0003]GIS作为空间数据的主要获取和管理手段，可以将影响选线的因素进行计算机量化和空间表达，并通过空间分析和最优路径算法实现电力的自动选线。要实现计算机自动选线，设计合理、针对电力选线特点的空间数据模型是需要考虑的关键问题。
[0004]当前，诸多学者利用栅格数据模型将选线区域划分为网格单元，Monteiro利用栅格数据模型对各种影响因素进行计算，将各种影响因素转化为通过网格时的花费代价，然后利用动态规划算法进行电力线路通道选择。Ahmadi和Schmidt等在栅格模型的基础上利用ArcGIS的工具和空间分析功能设计电力线路；Beazerl和Beazer等针对栅格数据模型设计了软件工具用于计算选线影响因素代价。这些研究都在一定程度上提高了选线的智能性，然而，这些方法使用栅格数据模型主要是基于栅格数据格式，模型中使用的网格大小相同，模型的设计没有考虑具体空间区域的地形、地物的复杂情况，并且选线的各个影响因素对选线影响方式的不同，使得选择的线路难以达到较高的精确性。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明涉及一种基于GIS的三维输电线路路径选择方法，面向电力选线的数据模型的设计是实现电力自动选线的关键问题。在分析当前研究较多的栅格数据模型的基础上，综合利用栅格和矢量空间数据模型的优势，提出了一种面向电力选线的多级网格空间数据模型，该模型可以根据选线区域地形和各种影响因素复杂程度的不同，自适应的选择不同等级的网格参与影响因素代价值的统计，并参与最优路径计算。并通过A*算法进行实际线路设计，结果表明该数据模型能够提高选线策略的合理性。
[0006]本发明的目的是采用下述技术方案实现的:
[0007]一种基于GIS的三维输电线路路径选择方法，其改进之处在于，所述方法包括
[0008](I)建立与每个栅格单元对应的矢量网格单元；
[0009](2)提取影响栅格单元的因素；
[0010](3)将影响栅格单元的因素并入矢量网格模型中；
[0011](4)通过矢量网格选择最优路径。
[0012]优选的，所述步骤(I)包括在栅格单元模型相对应的空间现象特征的位置和取值的基础上,建立与每个栅格单元对应的矢量网格单元。
[0013]优选的，所述步骤(I)包括确定选线区域范围，定义和获取各个影响因素的数据，根据所述选线区域范围生成不同层次的矢量网格，并对矢量网格编码和提取中心坐标。
[0014]进一步地，所述矢量网格单元中包括多级网格数据模型，按粗细网格划分，其包括4kmX 4km、2kmX 2km、500mX 500m、250mX 250m 和 125mX 125m。
[0015]优选的，所述步骤(2)包括采用栅格数据与DEM数据计算坡度和等高线，提取每个栅格单元内的平均高程值和平均坡度值，和对栅格数据格式的影响因素进行叠加分析，统计分析得出影响因素的影响值。
[0016]优选的，所述步骤(3)包括利用栅格单元所对应的矢量网格与影响因素进行叠加和空间分析，提取各个影响因素在矢量网格中通过时的影响值。
[0017]优选的，所述步骤(4)包括在较粗层次上选择较粗的选线范围，并建立缓冲区，形成一个选线粗级通道；在粗级通道内选择较细的通道，在较细的通道上选择更细的通道，直到在最细的网格层次上选出线路为止；
[0018]其中，最粗层分辨率为大于等于1:10000比例尺，细层为1:1000比例尺与1:10000之间，最细层为小于等于1:1000比例尺。
[0019]进一步地，所述选出的线路为每个网格单元中的每个属性相应的属性等级。
[0020]与现有技术比，本发明的有益效果为:
[0021]输电线路的选线受到多种因素的影响，数据模型的设计和选择是实现高效和合理选线的关键问题，当前的研究和利用较多的是栅格数据模型。本文针对栅格数据模型存在的问题，提出了一种多级网格数据模型，该模型可以根据空间区域的地形、地物的复杂层度选择不同层次的网格参与电力选线的运算。实验结果表明，该模型具有较好的适应复杂地形和地物的能力。
[0022]使用本发明方法进行的优化选线工程实践中，为设计人员提供的线路走廊三维场景直观、清晰。同时，为设计人员提供的辅助工具精细，使得内业作业效率大幅提高，有利于提高设计质量，保证工程技术指标的落实。在设计阶段使用的选线平台中的线路走廊基础地理数据，可以用于线路投运以后的运维管理，为建设线路运维管理三维平台奠定了良好的基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明提供的一种基于GIS的三维输电线路路径选择方法流程图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0025]栅格数据为用一个规则格网来描述与每一个格网单元位置相对应的空间现象特征的位置和取值。在概念上，空间现象的变化由格网单元值的变化来反映。地理信息系统中许多数据都用栅格格式来表示。栅格数据在许多方面是矢量数据的补充，将两种数据相结合是GIS项目的一个普遍特征。
[0026]栅格数据模型要素:
[0027]栅格数据模型在GIS中也被称为格网(Grid)、栅格地图、表面覆盖(SurfaceCover)或影像。格网由行、列、格网单元组成。行、列由格网左上角起始。在二维坐标系统中，行作为I坐标、列作为X坐标。在这点上与纬度作为I坐标、经度作为X坐标有点类似。
[0028]栅格数据用单个格网单元代表点、用一系列相邻格网单元代表线、邻接格网的集合代表面。格网中的每一个格网单元有一个值，整型或浮点型。整型格网单元值通常代表类别数据。比如，土地类型常用I代表城市用地、2代表林地等。浮点型格网单元值常表示连续数据，比如，降水量模型可能有20、15、12、23等降水量值。浮点型格网比整型格网需要更多的计算机存储资源，这是涉及大范围的GIS项目必须考虑的一个重要因素。而且，浮点型网格的数据查询与显示应该基于12.0?19.0这样的值域，而非单个值。
[0029]由于栅格数据模型的分辨率受其格网单元大小的影响，因此在表示空间要素的精确位置上存在缺点。在算法上，格网可视为行与列的矩阵，其单元值为二维数组，对数据进行操作、集合和分析较矢量数据容易。
[0030]栅格数据类型:
[0031]1.卫星影像:遥感卫星影像是用栅格格式记录的。卫星影像像元值代表从地球表面反射或
[0032]发射的光能。通过分析像元值，影像处理系统可从卫星影像中提取各种专题，如土地利用、水文、水质、侵蚀土壤面积等。
[0033]2.数字高程模型:数字高程模型(DEM)由等间隔海拔数据的排列组成。DEM以点为基础，但也容易通过将海拔高度点置于格网单元中心的方法转换成栅格数据。
[0034]3.数字正射影像图(DOQ):是一种由航片或其他遥感数据制备而得到的数字化影像，其中由照相机镜头倾斜和地形起伏引起的位移已被消除。数字正射影像是地理坐标参考的，并可与地形图和其他地图配准。
[0035]4.二进制扫描文件:是含数值I或数值O的扫描图像。
[0036]5.数字栅格图形:是USGS (美国地质调查局)地形图的扫描图像。
[0037]6.图形文件:如 Jpg、TIFF、GIF 等；
[0038]7.特定地理信息系统软件的栅格数据。
[0039]利用较多的栅格数据模型，可以利用网格单元行列号计算出网格的位置信息和邻近网格的信息，栅格数据的网格关系示意图，每个网格都与八个方向上的邻近网格相连通，在最优路径设计时，可以计算通过不同邻近网格需要消耗的代价，然后选择总体代价较小的网格通行。在进行每个网格的影响因素值计算时，首先将影响因素的数据进行栅格化处理；化为栅格格式的数据；然后与网格进行叠加分析，计算出每个网格的单个影响因素的值；最后，根据各个影响因素的权重计算出网格内的综合通过代价。单一的栅格数据模型影响因素值统计时，需要将影响因素图层转换成栅格数据，这样会在增加计算复杂性的同时，降低数据的精度。
[0040]本文提出一种基于GIS的三维输电线路路径选择方法，具体流程如下:
[0041](I)每个栅格单元建立对应的矢量网格单元；
[0042]在栅格单元模型每一个格网单元位置相对应的空间现象特征的位置和取值的基础上，为每个栅格单元同时建立对应的矢量网格单元。确定选线区域范围，定义和获取各个影响因素的数据，并根据范围生成不同层次的网格，并对网格进行编码和中心坐标提取。
[0043](2)提取影响因素；
[0044]在影响因素值提取时，采用栅格数据与DEM数据计算坡度和等高线，提取每个栅格单元内的平均高程值和平均坡度值，和各种栅格数据格式的影响因素进行叠加分析，统计分析后得出这个影响因素的影响值。
[0045](3)将栅格单元统计值并入到矢量网格模型中；
[0046]将栅格单元统计的各种值并入到矢量格式所表达的网格模型中。
[0047]根据不同类型的影响因子生成不同种类的矢量图层，不需要将各种矢量数据格式的数据转换为栅格数据，例如城镇、村庄、河流、道路、风景区、矿区和土地利用等多种数据；而是利用栅格单元所对应的矢量栅格数据与这些影响因素进行叠加和各种空间分析，提取各个影响因素在矢量网格中通过时的影响值。
[0048]各类影响因子数据包括禁止区域通过数据融合和各种空间分析，提取出各种影响因子在网格内的影响等级。
[0049](4)利用矢量网格进行最优路径选择。
[0050]通过矢量网格进行最优路径选择为每个网格单元中的每个属性设置相应的属性等级。
[0051]其中，本发明对区域进行多种网格等级的划分，可以创建4kmX4km、2kmX2km、500mX500m、250mX250m和125mX125m等。网格单元的大小对选线的结果具有重大影响，较大的网格单元计算速度快，可以选出粗略的线路通道，但是单个网格难以准确表达网格内所有区域的信息，使得部分复杂区域的数据代表了整个网格单元的影响代价值，使得计算难以精确，并且由于单个网格覆盖区域内部分禁止通过区域会影响到整个网格的通行，使得最终选择的通道会绕过该网格区域，进而增加了选线的不合理性；较小的网格单元，计算需要花费的时间较长，线路较为具体，但是较细的网格难以表达较大范围的影响因素，使得难以统计部分影响因素的值。因此，本文设计了多级网格数据模型，根据网格覆盖区域的影响因素的复杂层度自动选择不同等级的网格进行影响因素代价值统计。
[0052]在较粗层次的网格中，根据每个网格内的影响因素的复杂层度，可以选择较细层次的分割方法，在线路选择时，首先在较粗层次上选择较粗的选线范围，并建立缓冲区，形成一个选线粗级通道；然后，在粗级通道内选择较细的通道，再在较细的通道上选择更细的通道，以此类推逐级选择，直到在最细的网格层次上选出线路为止，首先在第I层的网格划分方法中选择通道，然后在第2层和第3层进行，直到最底层为止。最后，为每个网格单元中的每个属性设置相应的属性等级。
[0053]一般情况下，最粗层分辨率为大于等于1:10000比例尺，细层为1:1000比例尺与1:10000之间，最细层为小于等于1:1000比例尺。
[0054]针对某些影响因素的数据，在较粗的网格中对网格的代价影响较大，而该网格下层网格中形成的多个子网格的影响值差别过大，则利用该网格的下层网格数据取代该网格，来计算各个子网的通过代价值。
[0055]GIS中智能选线需要网格数据和影响选线的因子信息的图形化。将确定好的选线区域范围内数据定量化后，寻找区域内的某条曲线，使其经过的通过代价值最小，这条曲线即为所需要的线路。寻找过程可用贪婪算法进行迭代拟合，数据处理和转换的目标是把各种定性及定量的影响因子定量化和图形化。
[0056]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于GIS的三维输电线路路径选择方法，其特征在于，所述方法包括 (1)建立与每个栅格单元对应的矢量网格单元； (2)提取影响栅格单元的因素； (3)将影响栅格单元的因素并入矢量网格模型中； (4)通过矢量网格选择最优路径。
2.如权利要求1所述的一种基于GIS的三维输电线路路径选择方法，其特征在于，所述步骤(I)包括在栅格单元模型相对应的空间现象特征的位置和取值的基础上，建立与每个栅格单元对应的矢量网格单元。
3.如权利要求1所述的一种基于GIS的三维输电线路路径选择方法，其特征在于，所述步骤(I)包括确定选线区域范围，定义和获取各个影响因素的数据，根据所述选线区域范围生成不同层次的矢量网格，并对矢量网格编码和提取中心坐标。
4.如权利要求3所述的一种基于GIS的三维输电线路路径选择方法，其特征在于，所述矢量网格单元中包括多级网格数据模型，按粗细网格划分，其包括4kmX4km、2kmX2km、500mX 500m、250mX 250m 和 125mX125m。
5.如权利要求1所述的一种基于GIS的三维输电线路路径选择方法，其特征在于，所述步骤(2)包括采用栅格数据与DEM数据计算坡度和等高线，提取每个栅格单元内的平均高程值和平均坡度值，和对栅格数据格式的影响因素进行叠加分析，统计分析得出影响因素的影响值。
6.如权利要求1所述的一种基于GIS的三维输电线路路径选择方法，其特征在于，所述步骤(3)包括利用栅格单元所对应的矢量网格与影响因素进行叠加和空间分析，提取各个影响因素在矢量网格中通过时的影响值。
7.如权利要求1所述的一种基于GIS的三维输电线路路径选择方法，其特征在于，所述步骤(4)包括在较粗层次上选择较粗的选线范围，并建立缓冲区，形成一个选线粗级通道；在粗级通道内选择较细的通道，在较细的通道上选择更细的通道，直到在最细的网格层次上选出线路为止； 其中，最粗层分辨率为大于等于1:10000比例尺，细层为1:1000比例尺与1:10000之间，最细层为小于等于1:1000比例尺。
8.如权利要求7所述的一种基于GIS的三维输电线路路径选择方法，其特征在于，所述选出的线路为每个网格单元中的每个属性相应的属性等级。
【文档编号】G06T17/00GK104200044SQ201410476483
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】马潇, 莫娟, 刘蕊, 黄彭, 房正刚, 金欢 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院