基于GIS空间地理信息系统的输电线路路径生成方法

摘要

基于GIS空间地理信息系统的输电线路路径生成方法，它包括以下步骤：1)载入GIS地图并输入输电线路的起点与终点；2)结合GIS信息采用层次分析法对网格地图中的地块赋以权重；3)利用Dijkstra算法求取输电线路的最优路径，并进行自动生成线路路径长度、转角数量及与已有线路交叉情况的统计数据；4)现场勘查验证并结合路径所经区域复杂地形的卫片进行优化线路路径。本发明通过将GIS地理信息系统进行网格化处理并结合Dijkstra算法来完成输电线路设计中路径的生成，具有路径自动生成、路径长度、转角个数统计、线路复杂地形判断等功能。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统输电线路设计技术领域，具体地说是一种基于GIS空间地理信息 系统的输电线路路径生成方法。

背景技术

目前，在输电线路设计中，路径优化是由设计人员首先在室内选线，并到现场进行踏 勘后，重新调整路径，形成最终路径。但是，现有的路径优化方案存在如下缺陷：

1.自动化程度较低。传统路径的室内设计是在纸质地图上完成的，由于大部分地图绘 制年代较为久远，其中很多已经发生改变的内容未能及时反映在地图上，因此室内选线有 时并不准确，甚至误差很大。

2.设计周期长。传统路径设计方法初期由于缺乏地理信息，在室内选线的基础上，必 须进行现场踏勘，收集沿线路路径的资料，以此为依据，对路径进行修改或选择。这样， 造成线路路径设计周期较长，难以满足电网建设需求。

3.未能统筹考虑线路路径的影响因素。影响线路路径的因素包含地形地貌、用地类型、 交叉跨越、施工条件等，各影响因素又包含多种要素。但是，传统的路径设计方法只考虑 主要因素，而没有统筹考虑这些影响因素，是不合理的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于GIS空间地理信息系统的输电线路路径生 成方法，其基于网格化GIS与Dijkstra算法进行自动生成输电线路路径，不仅精度高、 周期短，而且综合考虑各种线路路径的影响因素，能够满足电网建设需求。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：基于GIS空间地理信息系统的输电线路 路径生成方法，其特征是：根据确定的输电线路的起点与终点，并结合路径设计区域的GIS 地图进行自动生成输电线路路径，所述方法包括以下步骤：

1)载入GIS地图并输入输电线路的起点与终点；

2)结合GIS信息采用层次分析法对网格地图中的地块赋以权重；

3)利用Dijkstra算法求取输电线路的最优路径，并进行自动生成线路路径长度、转 角数量及与已有线路交叉情况的统计数据；

4)现场勘查验证并结合路径所经区域复杂地形的卫片进行优化线路路径。

进一步地，所述对网格地图中的地块赋以权重的过程为首先对影响线路路径的诸多因 素进行分类，并利用层次分析法计算各影响因素对路径的影响权重，然后对路径范围内的 GIS地图进行网格化处理，按规则进行单元格之间的相互连通，并把每个单元格内的空间 地理信息进行量化提取，与上述影响权重进行相乘，即可得到每个单元格所代表地块的权 重；最后计算单元格的综合权重，即附加考虑线路长度、转角个数对路径的影响，形成单 元格所代表地块的综合权重系数。

进一步地，所述影响线路路径的诸多因素包括地形地貌、交叉跨越、用地类型和运输 条件灯四大类影响因素，地形地貌影响因素包括平地、河网湖泊、泥沼、山区；交叉跨越 影响因素包括公路、铁路、电力线路、通信线路；用地类型影响因素包括居民区、工矿区、 林地和航空、军事、景区、重冰区等重要区域；影响因素运输条件可分为县级以上等级公 路的一类道路和乡村道路的二类道路。

进一步地，所述路径所经区域复杂地形的判断过程为利用判断条件来判断沿输电线路 路径的复杂地形，所述判断条件如下：

(1)以单元网格为基础，若单元格内无湖泊、河网的面积不超过50％，且单元格内无 河流、林地，则需要统计正方形网格的中心点和四个顶点的高程，取其最大值与最小 值，并计算最大值与最小值两个点之间的距离，根据下面公式进行计算：

$a=\frac{h_{\max }-h_{\min }}{s}$

如果a>0.5773，则判断为复杂地形，式中h_max、h_min为正方形网格的中心点和四个顶 点的最大值和最小值，s为最大值与最小值两个点之间的距离；

(2)以单元网格为基础，若此方格内湖泊、河网的面积比例超过50％，则判定为复杂 地形；

(3)以单元网格为基础，若此方格内同时有河流、林地、山地等地形，则判定该网格 为复杂地形。

进一步地，所述利用Dijkstra算法求取输电线路最优路径的过程包括以下步骤：

1)将路径的起点与终点分别标记为s和e；

2)将路径起点s设为T节点；

3)将T节点标记为“永久”，并更新连通节点的状态记录；

4)识别与s连通且综合权重最小的临时节点，将其设置为T节点，直至T节点为终 点e为止，否则继续更新连通节点的状态记录；

5)根据各节点连通关系与状态记录表中的信息，从终点e开始记录其前序节点，直 至记录到起点s；

6)根据上一步的记录结果，可形成起点s到终点e的初始路径。

本发明的有益效果是：本发明通过将GIS空间地理信息系统进行网格化处理并结合 Dijkstra算法来完成输电线路设计中路径的生成，具有路径自动生成、路径长度、转角个 数统计、线路复杂地形判断等功能。

本发明具有以下特点：

1)路径自动生成：本发明可实现输电线路路径基于GIS的自动设计，即在确定路径 起点与终点后，可自动完成路径生成，供设计人员参考；

2)支持人工验证优化：路径生成后，可判别沿路径的复杂地形，方便设计人员调取 该区段的卫片，同时支持设计人员录入现场踏勘资料，依此对路径进行人工验证优化；

3)支持沿线统计：路径生成后，可根据GIS空间地理信息，完成线路长度、转角个 数及与已有线路的交叉情况等的统计。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特 征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的流程图；

图2为本发明采用Dijkstra算法自动生成线路路径的方法流程图；

图3为本发明影响输电线路建设难度大小的环境因素递阶层次模型；

图4为本发明的路径区域选择示意图；

图5为本发明的网格标号示意图；

图6为本发明的网格连通示意图；

图7为本发明的边缘网格连通示意图；

图8为本发明的转角个数统计示意图；

图9为本发明的初始路径优化示意图；

图10为本发明的复杂地形判断示意图。

具体实施方式

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本 发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中 重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种 实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本 发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所示，本发明的一种基于GIS空间地理信息系统的输电线路路径生成方法，其 特征是：根据确定的输电线路的起点与终点，并结合路径设计区域的GIS地图进行自动生 成输电线路路径，所述方法包括以下步骤：

1)载入GIS地图并输入输电线路的起点与终点；

2)结合GIS信息采用层次分析法对网格地图中的地块赋以权重；

3)利用Dijkstra算法求取输电线路的最优路径，并进行自动生成线路路径长度、转 角数量及与已有线路交叉情况的统计数据；

4)现场勘查验证并结合路径所经区域复杂地形的卫片进行优化线路路径，即得到最 终的输电线路路径方案。

进一步地，所述对网格地图中的地块赋以权重的过程为首先对影响线路路径的诸多因 素进行分类，并利用层次分析法计算各影响因素对路径的影响权重，然后对路径范围内的 GIS地图进行网格化处理，按规则进行单元格之间的相互连通，并把每个单元格内的空间 地理信息进行量化提取，与上述影响权重进行相乘，即可得到每个单元格所代表地块的权 重；最后计算单元格的综合权重，即附加考虑线路长度、转角个数对路径的影响，形成单 元格所代表地块的综合权重系数。

如图2所示，所述利用Dijkstra算法求取输电线路最优路径的过程包括以下步骤：

1)将路径的起点与终点分别标记为s和e；

2)将路径起点s设为T节点；

3)将T节点标记为“永久”，并更新连通节点的状态记录；

4)识别与s连通且综合权重最小的临时节点，将其设置为T节点，直至T节点为终 点e为止，否则继续更新连通节点的状态记录；

5)根据各节点连通关系与状态记录表中的信息，从终点e开始记录其前序节点，直 至记录到起点s；

6)根据上一步的记录结果，可形成起点s到终点e的初始路径。

下面从各个方面对本发明输电线路路径生成方法进行详细阐述。

一、Dijkstra算法说明

Dijkstra算法是从一个顶点到其余各顶点的最短路径算法，解决的是有向图中最短路 径问题。其基本原理是：Dijkstra算法在解决最短路径时是按阶段进行的。在每个阶段， Dijkstra算法选择一个顶点v，它在所有未知顶点中具有最小的单元格权重d_v，单元格权 重值通过层次分析法进行计算得到，同时算法声明从源点s到该顶点v的最短路径是已知 的，现阶段的其余部分由源点s到其余顶点的权值d_w更新工作组成。

二、Dijkstra算法应用

根据Dijkstra算法的原理，首先应确定路径的起点和终点，并按前述方法建立网格 的连通方式；同时，将各网格计算的权重系数作为网格之间联络的权重。Dijkstra算法以 此系数作为搜寻最优路径的依据。

在路径设计中，不仅考虑线路权重，而且需要考虑路径的转角数目较少、长度较短， 以此降低线路造价。因此，需要计算合理的路径综合权重，来完成最优路径的选择。

Dijkstra算法中单元格之间的权重系数按下述公式计算。

f＝w+f₁l+f₂n

式中，f——单元路径综合权重；

w——单元格权重；

l——路径长度，m；

n——线路转角个数。

将f₁与f₂设置为可调参数，可由设计人员结合路径长度和转角个数进行调节。

三、Dijkstra算法在路径设计中的实现

(1)基础资料准备

(1.1)GIS地图

准备包含线路起始点与终点所在区域的GIS地图，应能够包含该区域内的所有地形地 貌、用地类型、交叉跨越、施工条件等信息。

(1.2)影响因素处理

影响输电线路路径的环境因素较多，为方便研究本方法将其划分为四大类：地形地貌、 交叉跨越、用地类型、运输条件。其中，地形地貌包括平地、河网湖泊、泥沼、山区；交 叉跨越包括公路、铁路、电力线路、通信线路；用地类型包括居民区、工矿区、林地、重 要区域(如航空、军事、景区、重冰区等)；运输条件可分为一类道路(县级以上等级公 路)和二类道路(乡村道路)。以环境因素对输电线路建设难度大小为目标建立如图3所 示的递阶层次模型。

对于上述指标，需按照表1所示1～9标度法给出各指标相对应重要程度大小a_ij。

表1：1～9标度法

按照上述方法建立n×n阶判断矩阵A。

$A=\left(\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& ...& a_{1n}\\ a_{21}& a_{22}& ...& a_{2n}\\ ...& ...& ...& ...\\ a_{n1}& a_{n2}& ...& a_{\mathrm{nn}}\end{array}\right)$

其中，A₀表示准则层对目标层的判断矩阵；A₁、A₂、A₃、A₄表示各目标层对准则层的 判断矩阵。各判断矩阵取值如下表所示。

$A_0=\left(\begin{array}{cccc}1& 1/2& 1/5& 1/2\\ 2& 1& 1/2& 1\\ 5& 2& 1& 3\\ 2& 1& 1/3& 1\end{array}\right),$$A_1=\left(\begin{array}{cccc}1& 1/2& 1/2& 1/3\\ 2& 1& 1& 1/2\\ 2& 1& 1& 1/2\\ 3& 2& 2& 1\end{array}\right),$

$A_2=\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 1/3& 1/3\\ 1& 1& 1/3& 1/3\\ 3& 3& 1& 1\\ 3& 3& 1& 1\end{array}\right),$$A_3=\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 6& 1\\ 1& 1& 6& 1\\ 1/6& 1/6& 1& 1/8\\ 1& 1& 8& 1\end{array}\right)$

$A_4=\left(\begin{array}{cc}1& 1/2\\ 2& 1\end{array}\right)$

按照层次分析法计算，可得到指标层中各影响因素对目标层的权重系数，见表2。

表2：指标层各影响因素对目标层的权重系数

影响因素 指标 权重系数 计算方式 地形地貌 平地 0.0207 按面积

(2)确定路径起点与终点

将提供的负荷点及变电站站址确定为路径的起点和终点，确定起点和终点后，输电线 路路径设计中必须满足还变电站进出线方向，并可根据工程需要提供路径必经点位置。

(3)路径区域范围与网格化

(3.1)路径区域范围选择

测量起点与终点的直线距离(单位km，下同)，以东西方向和南北方向做直角三角形。 求出此三角形的东西与南北方向的边长。将这两个距离分别加加2，并向上取整数，可得 到此区域范围，如图4所示。若必经点包含在此区域范围之外，还应扩大区域范围，使必 经点位于区域以内。

(3.2)路径区域网格化

以选定规格正方形(1000m或500m)划分路径区域，形成网格图。

(4)编号及连通

(4.1)网格编号

以起点所在侧为编号起始位置。将某区域按5×9网格划分，按图5所示方法进行编 号。

(4.2)网格连通方式

对于m×n网格，第i个网格的连通方式按图6与图7方法进行。

(5)沿线统计功能

为便于对路径进行优选，在路径权值的基础上，需要同时考虑线路长度和转角个数的 影响。因此，需要沿线统计线路长度和转角个数，可结合GIS中的网络结构信息统计该最 优路径与其他线路的交叉情况。

转角个数统计方法如图8所示。假设m×n网格为例。对于i号顶点，画出所有指向i 号顶点和i号顶点指向的方向路径，并标出二者之间的号数差值，如图8所示。规定：当 i号顶点的前一个顶点到i号顶点的号数差值，与i号顶点指向的下一个顶点的号数差值， 二者相等，则路径通过i顶点时未出现转角；若二者不相等，则出现转角，转角个数加1。 例如，若i号顶点的前一个顶点为i-m，后一个顶点为i+m+1，因为二者号数差值分别为m 和m+1，故该路径在i顶点出现转角。

四、初始路径优化

初始路径生成后，需要继续进行优化，尤其是在转角处。在转角处，要完成路径优化。 优化方法是：在转角处，分别连接转角前后各点，取其中长度最长且未与不可穿越区交叉 的一条代替原有转角路径。详细过程可参照图10所示的方法。

五、复杂地形判断

在初始路径优化后，需要对线路路径所经地形复杂程度进行判断，以便方便调用复杂 地形处的卫片(利用卫星遥感监测等技术手段制作的叠加监测信息及有关要素后形成的专 题影像图片，简称卫片)，供线路设计人员方便查看该处地形条件，对线路路径进行人工 干预。

复杂地形的判断条件如下(满足其中任意一个即判断为复杂地形)：

(1)以单元网格为基础，若单元格内无湖泊、河网的面积不超过50％，且单元格内无 河流、林地，则需要统计正方形网格的中心点和四个顶点的高程，取其最大值与最小 值，并计算最大值与最小值两个点之间的距离。

以图9为例，统计五个点的高程，取最大值和最小值分别为h_max、h_min，并计算最大值 与最小值两个点之间的距离s，根据下面公式进行计算：

$a=\frac{h_{\max }-h_{\min }}{s}$

如果a>0.5773，则判断为复杂地形。

(2)以单元网格为基础，若此方格内湖泊、河网的面积比例超过50％，则判定为复杂 地形。

(3)以单元网格为基础，若此方格内同时有河流、林地、山地等地形，则判定该网 格为复杂地形。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱 离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的 保护范围。