基于GIS的線路覆冰數據空間分析及建模

林小柏，謝銀昌，段學云，王磊

(1.云南省電力設計院，昆明 650051；2.云南電網公司電力研究院，昆明 650217)

基于GIS的線路覆冰數據空間分析及建模

林小柏1，謝銀昌1，段學云1，王磊2

(1.云南省電力設計院，昆明 650051；2.云南電網公司電力研究院，昆明 650217)

介紹基于GIS技術的空間分析方法和模型構建工具，根據電力覆冰采樣數據，結合地形高程及區域氣候等影響因素，計算覆冰值，并用空間插值分析方法得到整個區域內覆冰柵格圖；根據冰區區間劃分原則，最終得到冰區分布GIS矢量要素圖，為電網規劃設計及安全運行服務。

輸電線路覆冰數據；GIS空間分析；冰區分布圖

0 前言

隨著用電需求不斷增加，電力資源的空間分布不均衡，使得輸電線路工程越來越多出現長距離跨區域的特點。線路覆冰對電網安全運行影響重大，電力覆冰區劃對電力線路勘察設計及抗冰搶險有重要意義。以下探討如何利用GIS技術，基于采樣數據，并結合高精度地形DEM數據和區域覆冰擬合模型，運用ArcGIS軟件建模工具，運行得到整個區域的冰區劃分矢量圖形及屬性數據庫，為電網設計及安全運行提供參考數據。

1 GIS空間分析技術簡介

GIS是地理信息系統 (Geographical Information System的簡稱)，是在計算機軟硬件支持下，對整個或者部分地球表層空間中的有關地理分布數據進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。空間分析是基于地理對象的位置和形態特征的空間數據分析技術，其目的在于提取和傳輸空間信息，分析對象是地理目標的位置和形態特征[1]。

基于GIS的空間分析是將空間分析方法植入GIS軟件中，使復雜的傳統空間分析任務變得簡單易行，并能高效地分析和解釋地理特征間的相互關系及空間模式。[1-2]。

常見的GIS系統中，ESRI的ArcGIS以其強大的分析能力成為主流的GIS系統，且ArcGIS具備強大的建模功能，能使空間分析執行效率大大提高，運用ArcGIS進行地理信息系統空間分析將成為一種主導趨勢[1]，本文主要介紹基于ArcGIS的電力線路覆冰數據空間分析方法。

2 覆冰數據空間分析及分布圖輸出

電力線路覆冰狀況主要用覆冰值來衡量，覆冰值指的是覆蓋在線路上的冰狀物的半徑，單位為毫米 (mm)。把覆冰值按照一定的數字區間劃分得出冰區區間，在地理空間上表示出冰區區間分布，并將數據形式轉化為GIS空間矢量數據圖層，冰區分布圖的研究成果，客觀地反映云南電網覆冰分布的規律。

2.1 數據準備

1)覆冰采樣數據：電力覆冰采樣數據包括兩種類型數據：一種是實地采樣數據，即帶坐標點和覆冰觀測值，需轉換為GIS支持的空間數據點文件格式。另一種數據是虛擬采樣數據，即在分析區域內，定義采樣點坐標系統，起始位置，距離間隔，起始位置等參數后，得到一個覆蓋區域的格網，每個網格的中心生成一個點，代表采樣的點位，點位文件即需要的輸入采樣數據文件。

以上兩種類型數據可以單獨進行分析應用，也可以結合使用，即在實地采樣數據的基礎上，創建虛擬采樣點，得到密度更高的采樣點數據，結合高程和區域氣候條件，分析覆冰情況。在沒有實地采樣點數據的情況下，也可直接根據生成的虛擬采樣點結合地形高程數據和氣候因素，直接計算覆冰值，通過插值分析得到整個區域的覆冰情況。

2)數字高程模型 (DEM)數據：ArcGIS軟件支持的DEM數據格式，以柵格象元表示地表地形，象元值表示高程值。該數據主要用于提取采樣點對應位置的高程信息，同等情況下，DEM數據精度越高，地形表達越細致，相對的冰區劃分結果精度越高。

3)根據云南各地區氣候特征，劃分出不同的覆冰氣候區域，并順序編號，對各個區域，基于氣象記錄資料，進行高程變量與覆冰值的擬合分析，推導出計算公式。在模型的相關步驟，需要輸入該計算公式。

2.2 空間分析模型建立

先將采樣點數據與DEM數字高程模型數據進行提取分析，得到地形信息后，根據氣候區域劃分信息按不同的覆冰值計算擬合模型，計算得到采樣點覆冰值，然后通過空間插值分析，計算得到整個采樣范圍內的覆冰柵格圖 (該數據以設定大小的象元為單位，象元值代表象元對應區域的覆冰值)，再通過冰區區間劃分原則，對柵格數據進行分類，得到采樣區的冰區區間分布柵格圖，最后將柵格圖轉換為空間矢量數據。

使用ArcGIS軟件按以上思路建立模型，以圖解建模方式用直觀的圖形語言將一個具體的過程模型表達出來。在這個模型中，分別定義不同的圖形代表輸入數據、輸出數據、空間處理工具，它們以流程圖的形式進行組合并且可以執行空間分析操作功能。建成后的模型如下圖1所示：

圖1 覆冰數據空間分析及冰區分布圖輸出處理模型

其中，橢圓形圖框表示輸入或輸出數據，方形圖框表示空間分析處理操作。該模型一共包括8個數據分析處理操作步驟，箭頭方向表示數據流方向，上一步驟輸出數據可以作為下一步驟地輸入數據。模型前三步驟是生成虛擬采樣點并提取地形信息，添加覆冰字段為下一步計算機覆冰值做準備，如果需要用實地采樣點數據直接進行分析得出冰區分布圖，可直接從插值分析步驟開始。

2.3 模型分析步驟及成果輸出

1)創建采樣格網：生成一個覆蓋研究區域的格網，輸入區域坐標范圍參數，格網間距參數，生成格網多邊形數據的同時生成格網中心點數據，作為虛擬采樣點數據，格網間距可以根據研究區域地形條件、區域大小、成果精度要求來設置適當的間距值。例如，地形數據 (DEM)象元單位為100m，則采樣格網間距可設為150m或稍大。

2)地形分析：采用提取分析，將上以步驟生成的采樣點數據作為基點，輸入坐標與之匹配的DEM數字高程模型數據，獲取基點對應DEM象元值，自動在采樣點數據屬性表中添加字段記錄象元值作為該點的高程值。

3)添加覆冰值字段：為了計算和存儲覆冰值，在采樣點數據中添加一個覆冰字段，本步驟定義字段名稱、類型、精度等參數。

4)計算覆冰值：選擇上一步驟添加的覆冰字段名，定義數學表達式或者是VB代碼塊來計算覆冰值。此步驟需要用到氣候區域劃分及覆冰計算擬合公式，用來界定不同區域內，不同的高程覆冰擬合計算公式。例如，某地區計算覆冰值函數為：

其中y表示點位覆冰值，x表示點位高程

則模型中計算表達式為：

0.253 4?Exp(0.001 2[RASTERVALU])

其中 [RASTERVALU]為地形分析步驟中提取得到的采樣點高程字段。

5)采樣點插值分析：采用柵格插值分析方法，目的是通過已采樣點的數值來推算未采樣點值，插值結果將生成一個連續的表面，在這個連續表面上可以得到每一點的值。本研究采用克里金方法，它是通過一組具有z值 (空間現象特征值)的分散點生成估計表面的高級地統計過程。與其它插值方法相比，該方法基于包含自相關(即測量值之間的統計關系)的統計模型。因此，該方法不僅具有產生預測表面分布的功能，而且能夠對預測的確定性或準確性提供某種度量。

本步驟采用的克里金插值方法需要配置的參數有：Z值字段 (即覆冰值字段)、半變異函數屬性 (包括克里金方法和半變異函數模型)、輸出象元大小、搜索半徑設置、柵格數據方差等。柵格數據方差是每個輸出柵格像元中都含有克里金法方差，用于度量預測值的準確性。本步驟輸出結果是柵格圖，象元值代表了覆冰值。

6)冰區區間劃分：采用柵格重分類方法對上一步生成的柵格圖，按照冰區區間的劃分原則進行分類處理，在分類參數設置中輸入對應值。

7)柵格轉矢量數據：矢量數據比柵格數據更節約存儲空間，數據結構嚴密便于編輯處理及用于空間分析，本步驟將上一步柵格重分類后的數據，選擇重分類字段，生成GIS矢量面數據，屬性表中的重分類字段值，即面圖斑對應的地理區域的冰區區間值。

8)圖層融合處理：為減少數據冗余，方便制圖，按冰區值字段，將值相同的面合并，生成新的冰區分布面圖層數據。

3 關鍵技術

3.1 結果精度分析

以上介紹的是一種由區域覆冰采樣數據獲得冰區分布圖的到通用模型方法，輸出成果的精度與三個方面因素有關，前兩方面因素與本文介紹分析方法本身無關，屬外部因素，而第三個方面因素是影響空間分析方法和建模輸出成果精度的關鍵因素：

1)輸入數據的精度：包括采樣點數據精度、采樣點間距、地形數據 (DEM)精度。采樣數據精度與采樣觀測計算方法有關，不屬本文探討范圍；采樣點間距是衡量區域內采樣點分布密度的量，間距越小，密度越大，相對的輸出成果精度越高；地形數據 (DEM)具有不同比例尺精度，越大比例尺數據象元所表示的單位面積越小，精度越高，選擇較高精度DEM數據，得出的冰區分布成果精度也越高。

2)覆冰值計算的精度：本文覆冰計算方式是根據區域氣候特征，對高程值和覆冰值關系進行擬合，得出經驗函數公式。云南地形復雜，氣候區域較多，例如滇東北雖然平均海拔不高，但冬季處于冷暖氣團交匯靜止之處，冬季覆冰較重；滇西北海波較高，覆冰也較重，兩個地區相比高程對覆冰厚度影響程度不同。所以，必須劃定氣候區域，對不同區域得出不同的擬合公式，然后再實地調查驗證后進行修正。

3)采樣點空間插值分析精度：這與選擇插值方法及其參數配置有關，插值分析方法有反距離權重法、克里金法、自然鄰域法、樣條函數法、趨勢面法等。

根據線路覆冰現象的空間分布特征和云南地形氣候情況，本文選擇克里金插值方法。選擇合適的半變異函數模型和設置合理的模型參數，對得到準確的分析結果至關重要。未知覆冰值點和已知點 (采樣點)構成多個點對，將點對按兩點間距離分組，使用變異函數和協方差函數估算擬合模型的空間自相關值，根據改值隨距離增加的變化關系，擬合函數模型。

4 結束語

以上的分析方法和模型得出的是冰區的區間分布，所以計算得出的覆冰值誤差在一定范圍內是可以接受的。由于線路覆冰的形成機理，受多方面影響，覆冰值計算方法只從區域大氣候和地形兩個最主要因素來考慮，未考慮微地形，風速及水文因素影響。在后續研究中，可以將其它影響因素加入到覆冰計算模型中后，仍然可以使用該GIS模型分析得出冰區分布圖，基于覆冰數據庫可建立一個動態的覆冰分析GIS系統，提供參考數據和輔助決策。

[1] 湯國安，楊昕.AreGIS地理信息系統空間分析實驗教程[M].北京：科學出版社，2006：1-10.

[3] 鄔倫，地理信息系統一原理、方法與應用 [M]，2001.

[2] 郭仁中，空間分析 [M]，武漢：武漢測繪大學出版社，2000.

[4] 嚴爾梅.淺議架空輸電線路覆冰觀測與覆冰計算 [A].第三屆 (2012)全國架空輸電線路技術研討會論文集[C].2012

[5] 杜珍.重慶地區電網覆冰劃分依據與冰區圖編制研究[D].2011.

GIS Spatial Analyst and Modeling Application on Data of Transmission Line Icing

LIN Xiaobai1，XIE Yinchang1，DUAN Xueyun1，WANG Lei2
(1.Yunnan Electric Power Design Institute，Kunming 650051；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217)

This article introduces the progress of calculating icing value base on the sampling icing data of transmission line，the DEM and the factor of region-climate，using GIS Spatial Analyst tools and modeling tools，and Then we can obtain a regional Raster map of ice value by Spatial Interpolation Analyst；After that，according to the rule of icing area divided，we should get the GIS vector layer of ice level map，serving for Electric power Design and the safe of power grid.

data of transmission line icing；GIS spatial analyst；ice level map

TM76

B

1006-7345(2014)06-0078-03

2014-10-24

林小柏 (1982)，男，工程師，云南省電力設計院，主要從事地理信息系統應用工作 (e-mail)shitou7988＠163.com1。

謝銀昌 (1981)，男，工程師，云南省電力設計院主要從事水文氣象工作 (e-mail)xyc413＠163.com。