應用GIS 和遙感分析技術(shù)的電力優(yōu)化選線探討

李 勝

(新疆維吾爾自治區(qū)測繪科學研究院，新疆 烏魯木齊 830002)

本文以輸電線路徑選擇為目標，研究遙感及GIS 應用其中的關(guān)鍵問題，具體如下:1)利用QuickBird 數(shù)據(jù)提取輸電線沿線地區(qū)的地表信息，重點關(guān)注居民區(qū)、道路、水體和沿線主要企業(yè)對輸電線路徑選線設計的影響，研究基于QuickBird 多光譜遙感數(shù)據(jù)的地表信息自動提取方法。2)研究利用IRS-P5遙感立體像對數(shù)據(jù)建立研究區(qū)數(shù)字高程模型，為路線優(yōu)選提供地形影響因子即地表坡度。3)將QuickBird 多光譜遙感數(shù)據(jù)提取的地表信息的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)，與數(shù)字高程模型及地表坡度圖等信息集成于GIS 系統(tǒng)，采用GIS 空間分析方法，按照110～750kV 架空輸電線路設計規(guī)范要求，進行輸電線路徑優(yōu)選。4)進行居民地、道路、水體、輸電線路徑與DEM 疊加的三維地表模型漫游。

1.研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

選定約5km×16km 范圍作為路徑設計的研究區(qū)，研究區(qū)位于東經(jīng)約119°12＇～119°14＇20″，北緯約31°35＇45″～31°45＇25″。研究區(qū)地貌特征部分為低山丘陵崗地，最大高程約為240m，大部分地勢較為平坦;水系較為發(fā)達，區(qū)內(nèi)分布較多的水庫、河流;區(qū)域內(nèi)基本無不良地質(zhì)構(gòu)造。道路主要有沿江高速公路、104 國道、S340 省道等公路;城鎮(zhèn)主要有天王鎮(zhèn)、袁巷鎮(zhèn)及散落分布大小不一的村落;主要企業(yè)有垃圾處理廠、制藥廠、鍍鋅廠、油品劑廠、公路收費站等。這些地物要素都是輸電線路路徑設計過程中應考慮的影響因素。

本研究采用的遙感數(shù)據(jù)有QuickBird 數(shù)據(jù)，用于提取地表地物信息;IPS-P5 衛(wèi)星遙感立體像對數(shù)據(jù)，用于建立研究區(qū)數(shù)字高程模型。

2.研究方法

2.1 地表信息提取方法

首先用18 個野外實測的GPS 控制點(控制點高程精度為±7cm，平面坐標精度為±5cm)對QuickBird 遙感圖像進行幾何校正，誤差均控制在1 個像元以內(nèi)。然后，針對輸電線路徑優(yōu)選的目標，采用決策樹分類算法提取影響輸電線路徑選擇的主要因素，重點關(guān)注居民區(qū)、道路、水體等對輸電線路徑選線設計的影響要素。決策樹法分類算法根據(jù)影像的不同特征，從訓練樣本數(shù)據(jù)集中發(fā)現(xiàn)分類規(guī)則，集成遙感影像的光譜特征、紋理特征和空間分布特征生成各結(jié)點的判別函數(shù)，由一個根結(jié)點開始，不同取值建立二叉樹的分支，在每個分支子集中重復建立下層結(jié)點和分支，最后形成決策樹。由各結(jié)點的判別函數(shù)對遙感圖像中的各像元進行逐層的識別、歸類，通過若干次中間判斷最終得到判別分類的結(jié)果，決策樹的終極結(jié)點即為分類結(jié)果。

2.2 IRS-P5 立體像對的幾何定位模型及DEM

提取IRS-P5 采用有理多項式RPC (rationalpolynomialcoefficients)模型作為立體像對定位的幾何模型。RPC 模型的實質(zhì)是將地面點大地坐標D (B，L，H)與其對應的像點坐標d(x，y)用比值多項式關(guān)聯(lián)起來，立體模型經(jīng)過絕對定向，最終建立數(shù)字高程模型(DEM)，并對生成的DEM 編輯。

2.3 GIS 空間分析及路徑優(yōu)選

依據(jù)110～750kV 架空輸電線路設計規(guī)范，明確選線條件如下:1)與居民地的關(guān)系:一般22 萬伏可跨居民地，50 萬伏距居民地15m;2)與道路的關(guān)系:距高速公路30m，交角＞60°，與道路平行距離為50～80m;3)與河流的關(guān)系:距河流20m;4)地形地貌條件:地形坡度＜30°;5)距重要單位60m。將提取的各類地物要素、DEM、地表坡度圖及正射影像圖集成于ArcGIS 系統(tǒng)中，構(gòu)建輸電線路徑優(yōu)選的數(shù)據(jù)庫。依據(jù)選線條件，采用空間緩沖區(qū)、空間疊置分析等方法建立空間分析模型，確定適宜選線的區(qū)域，結(jié)合輸電線路路徑優(yōu)選規(guī)范實現(xiàn)最佳路徑的選定。

3.結(jié)果與分析

3.1 基于光譜和紋理分析的信息提取

依據(jù)研究區(qū)土地利用/覆被類型的分布現(xiàn)狀，初步確定研究區(qū)地物類型有:水體、居民地、水泥道路、瀝青鋪面道路、裸土、有植被耕地和林地等七大類。遙感圖像中，各種地物由于其結(jié)構(gòu)、組成及理化性質(zhì)的差異，使得不同地物對電磁波的反射有其獨特的特性，單純用光譜特征很難將道路和居民地區(qū)分，因此需要借助于圖像的紋理特征分析。通過對各類地物光譜特征及紋理特征的分析，確定參與決策樹分類的決策特征變量有4 個多光譜波段的亮度值、NDVI (歸一化植被指數(shù))和第一波段紋理對比度參數(shù)(Band1Con)等6 個特征變量。比較各類地物的6 個特征變量的響應特征，制定了分層分類規(guī)則，從而建立決策樹分類模型(見圖1)，實施分類，得到初始分類結(jié)果。

圖1 地表信息提取的決策樹模型

本區(qū)域中影響輸電線路徑選擇的主要地物要素為居民區(qū)、道路、水體、等。分類后優(yōu)化處理采用了2 個步驟:首先，分別對居民地類別和道路類別采用自適應濾波方法對居民地和道路進行分類后處理，自適應濾波能夠在保護圖像清晰度及細節(jié)的前提下，抑制噪聲。然后，將處理后的居民地與道路類別轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)，導入ArcGIS 系統(tǒng)中，并以幾何校正后的QuickBird 全色波段作為背景圖，將本應為道路而被錯分為居民地的圖形對象歸并到道路圖層。利用混淆矩陣方法檢驗分類精度，顯示分類后處理的總體精度由原來的82.09%提高到92.83%。

3.2 IRS-P5 立體像對的DEM 提取結(jié)果

基于VirtuoZo 工作站，利用RPC 參數(shù)及16 個地面控制點進行立體像對絕對定向，建立立體模型，模型的平面定位中誤差為mx=±0.772m，my=±0.641，mz=±1.198，滿足1∶ 10000DEM 的要求。進而生成DEM，在立體觀測的條件下對DEM 進行編輯，消除纏繞在樹木、建筑物等地物上的等高線，使高程格網(wǎng)點均切于地面，水域高程置平等，建立符合規(guī)范要求的DEM (空間分辨率2.5m) (見圖2)。根據(jù)地理坐標，選取基于P5 立體像對建立的DEM 和航攝立體像對構(gòu)建的1∶10000DEM (空間分辨率10m)的共同區(qū)域，并將P5 建立的DEM 重采樣為10m 空間分辨率使其與1∶ 10000DEM 的空間分辨率相同，以便通過兩DEM 的差值運算來全面檢驗P5 衛(wèi)星遙感像對生成的DEM 的檢驗精度。統(tǒng)計計算表明誤差基本成正態(tài)分布，且較差在(-5m，5m)的點占89.3%。

圖2 等高線與數(shù)字高程模型疊加

3.3 基于GIS 的輸電線路徑優(yōu)選

依據(jù)線路起終點位置，按照220KV 和500KV 輸電線路徑要求，路徑選擇宜靠近現(xiàn)有國道、省道、縣道及鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路，改善交通條件，方便施工和運行以及電力設計選線條件，建立了空間分析模型。首先確立了適宜選線的區(qū)域，然后依據(jù)空間分析結(jié)果中適宜選線區(qū)域，以地形坡度圖和空間分辨率為0.6m的QuickBird 全色波段正射圖像為輔助數(shù)據(jù)，盡可能沿道路選線，確定輸電線路徑。按照上述要求確定了220 和500kV 輸電線路徑。

圖3 給出了220 和50kV 輸電線路徑，其中220kV 路徑總長18053.67m，500kV 路徑總長18088.80m，所選路徑滿足輸電線路設計規(guī)范要求(參見110～750kV 架空輸電線路設計規(guī)范(報批稿)。20080602 (新版)，主編:中華人民共和國建設部。中華人民共和國建設部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合發(fā)布)。將數(shù)字高程模型與各類矢量數(shù)據(jù)圖層，如居民地、水體、道路和輸電線路徑等信息疊加，基于VR-GIS 方法，實現(xiàn)以輸電線路徑為路線的三維地表模型漫游，再現(xiàn)了研究區(qū)的地形、地貌，使成果更加直觀，為宏觀決策提供支持。選線結(jié)果與原有常規(guī)方法所選路徑總長(18456.95m)相比，路徑總長減少了約400m，在一定程度上減少了工程造價及竣工后的運行維護費用。具體的表現(xiàn)在除了減少了輸電線總長外，同時還減少了塔數(shù)、塔材、基礎鋼材、基礎混凝土及運行維護費。此外，采用遙感及GIS 方法選線解決了常規(guī)勘測方法中已有資料陳舊、作業(yè)工期長、采集數(shù)據(jù)困難、對環(huán)境保護不力的問題，大大地縮短勘測設計時間。因此，遙感技術(shù)可作為對工程的造價控制的有力環(huán)節(jié)。

圖3 輸電線路徑選線結(jié)果

4.結(jié)論

針對輸電線路徑優(yōu)選的目標，依據(jù)多源遙感數(shù)據(jù)，基于各種地物類型光譜特征知識分析，并結(jié)合遙感影像的紋理特征，采用決策樹分類算法提取影響輸電線路徑選擇的主要因素。研究結(jié)果表明，該分類方法能有效地進行地物分類與識別，特別是綜合光譜和紋理信息有效地解決了裸土與居民地的混分現(xiàn)象。自適應濾波有效地去除了居民地和道路內(nèi)的噪聲，凈化了地物類別并提高了分類精度。同時利用遙感立體像對數(shù)據(jù)，基于數(shù)字攝影測量方法構(gòu)建了DEM，其精度能夠滿足輸電線路徑優(yōu)選的要求。綜合地物和地形多要素作為輸電線路徑優(yōu)選的約束條件，采用GIS 空間分析方法，實現(xiàn)了輸電線路徑優(yōu)選。沿輸電線路徑的三維地表模型漫游，再現(xiàn)了研究區(qū)地形、地貌，使成果更加直觀，為宏觀決策提供了支持。與常規(guī)的航空攝影測量方法相比，將現(xiàn)代3S 集成技術(shù)引入到輸電線路徑的優(yōu)選中，節(jié)約了成本，提高了工作效率，對加快數(shù)字電力工作現(xiàn)代化進程有一定的意義和實用價值。

［1］徐世澤，許琳.遙感技術(shù)在輸電線路工程建設及運行中的應用［J］.中國勘察設計，2011 (1):111-114.

［2］許軍強，邢立新，潘軍.遙感技術(shù)在高壓輸電線選線中的應用［J］.遙感技術(shù)與應用，2006，21 (2):168-172.