基于Arcgis的雷電分布圖繪制方法研究

黃然，錢國超，徐肖偉

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217）

0 前言

輸電線路的安全運(yùn)行除了人為因素，設(shè)備故障外還與自然災(zāi)害密不可分。根據(jù)云南近幾年跳閘數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在各類自然災(zāi)害，影響因子排序如下：雷電、山火、覆冰、外破、鳥害、風(fēng)偏及其他，其中雷電占比大約為60%，為造成線路跳閘的主要原因，本文提出了一種基于網(wǎng)格分析的雷區(qū)圖繪制方法，將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以不同形式展示包括圖形、表格等，為運(yùn)維人員提供詳實(shí)的雷電分布趨勢(shì)，為線路防雷決策提供有力的支持和數(shù)據(jù)支持。云南地處低緯高原地區(qū)，復(fù)雜的地形地貌及南北氣候的差異特殊地形使得雷電活動(dòng)尤為頻繁。

1 雷電原始數(shù)據(jù)處理

雷電探測站近十年觀察數(shù)據(jù)以及探測站位置信息，收集數(shù)據(jù)包括：落雷時(shí)間、落雷位置、落雷電流幅值、落雷極性、定位站數(shù)、回?fù)舸螖?shù)、平均角度誤差、誤差橢圓長半軸、誤差橢圓短半軸等。相較于故障錄波或者其他監(jiān)控系統(tǒng)容易造成較大誤差以及漏報(bào)落雷點(diǎn)，云南省雷電定位系統(tǒng)采用高精度GPS技術(shù)，能將落雷位置精確到毫秒級(jí)別，準(zhǔn)確的收集落雷數(shù)據(jù)，大大提高信息的可信度及準(zhǔn)確度。一般數(shù)據(jù)處理包括以下幾個(gè)部分：

1.1 數(shù)據(jù)采集

雷電探測站采集到落雷數(shù)據(jù)后通過指定服務(wù)傳輸給數(shù)據(jù)服務(wù)器，通信服務(wù)器一般采用雙機(jī)熱備技術(shù)，當(dāng)一臺(tái)出現(xiàn)故障無法正常工作時(shí)，可啟動(dòng)另外一臺(tái)設(shè)備保證雷電數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。

1.2 數(shù)據(jù)定位計(jì)算

雷電數(shù)據(jù)定位計(jì)算為系統(tǒng)核心部分，通過不同探測站采集到的數(shù)據(jù)通過綜合分析后，根據(jù)定義好的計(jì)算模型從新計(jì)算得出真實(shí)的落雷位置，并將計(jì)算結(jié)果保存至數(shù)據(jù)庫中。

1.3 雷電數(shù)據(jù)服務(wù)

由于每年采集的落雷數(shù)據(jù)量大，為了方便查看及保存需將數(shù)據(jù)保存至專門的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫中，包括采集到的雷電位置數(shù)據(jù)、雷電相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)等。且數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通常采用磁盤陣列技術(shù)防止由于設(shè)備故障而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失。

1.4 雷電統(tǒng)計(jì)分析服務(wù)

通過分析統(tǒng)計(jì)落雷數(shù)據(jù)，可針對(duì)性的未雷電數(shù)據(jù)研究提供相關(guān)服務(wù)，包括區(qū)域地閃密度分析、線路地閃密度分析、雷暴日分析、雷暴小時(shí)分析、有雷日分析、雷電賦值分析等。

通過上述數(shù)據(jù)處理后，系統(tǒng)自動(dòng)剔除了采集的非雷電數(shù)據(jù)信號(hào)，并通過不同探測站的數(shù)據(jù)比對(duì)篩選出真實(shí)的雷電信息數(shù)據(jù)，為后續(xù)的雷電參數(shù)統(tǒng)計(jì)[1]、空間規(guī)律分析提供有力的數(shù)據(jù)支持。

2 基于網(wǎng)格劃分的雷電數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的地形處理已經(jīng)不能滿足大數(shù)據(jù)良、復(fù)雜空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的需求，相較于單機(jī)計(jì)算下的計(jì)算速度慢效率低下的問題，基于網(wǎng)格技術(shù)的分布式并行處理能將計(jì)算速度大大提高，并能有效解決由于數(shù)據(jù)量太大無法分析計(jì)算的問題。

空間數(shù)據(jù)[2]索引是指空間對(duì)象在現(xiàn)實(shí)中的地理位置的某種特定關(guān)系，并按照實(shí)際情況進(jìn)行排列的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括屬性信息、空間位置信息、地理對(duì)象標(biāo)識(shí)ID等，然后通過索引得到各元素間的約束關(guān)系。

網(wǎng)格分析[3]是研究網(wǎng)絡(luò)上的資源流動(dòng)和分配情況，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理的空間分析[4]方法。顧名思義就是將整個(gè)區(qū)域劃分為一個(gè)個(gè)大小相同的正方形網(wǎng)格，從左至右，從上至下排序，每個(gè)網(wǎng)格的面積都相等，可按需分為0.5*0.5、1*1、2*2、5*5、10*10的大小，負(fù)荷和負(fù)荷密度成比例關(guān)系。由于云南省邊界不會(huì)隨意變化，所以只用劃分一次便可以一直使用。統(tǒng)計(jì)時(shí)取網(wǎng)絡(luò)中心點(diǎn)為相對(duì)地理坐標(biāo)，同時(shí)將網(wǎng)格內(nèi)負(fù)荷等效為點(diǎn)的負(fù)荷，這樣可以大大簡化數(shù)據(jù)的提取及分析，流程圖如下所示：

圖1 網(wǎng)格分析流程圖

3 雷電分布圖繪制方法

為了使圖像最終的顯示效果顯得更為平滑，不顯得突兀，通常采用插值方法對(duì)圖像進(jìn)行處理。空間插值就是通過已知點(diǎn)的數(shù)值來估算其他點(diǎn)的數(shù)值，并其點(diǎn)位數(shù)值進(jìn)行覆蓋，也是一種將點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為面數(shù)據(jù)的一種方法，使得點(diǎn)數(shù)據(jù)能用于空間分析和建模。空間插值的理論假設(shè)是：空間位置上越靠近的點(diǎn)，越可能具有相似的特征值，而距離越遠(yuǎn)的點(diǎn)，其特征值相似的可能性越小。空間插值方法正式根據(jù)該假設(shè)設(shè)計(jì)的，分為整體插值方法和部分插值方法。

3.1 固定閾值IDW算法

IDW基本思想是目標(biāo)離觀察點(diǎn)越近則權(quán)重越大，受該觀察點(diǎn)的影響越大。好處是觀察點(diǎn)本身是絕對(duì)準(zhǔn)確的，而且可以限制插值點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

設(shè)置一個(gè)固定的閾值進(jìn)行插值計(jì)算，插值后得到的分布圖。

優(yōu)點(diǎn)是地圖在任何比例尺下看到的分布情況都是一樣的，缺點(diǎn)是小比例尺下分布區(qū)域不連貫，地圖顯示的小片區(qū)域比較多。效果如下圖：

圖2 固定閾值示例圖

圖3 1:1,000,000比例尺效果

3.2 多閾值IDW算法

根據(jù)地圖顯示的比例尺不同，不同放大級(jí)別使用不同的閾值進(jìn)行插值計(jì)算，小比例尺下只顯示全省分布的大概情況，大比例尺下顯示某個(gè)區(qū)域分布的詳細(xì)情況。

優(yōu)點(diǎn)是任何比例尺下顯示的分布圖都是簡潔明快的，缺點(diǎn)是大比例尺下鋸齒明顯、不同比例尺下顯示的分布結(jié)果不一樣。效果如下圖：

圖4 多閾值示例圖

圖5 1:1,000,000比例尺效果

3.3 Kriging算法

Kriging插值[5,6]與IDW插值的區(qū)別在于權(quán)重的選擇，IDW僅僅將距離的倒數(shù)作為權(quán)重，而克里金考慮到了空間相關(guān)性的問題。它首先將每兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行配對(duì)，這樣就能產(chǎn)生一個(gè)自變量為兩點(diǎn)之間距離的函數(shù)。對(duì)于這種方法，原始的輸入點(diǎn)可能會(huì)發(fā)生變化。在數(shù)據(jù)點(diǎn)多時(shí)，結(jié)果更加可靠。

目前來看是插值效果最好的算法，任何比例吃下顯示的分布圖都是平滑、連貫的，缺點(diǎn)是計(jì)算時(shí)間太長，用測試數(shù)據(jù)需要計(jì)算20多分鐘。效果圖如下：

圖6 Kriging算法示例圖

圖7 1:1,000,000比例尺效果

4 繪制方法應(yīng)用

通過提前將地圖進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可快速提高計(jì)算速度，提高運(yùn)行效率，本文利用該方法針對(duì)幾種常用的雷電分析處理做了應(yīng)用展示：

4.1 危險(xiǎn)雷害圖分析

危險(xiǎn)雷電密度分布在地閃密度分布和雷電流幅值分布的基礎(chǔ)上繪制，是雷害風(fēng)險(xiǎn)分布圖的基礎(chǔ)。對(duì)于不同電壓等級(jí)、不同雷害性質(zhì)，具有不同的危險(xiǎn)電流段；繪制各類危險(xiǎn)電流段內(nèi)的地閃的密度分布，得到相應(yīng)的危險(xiǎn)雷電密度分布。其計(jì)算邏輯圖如下圖所示：

圖8 危險(xiǎn)雷電計(jì)算邏輯圖

圖9 云南省雷電效果圖

4.2 特定電壓等級(jí)線路雷電分析

針對(duì)云南省內(nèi)500kV線路，只統(tǒng)計(jì)分析線路走廊半徑內(nèi)雷電活動(dòng)分布，根據(jù)線路覆蓋區(qū)域與網(wǎng)格進(jìn)行交叉對(duì)比，僅統(tǒng)計(jì)二者交叉區(qū)域的網(wǎng)格落雷數(shù)量，最后進(jìn)行分級(jí)繪制。在盡可能將網(wǎng)格劃分為最小的情況下了有效的避免統(tǒng)計(jì)線路走廊與網(wǎng)格區(qū)域的無效部分，在本文中，在不影響機(jī)器性能的情況下采用1km*1km的網(wǎng)格大小，效果圖如下圖：

圖10 特定電壓等級(jí)線路雷電分析效果

5 結(jié)束語

以云南省為研究對(duì)象，基于云南省內(nèi)44個(gè)探測站近十年的雷電位置、雷電大小、賦值 分布等海量數(shù)據(jù)，分別采用固定閾值IDW法、多閾值IDW法、Kriging算法繪制相應(yīng)雷區(qū)圖，并進(jìn)行相關(guān)對(duì)比。從測試樣本可以看出，Kriging算法插值圖形效果最好，能較好的體現(xiàn)細(xì)節(jié)變化，在不考慮計(jì)算時(shí)間的條件下，優(yōu)先采用該方法進(jìn)行處理。

由于雷電活動(dòng)與地形地貌、氣象環(huán)境等因素有關(guān)，由于獲取數(shù)據(jù)的途徑有限，本文僅針對(duì)雷電活動(dòng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并未考慮其他因素對(duì)雷電活動(dòng)的影響及雷區(qū)圖的疊加等。為了滿足日益提高的雷區(qū)圖使用需求，在下一步的研究中加入地形地貌及氣象等多因子的數(shù)學(xué)模型，并優(yōu)化該方法對(duì)雷電進(jìn)行更為精確、全面的研究。