基于GIS 的復雜地理條件下輸電線路路徑選擇

黃冬梅 王桂芳 胡安鐸 孫錦中 鄭小羅

（ 1、上海電力大學 電子與信息工程學院，上海200120 2、上海海洋大學 計算機學院，上海200120）

1 概述

輸電線路的路徑選擇需要綜合考慮地形地貌、氣象條件、地方規劃等多因素的耦合作用，最終選定一條運行可靠安全、環境友好和經濟、技術合理的路徑[1]。

現有輸電線路路徑選擇方案在評價體系中主要側重于對工程地質條件分析，鮮有考慮覆冰因素影響。本文綜合考慮地形、坡度、用地類型、覆冰四類多種復雜地理因素影響，針對傳統層次分析法容易導致決策結果過于主觀的問題，引入三標度法來建立層次分析模型，考慮各地理影響因素之間的耦合作用，基于ArcGIS 的數據分析功能，劃分線路建設成本分區，利用ArcGIS 進行距離分析，生成成本路徑圖，實現復雜地理環境下輸電線路路徑選擇。基于GIS 的路徑選擇模型，可以有效提高選線工程的經濟性和科學性。

2 三標度層次分析法原理

層次分析法（AHP）是20 世紀70 年代運籌學領域提出的一種系統分析方法。其基本思想是將復雜的問題分解多個層次，每個層次包含多個指標，然后進行定性和定量分析及決策。本文采用層次分析法模型將輸電線路路徑選擇問題模型化、層次化、數量化，實現非定量問題的定向分析。

圖1 輸電線路建設成本層次分析模型

表1 電線路建設綜合成本影響因素總權重

圖2 各因素分級賦值

傳統的1-9 標度層次分析法[2]，由于決策者在做出決策時受人為判斷的主觀性和片面性影響，難以給出兩個因素準確的重要性之比，出現不合理結果的可能性較大，本文提出采用（0，1，2）三標度法構造比較矩陣[3]，具體步驟為用直觀的三標度法構造比較矩陣，將比較矩陣轉換為間接判斷矩陣，求解判斷矩陣最大特征值對應的特征向量，即可得到各影響因素對應的權重。

3 輸電線路成本層次模型

3.1 建立輸電線路成本層次模型

本文選取西南某典型山區作為實例，通過對該地區地質條件的調查及輸電線路建設規范, 建立如圖1 所示的建設成本層次分析模型，本模型將輸電線路路徑選擇中所考慮的因素分為目標層、準則層、指標層和影響因素四個層次。

本文的輸電線路層次分析模型與傳統輸電線路層次分析模型如文獻[4]的層次模型相比，進一步考慮準則層與指標層各因素間的相互關系，綜合考慮準則層對指標層各因子的權重影響，在傳統模型基礎上細分指標層影響因子，建立四層輸電線路成本層次模型。

3.2 模型實現過程

按照第1 節所述原理，根據圖1 中的輸電線路建設成本層次模型建立各層間比較矩陣，比較矩陣是根據輸電線路工程建設標準及國內外學者發表成果總結而成，進一步計算間接判斷矩陣及相對權重，并進行一致性檢驗，其結果如表1 所示。

4 GIS 自動選線實例分析

4.1 選線因素賦值

根據前述各影響因素總權重對各個地圖的像元賦值，因GIS 像元值為整數，因此對權重結果乘以1000 對各像元賦值，表示該像元對建設成本影響的高低，即像元值越大代表在該像元內布線的成本越大。各因素賦值結果如圖2 所示。

圖3 多種專題地圖中輸電線路路徑圖

4.2 空間選線

Dijkstra 算法是目前解決最短路徑問題最經典的算法，也是公認的最有效和最好的方法，本文以輸電線路建設綜合成本最低為判斷標準，根據前述綜合成本分區結果，采用Dijkstra 算法尋求綜合成本最低路徑。

為了顯示路徑選擇的效果，本文分別以A1B1為起點終點和以A2B2為點終點選擇了兩條綜合成本最低路徑，并在多種專題地圖中展示，如圖3 所示。其中圖3(a)中黑色實線表示所選綜合成本最低輸電線路路徑，紅色實線代表未考慮覆冰因素的輸電線路層次模型選線結果，其選線結果表明，若未考慮覆冰因素影響，其選線結果很有可能穿過覆冰區，對輸電線路運行帶來巨大潛在危害，本文模型考慮加入覆冰因素影響，所選線路遠離了覆冰區域，可以提高線路運行安全系數; 由圖3(b)中A1B1、A2B2為用地類型專題地圖中所選綜合建設成本最低路徑結果圖，由所選線路結果可以看出，兩條線路均與自然保護區域保持一定的距離，保護了生態系統，且經過平原、草地等輸電線路建設成本較低的地區，遠離施工難及對生態平衡有重要影響的地塊；由圖3(c)A1B2、A2B2為坡度等級專題地圖中所選綜合建設成本最低路徑結果圖，兩條選線可以看出所選線路經過地區地勢較為平坦，遠離了陡坡、峭壁、高原等地區，可以降低施工難度，提高工程的安全系數。綜合以上分析及未考慮覆冰因素模型選線結果對比可知，根據本文的層次分析模型在GIS 中所選輸電線路經過區域綜合成本較低，且避開地理環境復雜區域，實現了在復雜地理條件下輸電線路選擇的經濟性和科學性。

5 結論

針對輸電線路路徑選擇需要考慮的地理要素較多，難以兼顧經濟性和科學性的問題本文綜合考慮分析輸電線路所選區域內的地形、坡度、用地類型和覆冰4 個地理因素影響，并細分地形、坡度和用地類型影響因素，充分考慮復雜地理環境影響，構建輸電線路建設成本四層層次分析法模型，并采用三標度代替九標度構建對比矩陣，來降低人為判斷的主觀性和片面性影響。本文利用GIS 強大的空間分析能力，采用Dijkstra 算法綜合考慮空間距離及綜合成本影響，選出以建設綜合成本最低為目標的最優路徑。通過輸電線路路徑圖可以看出基于本文前期成本分析，最終的路徑成功避開自然保護區、覆冰區、高原峭壁等復雜地理環境下不適宜線路通過的區域，說明本文的輸電線路成本建設層次分析法模型具有可行性。