电力地理信息系统数据库设计.pdf
文章编号:1006-3293(2001)01-0020-05电力地理信息系统数据库设计X梁荣昱1,胡晓倩2(1.重庆大学 光电工程学院 模式识别教研室,重庆 400044;2.重庆大学 电气工程学院 高电压系,重庆 400044)摘 要:通过对电力地理信息系统(GIS)的介绍和分析,从建立 GIS 数据库的实际出发,推荐采用Geomedia 作为配电网络 GIS 的开发平台。针对配电网络 GIS 数据的特点,提出了一种设计方案。关键词:地理信息系统;Geomedia;数据库中图分类号:TP 274 文献标识码:A地理信息系统(Geographic information system)GIS)是以计算机技术为支撑,侧重地理空间数据的采集、解译、图形处理和综合分析应用的新技术;是为了获取、存储、检索、分析与显示空间定位数据而建立的计算机化的信息系统。它把地理位置和相关属性有机结合起来,根据实际需要准确真实、图文并茂地输出给用户,满足城市建设、居民生活对空间信息的要求,借助其独有的空间分析功能和可视化表达,进行各种分析、管理和决策。在作为国民经济支柱的电力企业中1-2,传统的配电管理方式已经很难满足配电网的建设和安全经济运行要求,必须采用新的管理方式充分合理地利用有限的电力资源。在电力系统中,输电网络、配电网络、电站及设备、用户及负荷、煤、水等能量资源都是按照地理分布的,对于这些数据信息的管理及使用应该结合地理环境采用可视化技术。为实现电网改造和发展的合理规划,需要将现代化的计算机和通讯技术用于配电网的管理,实现各种图形、地图、数据信息的共享。所有这些问题的解决都依赖于 GIS 技术。因此,地理信息系统在供电企业生产管理中将得到越来越广泛的应用。1 电力地理信息系统数据库的特点实用地理信息系统最重要的部分就是数据。空间数据是三维的数据结构:由某个参考坐标系确定的位置(空间位置);地理实体之间的拓扑关系(相对位置);与几何位置无关的属性。任何地理实体必须包含至少一个属性,GIS 的分析、检索主要是通过对属性的操作来实现。GIS 数据库就是对空间数据合理存放的一个集合。由于各种数据同时具有空间、属性甚至时间上的信息特征,需要不同的结构来表达各种特征的信息。GIS 数据库的建立要基于进行二次开发的软件平台,一般采用混合型体系。图形数据一般由 GIS 软件数据库进行第 18 卷第 1期渝州大学学报(自然科学版)2001 年 3 月Vol.18 No.1 JOURNAL OF YUZHOU UNIVERSITY(Nat.Scien.Edit.)Mar.2001X收稿日期:2000-10-18作者简介:梁荣昱(1968-),男,重庆人,硕士研究生,从事数字图像处理与地理信息系统应用研究。管理;而属性和统计数据的管理,则采用功能较强的商业数据库管理软件,通过指针和关键字建立图形与属性的联接,实现两者的统一操作,从而实现系统的运行效率和各子系统充分利用共享的数据库资源。配电网络 GIS 数据一般为两种3:(1)空间定位数据。电站、用户、配电设备(配电馈线、变压器、电缆等)、各种继电保护设备等电力设备的位置;供电服务队伍、用户的地理位置。(2)属性数据。电力设备运行情况(设备的投运日期、材料、运行状态、最近一次检修日期等);供电服务队伍的人员情况、工作情况;用户的负荷类型、电话号码等。所以电力 GIS 数据库主要由两部分组成:GIS 图库,存放的空间数据包括高、中、低配电网图及各电站一次接线图等;属性库,存放各类变电及线路设备的台帐和运行信息等。2 选择 Geomedia 作为软件平台由于电力企业的电网设施资料经过多年积累而成,数据的转换工作量非常大,而这些资料又不断变化。因此,数据的输入、转换必须在尽可能短的时间内进行。这就要求选用的GIS 平台必须能很好地支持多种数据库,具有强大的数据转换能力。所以,在选择 GIS 平台应考虑:(1)操作方便;(2)能很好地支持现有的图纸(AutoCAD 文档);(3)能很好地支持多种数据库;(4)具有较强的数据分析能力;(5)具有很好的二次开发能力。Geomedia 是美国 Intergraph 公司开发的符合 OpenGIS 规范的 GIS 开发平台,满足以上要求。Geomedia 能够在一个环境内访问和分析各种数据格式的数据,节省数据转换的时间。其访问的原始数据格式包括:Intergraph 的 MGE,Intergraph 的 FRAMME,Intergraph 的 MGSM,Mapinfo,AutoCAD,Oracle,Bentley的 Microstation CAD,ArcView Shape 文件,Arc/Info Coverage 格式。Geomedia 支持多种数据类型连接,能把一系列不同格式的数据集成于一个单一环境,在最大程度上实现与已有的多源数据资源的共享,避免重复建设和浪费。基于 Geomedia 对各种数据源的兼容性,为充分利用已有资源及增加通用性,以 Geomedia 作为软件平台构建电力地理信息系统数据库是明智的选择。因此,在电力GIS 中,空间数据:点、线、面等由 Geo Media 软件管理;属性数据:链表、树、索引等由 SQL SERVER关系数据库软件管理。3 数据库设计方法研究3.1 空间数据库建库流程GIS 系统的数据模型由:设备层、地理层、物理层、拓扑层组成。建立空间数据库指在一定坐标下,以特定的拓扑结构来描述物理位置的确定、相关位置及逻辑关系。配电地理信息系统一般都采用数字化输入过程中的平面坐标系统所提供的相对位置坐标,来定位设备位置;而设备实际的地表经纬度坐标,则作为设备空间属性数据存储于空间数据库中,以备查询。在建立配电网络 GIS4时,用数字化仪将以城市街区地图为背景的配电网络接线图及其供电区域,按一定的拓扑关系输入到计算机中。这种大比例的地图是矢量化的,以点、线、21第 1 期 梁荣显 等:电力地理信息系统数据库设计面来表示供电区域内的地理实体,分别用一定的代码及一对或一系列坐标予以描述。点是不依赖比例尺的独立符号,可表示配电网络中的开关、变压器、杆塔等;线是一组有序点的组合,表示所有线状物体,如道路、围墙、架空线及电缆等;面是封闭的弧线,可表示城市街区、配电系统供电区域等。在 GIS 中的每个点、线、面元素的属性中均包含拓扑连接关系5。数字化生成矢量数据,对图形数据建立拓扑关系,包括弧段-结点拓扑,多边形-弧段拓扑等,通过拓扑关系确定弧段的长度、弧段的方向、连通性、多边形的面积和周长、多边形的邻接性等。在数字化完成后,要对空间属性数据进行正确性检查,并将之与图形数据严格匹配,再把矢量数据逐一进行特征标注和增加属性,无误后正式转入空间数据库。在建立电力地理信息系统数据库时,将配电网络 GIS 各类空间数据,在平面坐标系下进行空间叠加,各类属性数据利用GIS 的拓扑连接关系与空间数据相联系。可采用商业化的建库软件(如基于 INTERGRAPH 公司的图形操作系统 Microstation 支持的MGE 之上二次开发的/GIS 建库之星0)实现地理实体图形数据的数字化和入库作业一体化。GIS 建库的流程设计如图 1所示。图 1 建库流程在建立空间数据库时6,需要建立统一的地理投影系统、地理坐标系统及统一的地理编码系统,才能准确反映各种地理信息和数据的地理位置的地理关系特征。所有地理信息需要有一个空间定位框架,即共同的地理坐标和平面坐标系统。一般的地图投影配置的选择原则为:(1)采用多种国家基本比例尺地图;(2)投影系统应与相应比例尺的国家基本图投影系统一致;(3)一般只考虑至多两种投影系统,分别服务于大比例尺和中小比例尺的数据处理(如在我国除 1:100 万图采用兰勃特投影外,其余均采用高斯)克吕格投影为地理基础)。在电力地理信息系统的使用中,要能够根据不同的地图比例尺按用户的不同要求显示不同详细程度的图形。3.2 分层设计在电力地理信息系统数据库中,处理对象数量大且属性多。无论是电杆、电线,还是变/配电站,都附着不少信息,如电杆就有:高压用户、杆刀、杆变、避雷器、熔丝等设备的名称、编号、地理位置和详细设备台帐等信息。但用户在考察整个地区时,不会也无法同时注意每一个细节,如在处理架空线时,不会同时兼顾电站内部的细节。因此,在处理这些纷繁复杂的属性时,分层次、分步骤 2 7:在设计数据库时,将 GIS 中的空间信息分层存放。如将电杆和电站作为同一层次的对象放在库中,而为电站内部的细节单独建立一张表,需要时才调入进行处理。一幅地图分层输入和存贮,每层存放不同的实体,具有不同的属性。如某区域的配电网络图可由街区、用户、馈线、杆塔、配变及标注六层叠加而成:配电网地理街道背景图层,显示整个配电线路网络所处的地理环境,包括房屋、工矿建筑物、交通设施等。配电中用户分布图层,记录用户位置、用户档案及用电有关数据。配电线路分布图层,记录不同配电线路的走向和相关属性。22 渝州大学学报(自然科学版)第 18 卷 配电线路杆塔分布图层,记录各杆塔分布位置和属性。配电网主设备信息层,记录各设备的技术参数信息,按照配电网设备类型又可细分为不同设备图层,如互感器避雷器分布图层、开关刀闸分布图层、变压器分布图层等。标注层,记录有关地理对象的名称、描述等。在GIS 数据库中,设备和负荷的数据根据其类型存放在不同表中,它的属性有 X、Y坐标,类型,ID 号等。3.3 建立属性数据表和属性关系针对每一个具体的设备,建立属性表。在数据库中,数据的存储单元是表,而表与表之间存在关系,在相互关联的表中即由唯一标识符-编码来维持。地理数据库中的空间和属性数据也是由它来连接。将一定的属性表中的信息分开存储,重新形成几个属性表,由编码作为关键项索引,这样各种信息之间的关系更清晰,存储和相应的操作也更有效。3.4 编码在地理信息系统数据库的构建中,由Geomedia 软件内部数据库管理大量的图形空间数据,在其提供的拓扑结构表的基础上加入代表图形要素的唯一标识)ID 号(即编码)。而点、线、面等地理元素的特性、属性数据、统计数据和与 查询有关的数据,采用外部商业数据库管理软件,使用时通过将编码作为关键字来建立图形与属性的联接。编码 5 6,即是给每一种地理要素分配一个唯一的标识符,以适用于各种比例尺数字地形图的产生和空间信息系统中地理要素的采集、存储、检索、分析等,用以标定某比例尺范围内地理要属的数字信息,从而实现地图信息标准化存储和信息资源共享。编码标准和信息分类采用已经存在的标准。地理要素的命名、含义和符号配置,参考并遵循5中华人民共和国国土基础信息数据分类与代码(GB/TB923-92)6;中国城市地理信息系统、信息分类体系与编码规范等。在建立属性数据库时,针对每种对象制定标准、统一的属性编码规则,可参照电力工业部信息编码标准。如对电力设备(线路)设计编码时,可由方位码、分类码、序列号组合成编码,其中方位码是电力设备(线路)所在道路的代码或所在区域的代码,分类码说明电力设备(线路)的类型,序列号将电力设备(线路)以易于管理的顺序和方式排列。3.5 电力设备编码举例以设备图层中的线路设备的编码与属性表的建立为例,说明电力 GIS 数据库的数据结构、编码与建立属性表的一般原则与方法5。在对设备层建库时,主要有以下几个步骤:(1)设备层图层再次分层。可分为:配电部分图层和线路部分图层。这两个图层根据实际又需要分别再次细分为具体的图层。(2)设备层编码。每一种对象的编码都必须制定各自的编码标准。如制订的线路设备编码标准如下:设备标识码码长:XS+码长 14 位,XS 代表/线路设备0,此编码为实现设备图形与属性之间联系的唯一代码,即 ID号。并可以此编码为索引查找代表设备位置、电气特性的属性编码。属性编码规则,见表 1。23第 1 期 梁荣显 等:电力地理信息系统数据库设计表 1 线路设备编码规则线路设备编码(21 位)线路码设备类型设备序列号15 位2 位4位 属性编码说明:线路码即已按照线路名称编码标准编好的线路名称属性编码。设备类型码即以特定的数字代表特定的设备,如可由 01代表杆塔,02代表配变。将设备以易于管理的顺序和方式组成序列号码。4 小结(1)GIS数据库一般采用混合型体系。图形数据一般由 GIS 软件数据库进行管理;而属性和统计数据的管理,则采用功能较强的商业数据库管理软件。(2)在设计电力 GIS 数据库时,分层次、分步骤处理庞大的属性数据。参考文献:1 卢玉宝,孟京京,李正强.基于 MapInfo 的电力地理信息系统的开发J.电力情报.1998.(2):89-11.2 贺贵明,吴元宝,张晶.电力系统中地理信息系统与管理信息系统结合方式研究J.武汉水利电力大学学报.1998,31(2):81-84.3 王明俊,于而铿,刘广一.配电系统自动化及其发展M.北京:中国电力出版社.1998 1 4 丘家驹,李军.电力地理信息系统J.电力系统自动.1997,21(3):13-16.5 毛锋,程承旗,孙大路 等.地理信息系统建库技术及其应用M,北京:科学出版社,1999.6 朱光,季晓燕,戎兵,地理信息系统基本原理及应用M.北京:测绘出版社,1997 16.7 童国福.配电管理地理信息系统 J.电力系统自动化.1997.21(8):66-67.8 王能斌.数据库系统M.北京:电子工业出版社,1997.9 陈述彭,鲁学军,周成虎1 地理信息系统导论M,北京:科学出版社,2000 1Design of the Pouer GIS DatabaseLIA NG Rong_ yu1,HUXiao_ qian2(1.Optical&Electronic Engineering Collage,Chongqing Univ.,Chongqing 400044,China;2.Dept ofElectrical Engineering,Chongqing Univ.,Chongqing 400044,China)Abstract:Through the introduction and analysis of the power GIS,Geomedia is recommended as thedeveloping platform of power GIS Corresponding to the practical need of setting up GIS database.Adesign is put forward on the basis of the data characteristics of po wer GIS.Key Words:GIS;Geomedia;database责任编辑:杨祖彬24 渝州大学学报(自然科学版)第 18 卷
