CN105320811B - 一种建立城市地下电力管网拓扑连通模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建立城市地下电力管网拓扑连通模型的方法，包括一：电力管网空间数据的采集，拓扑关系模型的空间数据主要来源于地图和文档数据；二：建立城市电力管网拓扑关系模型，建立电力管网基类和要素属性信息基类；三：建立电力管网数据模型，建立描述电力管网、电力管网网段和电力管网结点实体；四：通过几何拓扑关系验算，自动生成电力管网实体和电力管网结点实体，划分拓扑关系类型建立电力管网几何拓扑模型。本发明通过建立电力管网几何拓扑关系模型，对电力管网数据进行有效分析后，建立了电力管网数据模型，并通过这两个模型的有机结合，形成了基于矢量图的城市电力管网拓扑关系模型。同时，本文建立拓扑关系的方法也可推广到其它基于拓扑模型的GIS应用系统应用领域。

Description

一种建立城市地下电力管网拓扑连通模型的方法

技术领域：

本发明涉及一种建立拓扑连通模型的方法，尤其涉及一种建立城市地下电力管网拓扑连通模型的方法。

背景技术：

城市地下电力管网主要呈立体交叉网状分布，在地下构成了一个复杂的空间体系，具有分布集中性和不可见性的特点。拓扑连通模型是建立在电力设施空间数据模型基础之上的，面向电力管网系统各种应用的，表达电力设施之间拓扑连接关系的模型。城市地下电力管网拓扑连通模型以电力设施空间数据模型为基础，以面向对象的方式表达电力设施。电力管网拓扑模型的建立是电力管网分析的前提和基础，合理的拓扑表达可以完整存储电力管网拓扑信息，快速灵活的进行电力管网分析与计算。传统GIS以点、线、面为研究对象，以几何对象之间的空间位置关系作为空间拓扑连通性分析的基础，应用到电力管网接线复杂，电气设备众多的情况，既不能正确表达拓扑关系，同时信息冗余度大，更新周期长。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足而提供一种建立城市地下电力管网拓扑连通模型的方法，本发明将几何拓扑分析和网络拓扑模型有机整合为一体，为用户提供了方便快捷建立拓扑模型的方法；通过该模型有效管理电力管线数据，为GIS应用系统提供了坚实的基础；本发明也可推广到其它基于矢置图拓扑模型的GIS应用系统如城市交通线划、通讯和有线电视网络的管理中去。

本发明的目的可以通过如下措施来达到：一种建立城市地下电力管网拓扑连通模型的方法，其特征在于其包括以下步骤：

步骤一：电力管网空间数据的采集：电力管网空间数据来源于地图和文档数据；

电力管网空间数据具体包括：图形元素、注记和属性信息；

（1）图形元素：指可以抽象的描述现实世界中物体位置的元素，包括数字制图中的点、线、面状要素；

1）点要素：

点要素是有特定的位置，维数为零的物体：包括单位标志（高层建筑、医院、学校、一般单位、政府部门和公安局派出所这些地标性的物体)和管线节点；

2）线要素：

线要素是GIS中常用的维度为1的空间组分，表示对象和它们边界的空间属性，由一系列坐标表示：包括电力管网，地图网格；

3）面状要素：

面状要素也称为多边形，是对湖泊、河流、地块一类现象的描述，通常在数据库中由一封闭曲线加内点来表示，包括建筑物（指在图上有平面形状的建筑物）、小区、水域（江湖河）面和城市区划；

（2）注记：是标在特定位置的文字，用于标明图形元素的名称；

（3）属性信息：属性信息与单个的图形元素相联系，标明该图形元素的主要特性；

以上各项数据中，第（1）项图形元素为空间位置信息，第（2）项注记和第（3）项属性信息为空间属性信息，作为步骤二的数据输入；

步骤二：建立城市电力管网数据基类，城市电力管网数据基类由电力管网基类和电力管网要素属性信息基类构成；

电力管网基类封装了所有空间位置信息的数据以及对这些数据的操作；电力管网要素属性信息基类封装了所有空间属性信息以及对这些属性的操作；

电力管网基类包含点状实体、线状实体、面状实体和特征点四类数据；点状实体由节点和指明节点特征的点标记组成，节点由几何坐标构成，几何坐标由x（经度值）、y（纬度值）和z（高程值）字段构成，点标记由几何坐标和文本信息标注构成；线状实体由弧段和指明线特征的线标记组成，弧段由一系列节点组成，线特征标记由几何坐标和文本信息标注组成；面状实体由多边形和指明面特征的面标记组成，多边形由一系列弧段组成，面特征标记由几何坐标和文本信息标注组成；其中特征点由点标记、线标记和面标记构成，点标记除包括点状实体的文本信息标注外还包括单位标志文本信息标注；线标记除包括线状实体的文本信息标注外还包括地图网格文本信息标注；面标记包括建筑物、小区、水域面和城市区划的文本信息标注；

电力管网要素属性信息基类包括，点状实体属性、线状实体属性、面状实体属性和特征点属性；点状实体属性存储点状实体的主要属性信息，能够准确的描述节点的属性特性；线状实体属性存储线状实体的主要属性信息，能够准确的描述弧段的属性特性；面状实体属性存储面状实体的主要属性信息，能够准确的描述弧段的属性特性；特征点实体属性存储特征点实体的主要属性信息，能够准确的描述特征点实体的特性；电力管网要素属性信息基类所包含的属性如下表：

表4电力管网要素属性信息基类所包含的属性表

步骤三：建立电力管网数据模型，在步骤二中的建立的电力管网数据基类的基础上进行扩充，建立描述电力管网、电力管网网段和电力管网结点实体的数据类，其中：

所述步骤三中建立电力管网数据模型的方法：地理实体是描述地理地物的最小单位，地理实体包括电力管网、电力管网网段和电力管网结点三类地理实体，ArcGIS产品线为用户提供一个可伸缩的，全面的GIS平台，地理数据库（Geodatabase）是 ArcGIS 的原生数据结构，并且是用于编辑和数据管理的主要数据格式，是一套获取和管理GIS数据的全面的应用逻辑和工具，为了描述这三类地理实体，利用ArcGIS中提供的地理数据库(GeoDatabase)和网络数据集(Network datasets)以及Polyline、MapPoint、Polygon三种类型的数据类型，在电力管网数据基类的基础上建立描述电力管网、电力管网网段和电力管网结点地理实体的几何信息类库，以此类表达地理实体类，这些地理实体类就具备了这些实体类为我们提供的各种实体显示、编辑功能；

ArcGIS中提供的地理数据库(GeoDatabase)定制要素各自的行为和方法，以及要素之间的确认规则、连接规则和空间关系，并且生成集合网络，当要素移动时，边与边的连接关系能够被维护，相关的几何坐标自动地修改；网络数据集由Junction和Edge组成，Edge是织成网络的各种相互连接的线要素，Junction是Edge的终止点要素，Edge总在Junction处相交， Edge和Junction共同标示电力管网；

建立步骤：

1.在ArcGIS中新建GeoDatabase数据集，命名为Underground Electric Network；

2.在Underground Electric Network中新建FeatureDatasetes要素集，命名为UEN；

3.在UEN中新建MapPoint要素，命名为ElectricCablePoint，此要素表示电力管网结点；新建Polyline要素，命名为ElectricCableLine，此要素表示电力管网网段；新建Polygon要素，命名为ElectricCablePolygon，此要素表示面状要素；

4.根据ElectricCableLine新建Network Dataset网络数据集，生成时命名为UEN，生成后生成两个要素文件UEN_ND和UEN_ND_junctions，其中UEN_ND为Polyline要素，UEN_ND_junctions为MapPoint要素；

5.对ElectricCablePoint和ElectricCableLine进行属性扩充，具体扩充内容如下表；

电力管网段数据和电力管网节点数据既是空间数据，又是网络数据的重要组成部分，是最为核心的数据，电力管网段数据扩展后的属性表见表1和电力管网节点数据扩展后的属性表见表2；

步骤四：建立电力管网几何拓扑模型，通过对上一步骤中的电力管网数据模型进行几何拓扑关系验算，自动生成电力管网，划分拓扑关系类型建立电力管网几何拓扑模型；

所述步骤四的具体步骤为：

本发明采用网络拓扑模型中的POLYVRT模型（POLYgon conVeRTor--多边形转换器）作为城市电力管网拓扑关系模型的模型基础，POLYVRT模型是一种以弧段（有序的坐标集合，用于表示在给定的比例尺上窄到无法表示为面的地理要素）为基础的拓扑数据模型，在POLYVRT模型中，弧段是由任意多个点构成，每个弧段是通过建立了一个连续走向点的目录表来生成的，弧段具有特定的属性信息，弧段由多个点状实体来描述；管线是由任意多个弧段构成，每条管线是通过建立一个连续走向弧段的目录表来生成的，管线具有特定的属性信息，管线由多个弧段实体来描述；这种结构不仅存储了图形元素的几何信息，而且还存储了图形元素之间的拓扑关系；本发明在拓扑关系的描述上，只描述线状实体和点状实体的拓扑关系，得到简化的POLYVRT模型，用该模型表示电力管网拓扑关系模型；

为了方便地建立电网管线间的几何拓扑关系，将电网管网分成点与点之间、点与线之间和线与线之间三种拓扑关系类型（参见表3），根据每种类型制定相应的处理规则；

（4-1）建立电网管线段中心线：以电力管网中心线的方式表示现实中的电力管网，采用抽行扫描的方法提取出电网管线段中心线的特征点，并进行直线拟合，确定以管线的方向偏差、位置偏差和方向偏差的变化率为中心线提取的参数，该识别方法具有较高的准确度和实时性；

具体步骤如下：

1.合并图层：选中ElectricCableLine中的所有要素，点击编辑器工具里的合并工具，按照第一个图层，点击确认；

2.打断线文件：对步骤1中合并后的ElectricCableLine文件，选择任意一条管线的一端，用打断工具打断ElectricCableLine，将打断后图中的合并段中的线选中，点击编辑器工具里的合并工具进行合并；

3.选中步骤2中合并的线，选择ArcToolBox中的制图工具下的制图综合中的提取中心线工具，输入要素选择ElectricCableLine，输出要素选择电脑相应的输出位置和文件名ElectricCableLineCenter，最大宽度设置为比数据中最宽的管道宽度大1米，最小宽度设置为0.1米，点击确认生成中心线；

（4-2）电网管线结点的合并，将一定容差内的点进行合并，以保证结点位置的唯一性；

节点合并的步骤如下：

1.打开将上一步骤中建立的中心线文件ElectricCableLineCenter，选中ElectricCableLineCenter中的所有要素；

2.点击高级工具中的概化工具，在弹出的对话框中填写最大允许偏移量（默认为与当前地图相同的单位，不可以在数值后填写单位），填写数字2；该值限制处理后的结果图与原图最大的偏移量；

3.点击确定按钮完成节点的合并；

（4-3）电网管线段几何拓扑验算：在判断两条电网管线段位置关系时提供一个“容许误差”参数，如果两个实体的交叉程度在某一规则限定的误差内则不认为它们的位置关系为交叉，反之则它们的位置关系为交叉；

步骤如下：

1.对上一步骤中的ElectricCableLineCenter要素新建拓扑；

2.添加规则，要素类的要素选择ElectricCableLineCenter，规则选择选择不能自相交，点击确认；

3. 打开生成的拓扑结果，结果中标识的错误情况进行修改，修改完成后保存文件；

（4-4）电网管线段与电网管线节点几何拓扑验算：在判断电网管线节点与电网管线段位置关系时提供一个“容许误差”参数，如果两个实体的覆盖程度在某一规则限定的误差内则认为它们的位置关系为覆盖，反之则它们的位置关系为非覆盖，针对非覆盖的情况需要调整节点或者线段的位置，使电网管线段覆盖所有电网管线节点；

1.在上一步新建的拓扑中添加规则，要素类的要素选择ElectricCableLineCenter，规则选择端点必须被其他要素覆盖，要素类选择ElectricCablePoint，点击确认；

2.打开生成的拓扑结果，结果中标识的错误情况进行修改，修改完成后保存文件；

所述步骤四中通过建立电力管网中心线，并对电力管网段和节点进行几何拓扑关系验算，建立起电力管网几何拓扑模型。

本发明同已有技术相比可产生如下积极效果：本发明通过对源图形中的矢量元素进行提取、转换，并添加属性信息，使之成为GIS地理实体，其不仅具有空间位置、形状、大小等空间特征和非空间特征即属性信息，而且不同的实体间还存在邻接、关联和包含等空间相互关系特征即拓扑关系。通过建立城市地下管网几何拓扑关系模型，对城市地下管网数据进行有效分析后，建立城市地下管网数据模型。并通过这两个模型的有机结合，形成基于矢量图的城市地下电力管线拓扑关系模型。其具有以下优点：

1、本发明提出了电力管线拓扑关系数据模型，该模型将几何拓扑分析和网络拓扑模型有机整合为一体，为用户提供了方便快捷建立拓扑模型的方法。本发明的应用，将有利于准确的掌握地下管线的分布运行情况，提高对地下电力管线的综合管理水平，也将极大地提高数据维护和管理效率，从而带来可观的经济效益。

2、本发明利用先进的GIS技术以及GIS平台和行业扩展模块构建电力管线拓扑关系数据模型，以取代传统的CAD图纸、文档资料管理和手工作业方式，通过该模型有效管理电力管线数据，实现对地下电力管线的规范化、信息化、科学化管理，进一步提高地下电力管线的信息化管理水平，为地下电力管线的GIS应用系统提供坚实的基础。

3、本发明建立的电力管线拓扑关系数据模型，应用先进的计算机技术、图形、自动化技术手段对电力地下管线通道资源进行智能化管理，使地下通道的规划和建设合理化，管线资源的使用管理规范化，可以更好的为地下电网规划服务。同时本发明建立的拓扑关系的方法也可推广到其它基于矢量图拓扑模型的GIS应用系统如城市交通线划、通讯和有线电视网络的管理中去。

4、本发明所提出的建模方法具有描述能力强、模型直观简单、动态性好以及适应性强的优点，在此建模方法的基础上设计与开发实用性好、可靠性高和处理不确定性能力强的动态工作流管理系统将具有非常广泛的应用前景。

附图说明：

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的电力管网基类图；

图3为本发明的电力管网要素属性信息基类关系图；

图4为本发明的电力管网数据模型图；

图5为本发明的ArcGIS中的数据关系；

图6为本发明的ArcGIS数据组织图；

图7为本发明的中心线提取示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明：

实施例：一种建立城市地下电力管网拓扑连通模型的方法（参见图1），其包括以下步骤：

步骤一：电力管网空间数据的采集：电力管网空间数据来源于地图和文档数据；

电力管网空间数据具体包括：图形元素、注记和属性信息；

（1）图形元素：指可以抽象的描述现实世界中物体位置的元素，包括数字制图中的点、线、面状要素。

1）点要素：

点要素是有特定的位置，维数为零的物体：包括单位标志（高层建筑、医院、学校、一般单位、政府部门和公安局派出所这些地标性的物体)和管线节点。

2）线要素：

线要素是GIS中常用的维度为1的空间组分，表示对象和它们边界的空间属性，由一系列坐标表示：包括电力管网，地图网格。

3）面状要素：

面状要素也称为多边形，是对湖泊、河流、地块一类现象的描述，通常在数据库中由一封闭曲线加内点来表示，包括建筑物（指在图上有平面形状的建筑物）、小区、水域（江湖河）面和城市区划。

（2）注记：是标在特定位置的文字，用于标明图形元素的名称。

（3）属性信息：属性信息与单个的图形元素相联系，标明该图形元素的主要特性。

以上各项数据中，第（1）项图形元素为空间位置信息，第（2）项注记和第（3）项属性信息为空间属性信息，作为步骤二的数据输入。

步骤二：建立城市电力管网数据基类，城市电力管网数据基类由电力管网基类和电力管网要素属性信息基类构成；

电力管网基类，这个类里封装了所有空间位置信息的数据以及对这些数据的操作；电力管网要素属性信息基类，这个类里封装了所有空间属性信息以及对这些属性的操作。

电力管网基类包含点状实体、线状实体、面状实体和特征点四类数据（参见图2）。点状实体由节点和指明节点特征的点标记组成，节点由几何坐标构成，几何坐标由x（经度值）、y（纬度值）和z（高程值）字段构成，点标记由几何坐标和文本信息标注构成；线状实体由弧段和指明线特征的线标记（线特征标记）组成，弧段由一系列节点组成，线特征标记由几何坐标和文本信息标注组成；面状实体由多边形和指明面特征的面标记（面特征标记）组成，多边形由一系列弧段组成，面特征标记由几何坐标和文本信息标注组成。其中特征点由点标记、线标记和面标记构成，点标记除包括点状实体的文本信息标注外还包括单位标志文本信息标注；线标记除包括线状实体的文本信息标注外还包括地图网格文本信息标注；面标记包括建筑物、小区、水域面和城市区划的文本信息标注。

电力管网要素属性信息基类包括，点状实体属性、线状实体属性、面状实体属性和特征点属性（参见图3）。点状实体属性存储点状实体的主要属性信息，能够准确的描述节点的属性特性；线状实体属性存储线状实体的主要属性信息，能够准确的描述弧段的属性特性；面状实体属性存储面状实体的主要属性信息，能够准确的描述弧段的属性特性；特征点实体属性存储特征点实体的主要属性信息，能够准确的描述特征点实体的特性。电力管网要素属性信息基类所包含的属性如下表：

表4电力管网要素属性信息基类所包含的属性表

步骤三：建立电力管网数据模型（参见图4），在步骤二中的建立的电力管网数据基类的基础上进行扩充，建立描述电力管网、电力管网网段和电力管网结点实体的数据类，其中：

所述步骤三中建立电力管网数据模型的方法：地理实体是描述地理地物的最小单位，本发明中描述的地理实体包括电力管网、电力管网网段和电力管网结点三类地理实体，ArcGIS产品线为用户提供一个可伸缩的，全面的GIS平台，地理数据库（Geodatabase）是ArcGIS 的原生数据结构，并且是用于编辑和数据管理的主要数据格式，是一套获取和管理GIS数据的全面的应用逻辑和工具，为了描述这三类地理实体，利用ArcGIS中提供的地理数据库(GeoDatabase)和网络数据集(Network datasets)以及Polyline、MapPoint、Polygon三种类型的数据类型，ArcGIS中的数据关系见图5，在电力管网数据基类的基础上建立描述电力管网、电力管网网段和电力管网结点地理实体的几何信息类库，以此类表达地理实体类，这些地理实体类就具备了这些实体类为我们提供的各种实体显示、编辑功能。

ArcGIS中提供的地理数据库(GeoDatabase)定制要素各自的行为和方法，以及要素之间的确认规则、连接规则和空间关系，并且生成集合网络，当要素移动时，边与边的连接关系能够被维护，相关的几何坐标自动地修改。网络数据集由Junction和Edge组成，Edge是织成网络的各种相互连接的线要素，Junction是Edge的终止点要素，Edge总在Junction处相交，在本发明中，Edge和Junction共同标示电力管网。

建立步骤：

1.在ArcGIS中新建GeoDatabase数据集，命名为Underground Electric Network；

2.在Underground Electric Network中新建FeatureDatasetes要素集，命名为UEN；

3.在UEN中新建MapPoint要素，命名为ElectricCablePoint，此要素表示电力管网结点；新建Polyline要素，命名为ElectricCableLine，此要素表示电力管网网段；新建Polygon要素，命名为ElectricCablePolygon，此要素表示面状要素。

4.根据ElectricCableLine新建Network Dataset网络数据集，生成时命名为UEN，生成后生成两个要素文件UEN_ND和UEN_ND_junctions，其中UEN_ND为Polyline要素，UEN_ND_junctions为MapPoint要素。

5.对ElectricCablePoint和ElectricCableLine进行属性扩充，具体扩充内容如下表。建立后的ArcGIS数据组织图见图6。

电力管网段数据和电力管网节点数据既是空间数据，又是网络数据的重要组成部分，是最为核心的数据，电力管网段数据扩展后的属性表见表1和电力管网节点数据扩展后的属性表见表2。

步骤四：建立电力管网几何拓扑模型，通过对上一步骤中的电力管网数据模型进行几何拓扑关系验算，自动生成电力管网，划分拓扑关系类型建立电力管网几何拓扑模型。

所述步骤四的具体步骤为：

本发明采用网络拓扑模型中的POLYVRT模型（POLYgon conVeRTor--多边形转换器）作为城市电力管网拓扑关系模型的模型基础，POLYVRT模型是一种以弧段（有序的坐标集合，用于表示在给定的比例尺上窄到无法表示为面的地理要素）为基础的拓扑数据模型，在POLYVRT模型中，弧段是由任意多个点构成，每个弧段是通过建立了一个连续走向点的目录表来生成的，弧段具有特定的属性信息，弧段由多个点状实体来描述；管线是由任意多个弧段构成，每条管线是通过建立一个连续走向弧段的目录表来生成的，管线具有特定的属性信息，管线由多个弧段实体来描述。这种结构不仅存储了图形元素的几何信息，而且还存储了图形元素之间的拓扑关系。本发明在拓扑关系的描述上，只描述线状实体和点状实体的拓扑关系，得到简化的POLYVRT模型，用该模型表示电力管网拓扑关系模型。

为了方便地建立电网管线间的几何拓扑关系，将电网管网分成点与点之间、点与线之间和线与线之间三种拓扑关系类型（参见表3），根据每种类型制定相应的处理规则。

（4-1）建立电网管线段中心线：以电力管网中心线的方式表示现实中的电力管网，采用抽行扫描的方法提取出电网管线段中心线的特征点，并进行直线拟合，确定以管线的方向偏差、位置偏差和方向偏差的变化率为中心线提取的参数，该识别方法具有较高的准确度和实时性。

具体步骤如下：

1.合并图层：选中ElectricCableLine中的所有要素，点击编辑器工具里的合并工具，按照第一个图层，点击确认。

2.打断线文件：对步骤1中合并后的ElectricCableLine文件，选择任意一条管线的一端，用打断工具打断ElectricCableLine。如图7中心线提取示意图中将ElectricCableLine在断开点1和断开点2处进行打断，将打断后图中的合并段中的线选中，点击编辑器工具里的合并工具进行合并。

3.选中步骤2中合并的线，选择ArcToolBox中的制图工具下的制图综合中的提取中心线工具，输入要素选择ElectricCableLine，输出要素选择电脑相应的输出位置和文件名ElectricCableLineCenter，最大宽度设置为比数据中最宽的管道宽度大1米，最小宽度设置为0.1米，点击确认生成中心线。

（4-2）电网管线结点的合并，将一定容差内的点进行合并，以保证结点位置的唯一性；

节点合并的步骤如下：

1.打开将上一步骤中建立的中心线文件ElectricCableLineCenter，选中ElectricCableLineCenter中的所有要素。

2.点击高级工具中的概化工具，在弹出的对话框中填写最大允许偏移量（默认为与当前地图相同的单位，不可以在数值后填写单位），填写数字2。该值限制处理后的结果图与原图最大的偏移量。

3.点击确定按钮完成节点的合并。

（4-3）电网管线段几何拓扑验算：在判断两条电网管线段位置关系时提供一个“容许误差”参数，如果两个实体的交叉程度在某一规则限定的误差内则不认为它们的位置关系为交叉，反之则它们的位置关系为交叉。

步骤如下：

1.对上一步骤中的ElectricCableLineCenter要素新建拓扑。

2.添加规则，要素类的要素选择ElectricCableLineCenter，规则选择选择不能自相交，点击确认。

3. 打开生成的拓扑结果，结果中标识的错误情况进行修改，修改完成后保存文件。

（4-4）电网管线段与电网管线节点几何拓扑验算：在判断电网管线节点与电网管线段位置关系时提供一个“容许误差”参数，如果两个实体的覆盖程度在某一规则限定的误差内则认为它们的位置关系为覆盖，反之则它们的位置关系为非覆盖，针对非覆盖的情况需要调整节点或者线段的位置，使电网管线段覆盖所有电网管线节点。

1.在上一步新建的拓扑中添加规则，要素类的要素选择ElectricCableLineCenter，规则选择端点必须被其他要素覆盖，要素类选择ElectricCablePoint，点击确认。

2.打开生成的拓扑结果，结果中标识的错误情况进行修改，修改完成后保存文件。

所述步骤四中通过建立电力管网中心线，并对电力管网段和节点进行几何拓扑关系验算，建立起电力管网几何拓扑模型。

本发明从目前电力管线现状出发，城市地下电力管网的连通性分析模块是建立在电力设施空间数据模型基础之上的，面向电力系统各种应用的，表达电力设施之间拓扑连接关系的模型。连通性分析模块的建立是电网分析的前提和基础，合理的拓扑表达可以完整存储电网拓扑信息，快速灵活的进行电网拓扑连通性分析与计算。

Claims (1)

1.一种建立城市地下电力管网拓扑连通模型的方法，其特征在于其包括以下步骤：

步骤一：电力管网空间数据的采集：电力管网空间数据来源于地图和文档数据；

电力管网空间数据具体包括：图形元素、注记和属性信息；

（1）图形元素：指可以抽象的描述现实世界中物体位置的元素，包括数字制图中的点、线、面状要素；

1）点要素：

点要素是有特定的位置，维数为零的物体：包括高层建筑、医院、学校、一般单位、政府部门和公安局派出所这些地标性的物体和管线节点；

2）线要素：

线要素是GIS中常用的维度为1的空间组分，表示对象和它们边界的空间属性，由一系列坐标表示：包括电力管网，地图网格；

3）面状要素：

面状要素也称为多边形，是对湖泊、河流、地块一类现象的描述，通常在数据库中由一封闭曲线加内点来表示，包括建筑物、小区、水域面和城市区划；

（2）注记：是标在特定位置的文字，用于标明图形元素的名称；

（3）属性信息：属性信息与单个的图形元素相联系，标明该图形元素的主要特性；

以上各项数据中，第（1）项图形元素为空间位置信息，第（2）项注记和第（3）项属性信息为空间属性信息，作为步骤二的数据输入；

步骤二：建立城市电力管网数据基类，城市电力管网数据基类由电力管网基类和电力管网要素属性信息基类构成；

电力管网基类封装了所有空间位置信息的数据以及对这些数据的操作；电力管网要素属性信息基类封装了所有空间属性信息以及对这些属性的操作；

电力管网基类包含点状实体、线状实体、面状实体和特征点四类数据；点状实体由节点和指明节点特征的点标记组成，节点由几何坐标构成，几何坐标由经度值x、纬度值y和高程值z字段构成，点标记由几何坐标和文本信息标注构成；线状实体由弧段和指明线特征的线标记组成，弧段由一系列节点组成，线特征标记由几何坐标和文本信息标注组成；面状实体由多边形和指明面特征的面标记组成，多边形由一系列弧段组成，面特征标记由几何坐标和文本信息标注组成；其中特征点由点标记、线标记和面标记构成，点标记除包括点状实体的文本信息标注外还包括单位标志文本信息标注；线标记除包括线状实体的文本信息标注外还包括地图网格文本信息标注；面标记包括建筑物、小区、水域面和城市区划的文本信息标注；

电力管网要素属性信息基类包括，点状实体属性、线状实体属性、面状实体属性和特征点属性；点状实体属性存储点状实体的主要属性信息，能够准确的描述节点的属性特性；线状实体属性存储线状实体的主要属性信息，能够准确的描述弧段的属性特性；面状实体属性存储面状实体的主要属性信息，能够准确的描述弧段的属性特性；特征点实体属性存储特征点实体的主要属性信息，能够准确的描述特征点实体的特性；电力管网要素属性信息基类所包含的属性如下表：

表4电力管网要素属性信息基类所包含的属性表

步骤三：建立电力管网数据模型，在步骤二中的建立的电力管网数据基类的基础上进行扩充，建立描述电力管网、电力管网网段和电力管网结点实体的数据类，其中：

所述步骤三中建立电力管网数据模型的方法：地理实体是描述地理地物的最小单位，地理实体包括电力管网、电力管网网段和电力管网结点三类地理实体，ArcGIS产品线为用户提供一个可伸缩的，全面的GIS平台，地理数据库（Geodatabase）是 ArcGIS 的原生数据结构，并且是用于编辑和数据管理的主要数据格式，是一套获取和管理GIS数据的全面的应用逻辑和工具，为了描述这三类地理实体，利用ArcGIS中提供的地理数据库(GeoDatabase)和网络数据集(Network datasets)以及Polyline、MapPoint、Polygon三种类型的数据类型，在电力管网数据基类的基础上建立描述电力管网、电力管网网段和电力管网结点地理实体的几何信息类库，以此类表达地理实体类，这些地理实体类就具备了这些实体类为我们提供的各种实体显示、编辑功能；

ArcGIS中提供的地理数据库(GeoDatabase)定制要素各自的行为和方法，以及要素之间的确认规则、连接规则和空间关系，并且生成集合网络，当要素移动时，边与边的连接关系能够被维护，相关的几何坐标自动地修改；网络数据集由Junction和Edge组成，Edge是织成网络的各种相互连接的线要素，Junction是Edge的终止点要素，Edge总在Junction处相交， Edge和Junction共同标示电力管网；

建立步骤：

1.在ArcGIS中新建GeoDatabase数据集，命名为Underground Electric Network；

2.在Underground Electric Network中新建FeatureDatasetes要素集，命名为UEN；

3.在UEN中新建MapPoint要素，命名为ElectricCablePoint，此要素表示电力管网结点；新建Polyline要素，命名为ElectricCableLine，此要素表示电力管网网段；新建Polygon要素，命名为ElectricCablePolygon，此要素表示面状要素；

4.根据ElectricCableLine新建Network Dataset网络数据集，生成时命名为UEN，生成后生成两个要素文件UEN_ND和UEN_ND_junctions，其中UEN_ND为Polyline要素，UEN_ND_junctions为MapPoint要素；

5.对ElectricCablePoint和ElectricCableLine进行属性扩充，具体扩充内容如下表；

电力管网段数据和电力管网节点数据既是空间数据，又是网络数据的重要组成部分，是最为核心的数据，电力管网段数据扩展后的属性表见表1和电力管网节点数据扩展后的属性表见表2；

步骤四：建立电力管网几何拓扑模型，通过对上一步骤中的电力管网数据模型进行几何拓扑关系验算，自动生成电力管网，划分拓扑关系类型建立电力管网几何拓扑模型；

所述步骤四的具体步骤为：

采用网络拓扑模型中的POLYVRT模型作为城市电力管网拓扑关系模型的模型基础，POLYVRT模型是一种以弧段为基础的拓扑数据模型，在POLYVRT模型中，弧段是由任意多个点构成，每个弧段是通过建立了一个连续走向点的目录表来生成的，弧段具有特定的属性信息，弧段由多个点状实体来描述；管线是由任意多个弧段构成，每条管线是通过建立一个连续走向弧段的目录表来生成的，管线具有特定的属性信息，管线由多个弧段实体来描述；这种结构不仅存储了图形元素的几何信息，而且还存储了图形元素之间的拓扑关系；在拓扑关系的描述上，只描述线状实体和点状实体的拓扑关系，得到简化的POLYVRT模型，用该模型表示电力管网拓扑关系模型；

为了方便地建立电网管线间的几何拓扑关系，将电网管网按表3分成点与点之间、点与线之间和线与线之间三种拓扑关系类型，根据每种类型制定相应的处理规则；

（4-1）建立电网管线段中心线：以电力管网中心线的方式表示现实中的电力管网，采用抽行扫描的方法提取出电网管线段中心线的特征点，并进行直线拟合，确定以管线的方向偏差、位置偏差和方向偏差的变化率为中心线提取的参数，具体步骤如下：

1.合并图层：选中ElectricCableLine中的所有要素，点击编辑器工具里的合并工具，按照第一个图层，点击确认；

2.打断线文件：对步骤1中合并后的ElectricCableLine文件，选择任意一条管线的一端，用打断工具打断ElectricCableLine，将打断后图中的合并段中的线选中，点击编辑器工具里的合并工具进行合并；

3.选中步骤2中合并的线，选择ArcToolBox中的制图工具下的制图综合中的提取中心线工具，输入要素选择ElectricCableLine，输出要素选择电脑相应的输出位置和文件名ElectricCableLineCenter，最大宽度设置为比数据中最宽的管道宽度大1米，最小宽度设置为0.1米，点击确认生成中心线；

（4-2）电网管线结点的合并，将一定容差内的点进行合并，以保证结点位置的唯一性；

节点合并的步骤如下：

1.打开将上一步骤中建立的中心线文件ElectricCableLineCenter，选中ElectricCableLineCenter中的所有要素；

2.点击高级工具中的概化工具，在弹出的对话框中填写最大允许偏移量，填写数字2；该值限制处理后的结果图与原图最大的偏移量；

3.点击确定按钮完成节点的合并；

（4-3）电网管线段几何拓扑验算：在判断两条电网管线段位置关系时提供一个“容许误差”参数，如果两个实体的交叉程度在某一规则限定的误差内则不认为它们的位置关系为交叉，反之则它们的位置关系为交叉；

步骤如下：

1.对上一步骤中的ElectricCableLineCenter要素新建拓扑；

2.添加规则，要素类的要素选择ElectricCableLineCenter，规则选择选择不能自相交，点击确认；

打开生成的拓扑结果，结果中标识的错误情况进行修改，修改完成后保存文件；

（4-4）电网管线段与电网管线节点几何拓扑验算：在判断电网管线节点与电网管线段位置关系时提供一个“容许误差”参数，如果两个实体的覆盖程度在某一规则限定的误差内则认为它们的位置关系为覆盖，反之则它们的位置关系为非覆盖，针对非覆盖的情况需要调整节点或者线段的位置，使电网管线段覆盖所有电网管线节点；

1.在上一步新建的拓扑中添加规则，要素类的要素选择ElectricCableLineCenter，规则选择端点必须被其他要素覆盖，要素类选择ElectricCablePoint，点击确认；

2.打开生成的拓扑结果，结果中标识的错误情况进行修改，修改完成后保存文件；

所述步骤四中通过建立电力管网中心线，并对电力管网段和节点进行几何拓扑关系验算，建立起电力管网几何拓扑模型。