CN106845501A - 一种针对输变电工程环境敏感区域识别的缓冲区分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对输变电工程环境敏感区域识别的缓冲区分析方法，通过读取输变电工程对应的地理信息，根据给定的空间实体，确定生成的缓冲区形状；利用矢量算法，进行直线性判断、折点凹凸性判断，并嵌入圆弧，生成缓冲区，划分缓冲区边界的自相交边界；对生成的缓冲区进行多边形裁剪，对空间数据的区域重新划分，将区域内的不同的数据模型进行空间叠加，根据叠加结果，确定环境敏感区。本发明利用矢量方法生成缓冲区，能够保证精度，进行缓冲区生成时能最大限度地保证平行曲线的等宽性，排除了众多的异常情况。

Description

一种针对输变电工程环境敏感区域识别的缓冲区分析方法

技术领域

本发明涉及一种针对输变电工程环境敏感区域识别的缓冲区分析方法。

背景技术

输变电工程环境敏感区的自动识别主要是基于地理信息系统的空间分析功能。所谓空间分析，在水污染监测、城市规划与管理、地震灾害和损失估计、洪水灾害分析、矿产资源评价、道路交通管理、地形地貌分析和军事领域等领域都有广泛应用。例如，在区域环境质量现状评价工作中，可将地理信息与大气、土壤、水、噪声等环境要素的监测数据结合在一起，利用GIS软件的空间分析模块，对整个区域的环境质量现状进行客观和全面的评价，以反映出区域受污染的程度以及空间分布情况。

为了实现环境敏感区的自动识别功能，就必须对空间分析中缓冲区分析和叠加分析两个重要的方面进行分析。而目前，并没有针对于环境敏感区的缓冲区分析的较为良好的方法。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种针对输变电工程环境敏感区域识别的缓冲区分析方法，本方法利用矢量算法生成不同缓冲区，结合地理信息系统的叠加分析，能够有助于输变电工程环境敏感区的自动识别。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种针对输变电工程环境敏感区域识别的缓冲区分析方法，包括以下步骤：

(1)读取输变电工程对应的地理信息，根据给定的空间实体，确定生成的缓冲区形状；

(2)利用矢量算法，进行直线性判断、折点凹凸性判断，并嵌入圆弧，生成缓冲区，划分缓冲区边界的自相交边界；

(3)对生成的缓冲区进行多边形裁剪，对空间数据的区域重新划分，将区域内的不同的数据模型进行空间叠加，根据叠加结果，确定环境敏感区。

在给定空间实体周围建立缓冲半径距离的缓冲区多边形，以确定这些物体对周围环境的影响范围或服务范围即邻近度。

所述步骤(1)中，对不同类型的目标实体，所产生的缓冲区也不同，点的缓冲区为以点为圆心，一定距离为半径的圆；线的缓冲区是以线为中心轴线，距中心轴线一定距离的平行条带多边形；面缓冲区是由面的边界多边形向外或向内扩展一定距离所生成的新的多边形。

所述步骤(2)中，生成缓冲区的方法可以替换为栅格法，将点、线和面矢量数据转化为栅格数据，进行像元加粗，然后作边缘提取，以生成缓冲区。

所述步骤(2)中，利用角平分线算法生成缓冲区，以线目标为轴线，并分别在其两侧作距轴线一定距离，即设定的缓冲半径的平行线来生成缓冲区边界，在轴线首末点处，作轴线的垂线并按缓冲区半径截出左右边界的起迄点，在轴线的其它各个拐点上，用与该点所关联的前后两邻边距轴线的偏移量为缓冲区半径的两平行线的交点来生成两平行边界的对应顶点。

所述步骤(2)中，利用凸角圆弧算法生成缓冲区，在轴线首末点处，作轴线的垂线并按缓冲区半径截出左右边界的起迄点；在轴线的其它各个拐点上，首先判断该点的凹凸特性，在凸侧用圆弧弥合，而在凹侧用与该点所关联的前后两邻边距轴线的偏移量为缓冲区半径的两平行线的交点来生成对应顶点。

所述步骤(2)中，将轴线顶点处的凹凸特性的判断转化为两个矢量的叉积，即把相邻两个线段看成两个矢量，中间点为所需判定凹凸的顶点，其方向取为坐标点顺序方向，若前一个矢量以最小的角度扫向第二个矢量时呈逆时针，则为凸顶点，反之，为凹顶点。

所述步骤(2)中，利用圆弧弥合时，圆弧上布点的多少，取取决于计算步长，而步长由表示缓冲区的正N边形的边数决定。

所述步骤(2)中，取缓冲区的曲线坐标串的方向为曲线前进方向，当缓冲区边界的生成轴线被取定方向后，其两侧的平行曲线根据轴线获得其左右属性，根据边界与轴线的关系，为各条边界的两侧赋以内侧与外侧属性，朝向轴线的一侧取为内侧，背向轴线的一侧取为外侧。

所述步骤(2)中，当轴线的弯曲空间不能容许缓冲区边界通过时，产生边界的自相交问题，形成若干个自相交多边形，自相交多边形分为岛屿多边形与重叠区多边形两种类型，当轴线方向为顺时针方向时，对于左边界，岛屿多边形呈逆时针方向，重叠多边形呈顺时针方向；对于右边界，岛屿多边形呈顺时针方向，重叠区多边形呈逆时针方向；岛屿多边形是缓冲区边界的有效组成部分，而重叠多边形不是缓冲区边界的有效组成部分，不参与缓冲区有效边界的最终重构。

所述步骤(3)中，叠加分析是将同一地区、同一比例尺的两组或更多的专题图层进行叠加，建立具有多重地理属性的空间分布区域，进行叠加产生一个新的数据层的操作，其结果综合原来两层或多层地图要素所具有的属性。

本发明的有益效果为：

(1)本发明能够准确生成缓冲区，为输变电工程环境敏感区域识别提供最基础的图层方案；

(2)本发明利用矢量方法生成缓冲区，能够保证精度，进行缓冲区生成时能最大限度地保证平行曲线的等宽性，排除了众多的异常情况；

(3)本发明利用左、右侧缓冲区边界的生成与自相交问题处理，能够有效的消除以水源地保护区为代表的敏感区的识别和建立问题，为实现环境敏感区的识别提供了最重要的基础。

附图说明

图1(a)为本发明的点的缓冲区生成结果示意图；

图1(b)为本发明的线的缓冲区生成结果示意图；

图1(c)为本发明的面的缓冲区生成结果示意图；

图2为本发明的角平分线算法的缓冲区生成示意图；

图3为本发明的凸角圆弧算法生成缓冲区时的双线宽度处理示意图；

图4为本发明的缓冲区边界自相交多边形示意图；

图5为本发明的单条线的缓冲区生成过程示意图；

图6为本发明的多条线的缓冲区生成过程示意图；

图7为本发明的多边形的裁剪示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

为了实现环境敏感区的自动识别功能，就必须对空间分析中缓冲区分析和叠加分析两个重要的方面进行分析。缓冲区分析是指为了识别某地理实体或空间物体对其周围的邻近性或影响度而在其周围建立的一定宽度的带状区。叠加分析是将两层或多层地图要素进行叠加产生一个新要素层的操作，其结果是将原来要素分割生成新的要素，新要素综合了原来两层或多层要素所具有的属性。

缓冲区分析是地理信息系统重要和基本的空间操作功能之一。它是在给定空间实体(集合)周围建立一定距离(缓冲半径)的带状区(缓冲区多边形)，以确定这些物体对周围环境的影响范围或服务范围(邻近度问题)。

对不同类型的目标实体，所产生的缓冲区也不同。如图1所示，点的缓冲区通常是以点为圆心，一定距离为半径的圆，见图1(a)；线的缓冲区通常是以线为中心轴线，距中心轴线一定距离的平行条带多边形，见图1(b)；面缓冲区是由面的边界多边形向外或向内扩展一定距离所生成的新的多边形，见图1(c)。其中线目标的缓冲区的生成是关键和基础。

生成缓冲区可以采用栅格和矢量两种方法。栅格方法又叫点阵法，它将点、线和面矢量数据转化为栅格数据，进行像元加粗，然后作边缘提取，这种操作在原理上较简单，容易实现，但受精度的限制。并且内存开销大，所能处理的数据量受到机器硬件设备的限制。而矢量方法原理复杂，不易实现，但在机器精度范围内不降低原始精度。在缓冲区生成的矢量算法中，常用的是角平分线算法和凸角圆弧算法。

(1)角平分线算法

角平分线算法是一种以线目标为轴线，并分别在其两侧作距轴线一定距离(缓冲半径)的平行线来生成缓冲区边界的简便方法，即在轴线首末点处，作轴线的垂线并按缓冲区半径E截出左右边界的起迄点；在轴线的其它各个拐点上，用与该点所关联的前后两邻边距轴线的偏移量为E的两平行线的交点来生成两平行边界的对应顶点，因此，本方法也称“简单平行线法”。如图2所示。

在用该方法进行缓冲区生成时，难以最大限度地保证缓冲区边界线的等宽性。尤其在尖锐转角处，凸侧生成的缓冲点将随着角度的进一步变锐而沿角平分线远离轴线顶点，因而在尖角处平行线之间的宽度遭到破坏。为了克服此缺点，需要对其缓冲区生成边界进行校正，而校正时模型算法欠结构化，由于输变电工程环境敏感区边界形状基本属于不规则几何图形，因此由于此类异常情况导致的缓冲区异常不胜枚举，从而导致模型的逻辑构思不易做到条理清楚。因此，此方法在输变电工程环境敏感区聚集或较为密集的地方不适用，这时，可以选择用以下方法。

凸角圆弧算法

在轴线首末点处，作轴线的垂线并按缓冲区半宽E截出左右边界的起迄点；在轴线的其它各个拐点上，首先判断该点的凹凸特性，在凸侧用圆弧弥合，而在凹侧用与该点所关联的前后两邻边距轴线的偏移量为E的两平行线的交点来生成对应顶点。在凸侧用圆弧弥合，使凸侧平行边界与轴线等宽；平行边界相交在角平分线上，如图3所示，交点距轴对应顶点的距离d＝E/cos(A/2)或d＝E/sin(B/2)。用该算法进行缓冲区生成时能最大限度地保证平行曲线的等宽性，排除了角平分线算法所带来的众多的异常情况。

在采用凸角圆弧算法生成缓冲区时，根据输变电工程环境敏感区的特点，生成缓冲区的主要步骤是：

(1)直线性判断。对于相邻三点作直线性判断。用以简化计算过程，特别是当出现相邻三点处于近似共线状态时，可用简化计算过程来代替平行线的求交运算和圆弧连接等。

(2)折点凹凸性的判断。轴线顶点处的凹凸特性的判断是非常重要的一环，因为它能确保何处需要用圆弧连接和何处需要用直线求交。这个问题可转化为两个矢量的叉积，即把相邻两个线段看成两个矢量，中间点为所需判定凹凸的顶点，其方向取为坐标点顺序方向。若前一个矢量以最小的角度扫向第二个矢量时呈逆时针，则为凸顶点。反之，为凹顶点。

(3)圆弧的嵌入。圆弧上布点的多少，取取决于计算步长(以角度计)。步长γ由近似表示缓冲区的正N边形的边数决定(γ＝2π/N)。

(4)左、右侧缓冲区边界的生成与自相交问题处理。如图4所示，以矢量数据格式表示的曲线是具有方向性的，最自然的方式就是取曲线坐标串的方向为曲线前进方向。当缓冲区边界的生成基线(轴线)被取定方向后，其两侧的平行曲线也就自然地获得其左右属性。根据边界与轴线的关系，可为各条边界的两侧赋以内侧与外侧属性。朝向轴线的一侧取为内侧，背向轴线的一侧取为外侧。当轴线的弯曲空间不能容许缓冲区边界通过时，产生边界的自相交问题，形成若干个自相交多边形，自相交多边形分为岛屿多边形与重叠区多边形两种类型。当轴线方向为顺时针方向时，对于左边界，岛屿多边形呈逆时针方向，重叠多边形呈顺时针方向；对于右边界，岛屿多边形呈顺时针方向，重叠区多边形呈逆时针方向。岛屿多边形是缓冲区边界的有效组成部分，而重叠多边形不是缓冲区边界的有效组成部分，不参与缓冲区有效边界的最终重构。

在输变电工程环境敏感区类型中，以水源地保护区为代表的敏感区由于比较狭长，往往与河道的走向一致，出现此类自相交多边形的情况较多。由缓冲区多边形边界自相交所产生的自相交多边形的个数是难以确定的，同时会随着缓冲半径的不同而发生变化。

经过处理后的缓冲区的生成情况如图5、图6所示。

缓冲区的生成为实现环境敏感区的识别提供了最重要的基础，后续通过叠加分析，就可实现对各类环境敏感区的识别分析。

叠加分析

地理信息系统的叠加分析是将同一地区、同一比例尺的两组或更多的专题图层进行叠加，建立具有多重地理属性的空间分布区域，进行叠加产生一个新的数据层的操作，其结果综合了原来两层或多层地图要素所具有的属性，从而满足用户需求和协同决策的一种方法。输变电工程环境敏感区的自动识别正是主要基于这一功能来实现。

地理信息系统的叠加分析不同于通常所说的视觉信息复合，这主要是因为叠加分析的结果不仅产生视觉效果，更主要的是形成新的目标，对空间数据的区域进行了重新划分，属性数据中包含了参与叠加的多种数据项。根据不同的数据模型可将空间叠加分为栅格叠加和矢量叠加两种。栅格叠加比较容易实现，但精度往往不能满足用户的要求：而矢量叠加与其相反，它能达到很高的精度，但是需要处理大量的矢量空间数据。由于空间数据量较大，常规的算法难以满足用户对时间的要求，必须进行特殊的处理。

从图形学的角度，多边形与多边形(或线)的叠加算法的核心是多边形对多边形(或线)的裁剪。在图形系统中，二维裁剪是最为基础和常用的操作之一。其典型的应用是在图形的消隐等各种三维图形的处理以及各种排料算法的求交操作之中。对裁剪算法的研究主要集中在裁剪直线和裁剪多边形两方面。在本发明中，多边形裁剪与线剪裁相比具有更高的使用率，是研究环境敏感区自动识别时需要解决的主要课题。

多边形裁剪用于裁剪掉被裁剪多边形(又称为实体多边形)位于窗口(又称为裁剪多边形)之外的部分。多边形愈复杂，其裁剪算法就愈难以实现。现有的解决方案或者局限于某一类多边形，或者结构复杂且时间消耗大。对于特殊情况已有几种有效的算法，如Sutherland-Hodgeman、粱-Barsky、Foley、Maillot、Andereev等算法要求裁剪多边形是矩形。而在本的实际研究中，只有对于一般多边形的裁剪才有普遍意义，且更实用。为此，研究了目前常用的适用于一般多边形的裁剪算法以及近年来出现的一些改进算法，在这类算法中最具有代表性有Weiler算法和近年出现的Vatti算法及Greiner-Hormann算法，Weiler算法使用的是树形数据结构，适用于任意多边形的裁剪。本发明主要采Weiler算法进行多边形的裁剪和处理。下面对有关裁剪方法进行说明。

在Weiler算法中，裁剪窗口和被裁剪多边形可以是凸的、凹的或者是带有内环的任意多边形。裁剪窗口和被裁剪多边形处于完全对等的地位，称被裁剪多边形为主多边形。记为A，称裁剪窗口为裁剪多边形，记为B，A、B分别用实线和虚线表示。约定多边形外部边界的顶点逆时针排列，内环的顶点顺时针排列。因此，多边形区域始终位于有向边的左侧。多边形A和B的边界将整个二维平面划分成A∩B，A－B，B－A，四个区域。如图7所示。

内裁剪的结果(即两多边形的叠加)为A∩B。裁剪结果区域的边界由A的部分边界和B的部分边界两部分组成，并且在交点处边界发生交替，即由A边界转至B的边界，或由B的边界转至A的边界。由于多边形构成一个封闭的区域，所以，如果主多边形和裁剪多边形有交点，则交点必成对出现。这些交点分为两类，一类称为入点，主多边形边界由此交点进入裁剪多边形区域内；另一类称为出点，主多边形边界由此交点离开裁剪多边形区域。为满足本发明研究中敏感区叠加和自动识别的要求，本工程裁剪的主要步骤，一是建立主多边形和裁剪多边形的顶点表；二是求主多边形和裁剪多边形的交点，并将这些交点按顺序插入两多边形的顶点表中，在两多边形顶点表中的相同交点间建立双向指针；三是将裁剪多边形对主多边形进行裁剪操作。

综上，通过缓冲区分析以及叠加分析两种手段，对于输电线路这类线性工程，通过合理设置对自然保护区、水源保护区、文物古迹、森林公园等各类敏感区的报警距离，以此距离进行缓冲区的生成，并在各类缓冲区的基础上，进行叠加分析，从而判断出需要识别的环境敏感区，并进行统计和分析。

当然，叠加的方法还有很多，在本发明中缓冲区的生成方法的基础上，本领域技术人员完全能够结合公知常识，将叠加的步骤用其他方法进行替换，属于不需要付出创造性的劳动。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种针对输变电工程环境敏感区域识别的缓冲区分析方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)读取输变电工程对应的地理信息，根据给定的空间实体，确定生成的缓冲区形状；

(2)利用矢量算法，进行直线性判断、折点凹凸性判断，并嵌入圆弧，生成缓冲区，划分缓冲区边界的自相交边界；

(3)对生成的缓冲区进行多边形裁剪，对空间数据的区域重新划分，将区域内的不同的数据模型进行空间叠加，根据叠加结果，确定环境敏感区。

2.如权利要求1所述的一种针对输变电工程环境敏感区域识别的缓冲区分析方法，其特征是：所述步骤(1)中，对不同类型的目标实体，所产生的缓冲区也不同，点的缓冲区为以点为圆心，一定距离为半径的圆；线的缓冲区是以线为中心轴线，距中心轴线一定距离的平行条带多边形；面缓冲区是由面的边界多边形向外或向内扩展一定距离所生成的新的多边形。

3.如权利要求1所述的一种针对输变电工程环境敏感区域识别的缓冲区分析方法，其特征是：所述步骤(2)中，生成缓冲区的方法可以替换为栅格法，将点、线和面矢量数据转化为栅格数据，进行像元加粗，然后作边缘提取，以生成缓冲区。

4.如权利要求1所述的一种针对输变电工程环境敏感区域识别的缓冲区分析方法，其特征是：所述步骤(2)中，利用角平分线算法生成缓冲区，以线目标为轴线，并分别在其两侧作距轴线一定距离，即设定的缓冲半径的平行线来生成缓冲区边界，在轴线首末点处，作轴线的垂线并按缓冲区半径截出左右边界的起迄点，在轴线的其它各个拐点上，用与该点所关联的前后两邻边距轴线的偏移量为缓冲区半径的两平行线的交点来生成两平行边界的对应顶点。

5.如权利要求1所述的一种针对输变电工程环境敏感区域识别的缓冲区分析方法，其特征是：所述步骤(2)中，利用凸角圆弧算法生成缓冲区，在轴线首末点处，作轴线的垂线并按缓冲区半径截出左右边界的起迄点；在轴线的其它各个拐点上，首先判断该点的凹凸特性，在凸侧用圆弧弥合，而在凹侧用与该点所关联的前后两邻边距轴线的偏移量为缓冲区半径的两平行线的交点来生成对应顶点。

6.如权利要求5所述的一种针对输变电工程环境敏感区域识别的缓冲区分析方法，其特征是：所述步骤(2)中，将轴线顶点处的凹凸特性的判断转化为两个矢量的叉积，即把相邻两个线段看成两个矢量，中间点为所需判定凹凸的顶点，其方向取为坐标点顺序方向，若前一个矢量以最小的角度扫向第二个矢量时呈逆时针，则为凸顶点，反之，为凹顶点。

7.如权利要求5所述的一种针对输变电工程环境敏感区域识别的缓冲区分析方法，其特征是：所述步骤(2)中，利用圆弧弥合时，圆弧上布点的多少，取取决于计算步长，而步长由表示缓冲区的正N边形的边数决定。

8.如权利要求5所述的一种针对输变电工程环境敏感区域识别的缓冲区分析方法，其特征是：所述步骤(2)中，取缓冲区的曲线坐标串的方向为曲线前进方向，当缓冲区边界的生成轴线被取定方向后，其两侧的平行曲线根据轴线获得其左右属性，根据边界与轴线的关系，为各条边界的两侧赋以内侧与外侧属性，朝向轴线的一侧取为内侧，背向轴线的一侧取为外侧。

9.如权利要求5所述的一种针对输变电工程环境敏感区域识别的缓冲区分析方法，其特征是：所述步骤(2)中，当轴线的弯曲空间不能容许缓冲区边界通过时，产生边界的自相交问题，形成若干个自相交多边形，自相交多边形分为岛屿多边形与重叠区多边形两种类型，当轴线方向为顺时针方向时，对于左边界，岛屿多边形呈逆时针方向，重叠多边形呈顺时针方向；对于右边界，岛屿多边形呈顺时针方向，重叠区多边形呈逆时针方向；岛屿多边形是缓冲区边界的有效组成部分，而重叠多边形不是缓冲区边界的有效组成部分，不参与缓冲区有效边界的最终重构。

10.如权利要求1所述的一种针对输变电工程环境敏感区域识别的缓冲区分析方法，其特征是：所述步骤(3)中，叠加分析是将同一地区、同一比例尺的两组或更多的专题图层进行叠加，建立具有多重地理属性的空间分布区域，进行叠加产生一个新的数据层的操作，其结果综合原来两层或多层地图要素所具有的属性。