Web GIS的湖南電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)研究

周建飛，歐陽玲，陽金純，曾惠芳

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

Web GIS的湖南電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)研究

周建飛，歐陽玲，陽金純，曾惠芳

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

本系統(tǒng)在湖南基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，增加環(huán)境敏感區(qū)圖層、110 kV及以上變電站、輸電線路圖層，同時將湖南電網(wǎng)現(xiàn)有的各種電磁環(huán)境資料 (數(shù)據(jù)、文本、報告、圖片等)集成于本系統(tǒng)中，可為湖南電網(wǎng)環(huán)保管理工作提供全方位技術(shù)指導，實現(xiàn)輸變電環(huán)評、驗收、糾紛高效率管理的同時，也可用于運用于電網(wǎng)規(guī)劃、優(yōu)化選址選線。

Web GIS；電網(wǎng)環(huán)境地理信息系統(tǒng)；環(huán)境敏感區(qū) (點)

Web GIS是采用WWW協(xié)議運行在萬維網(wǎng)上的地理信息系統(tǒng)，是GIS與 Internet技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物〔1－2〕。

本研究在湖南基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，增加環(huán)境敏感區(qū)圖層、110 kV及以上變電站、輸電線路圖層，同時將湖南電網(wǎng)現(xiàn)有的各種電磁環(huán)境資料 (數(shù)據(jù)、文本、報告、圖片等)集成于本系統(tǒng)中，可為湖南電網(wǎng)環(huán)保管理工作提供全方位技術(shù)指導，實現(xiàn)輸變電環(huán)評、驗收、糾紛高效率管理的同時，也可用于運用于電網(wǎng)規(guī)劃、優(yōu)化選址選線。

1 總體設(shè)計

1.1 運行環(huán)境

系統(tǒng)運行在Windows server系列操作系統(tǒng)下，服務(wù)端管理和發(fā)布基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、環(huán)境敏感區(qū)數(shù)據(jù)、變電站及輸電線路數(shù)據(jù)，客戶端在leafletjs框架上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的瀏覽、查詢以及提取功能。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù):通過 ArcMap配圖，在ArcEngine基礎(chǔ)上二次開發(fā)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的柵格化瓦片切割，并建立金字塔結(jié)構(gòu)存儲在大文件中。

2)專題數(shù)據(jù)點數(shù)據(jù):應(yīng)用 leaflet提供的 api動態(tài)在在頁面上顯示所需要的點數(shù)據(jù)，同時在視覺上感覺不出數(shù)據(jù)的形態(tài)變化，以達到物探數(shù)據(jù)能夠在客戶端快速顯示的目的。

3)專題數(shù)據(jù)線面數(shù)據(jù):用ArcMap配圖，使用leaflet控制相應(yīng)的圖層達到控制相應(yīng)專題數(shù)據(jù)的目的。

2 詳細設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)構(gòu)架包括業(yè)務(wù)層、邏輯層、數(shù)據(jù)層及運行環(huán)境，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

業(yè)務(wù)層:展現(xiàn)業(yè)務(wù)功能，作為用戶交換操作的應(yīng)用程序采用瀏覽器，支持 Internet Explorer 8 (含)以上瀏覽器。

邏輯層:實現(xiàn)具體的業(yè)務(wù)，分析前臺的請求自動訪問后臺相應(yīng)的服務(wù)接口，并控制整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性維護數(shù)據(jù)層的安全。

數(shù)據(jù)層:作為原始數(shù)據(jù)來源，包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)支撐數(shù)據(jù)。本層數(shù)據(jù)不能直接在系統(tǒng)中使用，需要通過入庫數(shù)據(jù)或者發(fā)布工具導入 (發(fā)布)到應(yīng)用支持層的對應(yīng)服務(wù)中。

運行環(huán)境:服務(wù)端運行環(huán)境為Window server系統(tǒng)， java運行時環(huán)境 jre/jdk， tomcat服務(wù)，postsql數(shù)據(jù)庫運行環(huán)境，arcgis和arcserver運行環(huán)境。客戶端要求瀏覽器支持IE8以上規(guī)范。

2.2 系統(tǒng)用例

系統(tǒng)角色:用戶，數(shù)據(jù)管理員，系統(tǒng)管理員。

用戶擁有瀏覽權(quán)限；數(shù)據(jù)管理員擁有瀏覽數(shù)據(jù)、錄入地圖數(shù)據(jù)、錄入環(huán)境影響報告，在地圖上修改相關(guān)數(shù)據(jù)等權(quán)限；系統(tǒng)管理員擁有所有權(quán)限。系統(tǒng)管理員可以查看數(shù)據(jù)錄入管理員的信息和錄入的信息的詳細情況，如哪位管理員在何時錄入了什么信息。系統(tǒng)用例圖如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)流程

用戶使用系統(tǒng)必須先登錄，根據(jù)登錄的賬戶判斷此用戶權(quán)限，如果擁有管理員權(quán)限則在界面上顯示相應(yīng)的操作界面。設(shè)計時采用匹配方式，在數(shù)據(jù)庫中用戶表設(shè)計相應(yīng)權(quán)限的字段，用戶登錄時匹配此字段，然后在系統(tǒng)中給予相應(yīng)權(quán)限。

用戶、管理員登錄使用系統(tǒng)各個功能如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)用例圖

圖3 系統(tǒng)流程圖

2.4 數(shù)據(jù)流程

1)數(shù)據(jù)類型

本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)主要分為三類:地圖數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)，地圖數(shù)據(jù)為瓦片數(shù)據(jù)，采用ArcMap和ArcServer配圖制圖。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)為所有發(fā)電站、變電站、敏感點、敏感區(qū)和輸電線路等專業(yè)屬性數(shù)據(jù)，在用戶需要查詢專業(yè)數(shù)據(jù)時系統(tǒng)自動遍歷數(shù)據(jù)庫查詢，當用戶需要增刪改時需要擁有相應(yīng)的操作權(quán)限并在相應(yīng)的界面上修改。文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)指相應(yīng)敏感點的環(huán)評報告等PDF文件數(shù)據(jù)，此報告采用http上傳下載協(xié)議傳輸，存放在服務(wù)器的文件系統(tǒng)指定文件夾中，并在數(shù)據(jù)庫中緩存文檔的路徑、名稱數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫與用戶、管理員之間流通的路徑如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)流程圖

2)數(shù)據(jù)服務(wù)

數(shù)據(jù)服務(wù)包括瓦片服務(wù)、電網(wǎng)數(shù)據(jù)更新服務(wù)、數(shù)據(jù)查詢服務(wù)和元數(shù)據(jù)服務(wù)，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)服務(wù)邏輯

瓦片服務(wù):提供基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)電子地圖、環(huán)境敏感區(qū)專題地理數(shù)據(jù)電子地圖、電網(wǎng)輸電線路、變電站地理數(shù)據(jù)電子地圖，該服務(wù)是以256×256圖片形式提供給客戶端瀏覽器。

電網(wǎng)數(shù)據(jù)更新服務(wù):針對輸電線路或變電站的屬性信息在客戶端修改夠提交到服務(wù)器，最終由該服務(wù)完成對應(yīng)數(shù)據(jù)庫記錄的修改。

數(shù)據(jù)查詢服務(wù):針對輸電線路、變電站以及環(huán)境監(jiān)測點的屬性信息查詢，該服務(wù)通過訪問湖南電網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)庫，取得記錄返回給客戶端。

元數(shù)據(jù)服務(wù):提供輸電線路、變電站及附近環(huán)境監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)、照片查詢服務(wù)。

3)數(shù)據(jù)存儲

將空間矢量數(shù)據(jù)通過易景編譯工具處理成瓦片的金字塔結(jié)構(gòu)存儲文件，這種方法可以極大的將基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)在瀏覽器中快速顯示，如圖6所示。

圖6 瓦片數(shù)據(jù)的編譯存儲

4)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)更新操作

使用 gostgis提供的 shapfile manager工具將shap數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫當中將自動生成相應(yīng)的表的字段和類型。

3 子系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)子功能包括圖層管理、查詢、文檔上傳下載以及環(huán)境敏感區(qū) (點)分析四個部分，其中圖層管理功能可以控制影像數(shù)據(jù)底圖的顯示、各種環(huán)境敏感區(qū) (點)的顯示控制、各電壓等級電網(wǎng)數(shù)據(jù)的顯示以及各種類型監(jiān)測點點數(shù)據(jù)的顯示；查詢功能采用模糊查詢，自動匹配數(shù)據(jù)庫中多個表模糊匹配所有數(shù)據(jù)并把符合條件的數(shù)據(jù)列出在系統(tǒng)中；文件的上傳下載用于各輸變電工程主要參數(shù)、環(huán)評、驗收報告及批文的錄入、上傳和下載以及各監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)及監(jiān)測報告的錄入、上傳和下載；環(huán)境敏感區(qū) (點)分析變電站、輸電線路一定范圍內(nèi)的各類環(huán)境敏感區(qū) (點)，并列出名稱、距離和方位。如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)子功能

1)圖層管理

底圖數(shù)據(jù)切換采用leaflet框架的baselayer切換功能，切換到影像數(shù)據(jù)底圖時自動在地圖上加載行政數(shù)據(jù)和敏感區(qū)數(shù)據(jù)，默認顯示的是普通底圖和行政數(shù)據(jù)。影像底圖是加載的在線google影像數(shù)據(jù)，行政數(shù)據(jù)和敏感區(qū)數(shù)據(jù)是瓦片數(shù)據(jù)。

線路圖層的顯示是采用瓦片數(shù)據(jù)的透明化方式，leaflet框架加載線路數(shù)據(jù)的圖層覆蓋在底圖數(shù)據(jù)上面并且可以隨時控制此圖層的顯示與否。

發(fā)電站變電站敏感點等點數(shù)據(jù)是存在數(shù)據(jù)庫中的點，調(diào)用leafletapi中的marker功能把數(shù)據(jù)庫中的相應(yīng)點轉(zhuǎn)換為 marker添加到地圖上，同時在marker上添加鼠標的moveup事件和click事件；鼠標經(jīng)過marker時 moveup事件觸發(fā)顯示概略信息(名稱和類型)，鼠標點擊marker觸發(fā)click事件顯示詳情界面。在詳情界面上面可以進行具體的操作，環(huán)境影響分析和PDF報告的上傳下載。

2)查詢功能

查詢功能在后臺servlet實現(xiàn)，用戶傳入關(guān)鍵字servlet在后臺請求每個數(shù)據(jù)表，返回的結(jié)果放在一個json中返回給前臺leaflet，leaflet解析json獲得相應(yīng)類型的數(shù)據(jù)在地圖上面顯示。在postgres數(shù)據(jù)庫中可以使用函數(shù)從幾何數(shù)據(jù)中獲取經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)，或者直接轉(zhuǎn)換為geojson類型的數(shù)據(jù)作為參數(shù)傳給leaflet，leaflet會自動解析該geojson在地圖上呈現(xiàn)。將一類的點數(shù)據(jù)經(jīng)緯度封裝為一個json，在leaflet當中定義好各個種類的樣式圖標以及點擊事件，遍歷到地圖上。

3)文檔上傳和下載

查詢敏感點詳細信息時提供文檔上傳下載功能，并同時保持服務(wù)端文檔一致性和唯一性，屬性中的照片、監(jiān)測布點圖是圖片文件，環(huán)評批文、驗收批文、環(huán)評文件、驗收文件以及監(jiān)測報告均是PDF文件。

PDF格式文件上傳下載采用loadfile控件，把文件名稱自動改為相應(yīng)的敏感點，在數(shù)據(jù)庫相應(yīng)字段插入路徑，文檔本身存放在服務(wù)器的文件系統(tǒng)中，保證文件的唯一性。

4)環(huán)境敏感區(qū) (點)分析

利用GIS的緩沖區(qū)分析工程，分析現(xiàn)有或擬建變電站、輸電線路一定范圍內(nèi)的環(huán)境敏感區(qū) (點)以及居民聚居點，以便評估輸變電工程的選址和選線。

選擇要分析的線路或電站，輸入要分析的范圍，在地圖上顯示緩沖分析后的結(jié)果。

4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

4.1 地圖數(shù)據(jù)

地圖數(shù)據(jù)包括矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)，通過易景編譯工具將海量的矢量數(shù)據(jù)或者柵格數(shù)據(jù)切片處理成瓦片的金字塔結(jié)構(gòu)存儲文件，并建立空間索引〔3－4〕。編譯工具作為獨立運行的數(shù)據(jù)處理工具，是為數(shù)據(jù)可視化做必要的準備操作。數(shù)據(jù)生成后采用單個大文件方式來管理存儲。

金字塔結(jié)構(gòu)采用基于四叉樹的瓦片數(shù)據(jù)層疊加技術(shù)來存儲組織瓦片劃分方式 (如圖8所示)。第0級將全球劃分了4×2塊，全球坐標范圍經(jīng)度〔－180°，180°〕，緯度 〔－90°，90°〕，其中心位于經(jīng)度0°與緯度0°，然后每個瓦片作為一個四叉樹的父節(jié)點，依次按照2×2細分地球表面。在存儲組織時，每個瓦片數(shù)據(jù)參照金字塔模式按照不同的縮放等級依次存儲到單個文件中〔5〕。

圖8 金字塔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

瓦片級別定義是從0開始，級別數(shù)值越大表示對應(yīng)的瓦片塊地理范圍就越小，見表1。每塊的像素大小是固定的，即為256×256，文件個格式為JPEG或PNG。

表1 瓦片級別地理范圍大小表格說明

公式:

Lat(經(jīng)度)＝ 90/(2L)

Lon(緯度)＝90/(2L)

其中L為級別，范圍 [0，∞]

原數(shù)據(jù)編譯完成后以文件的方式存儲，這種文件方式可以不依賴任何數(shù)據(jù)庫，方便數(shù)據(jù)的遷移和備份。同時在開發(fā)其他桌面應(yīng)用系統(tǒng)時可以方便的將數(shù)據(jù)遷移到客戶端本地機而采用本地數(shù)據(jù)訪問的模式。

4.2 屬性數(shù)據(jù)

1)點數(shù)據(jù)表

變電站表的設(shè)計:id—編號，主鍵；name—名稱；type—類型；owner—擁有者；lat，lon—經(jīng)緯度。見表2。

表2 變電站數(shù)據(jù)表

2)輸電線路數(shù)據(jù)表

輸電線路表的設(shè)計:id—編號，主鍵；name—線路名稱；lineserial—線路編號；geometry—線路的幾何數(shù)據(jù)。見表3。

表3 輸電線路數(shù)據(jù)表

3)敏感點數(shù)據(jù)表

敏感點數(shù)據(jù)表設(shè)計:敏感點存儲系統(tǒng)中的糾紛點、環(huán)境保護區(qū)、森林公園等特殊點信息的幾何數(shù)據(jù)，字段設(shè)計見表4。

表4 敏感點數(shù)據(jù)表

4)用戶表

用戶表的設(shè)計:id—編號，主鍵；username—登錄名；userpasswd—登錄密碼；realname—名稱；type—權(quán)限，0代表管理員權(quán)限，1代表數(shù)據(jù)錄入權(quán)限，2代表數(shù)據(jù)讀取權(quán)限。用戶登錄時系統(tǒng)自動根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的type字段決定跳轉(zhuǎn)相應(yīng)頁面以授予相應(yīng)權(quán)限操作。見表5。

表5 用戶表

5)文件歷史記錄表

文件歷史記錄表用于記錄上傳文件的用戶、時間及文檔名稱，見表6。

表6 文件歷史記錄表

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

1)系統(tǒng)主界面設(shè)計

圖層管理:采用了 checkbox控件，每次點擊獲取當前的選中狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)切換各個圖層的顯示與否；專題圖應(yīng)該永遠高于底圖，底圖用baselayer方法加載到地圖上就可以切換地圖而不影響專題圖。

2)查詢功能設(shè)計圖

查詢功能:輸入關(guān)鍵字以后點擊查詢按鈕，會以ajax方式向后臺servlet發(fā)送一個包含參數(shù)的get方式請求，后臺servlet自動連接數(shù)據(jù)庫索引各個專題數(shù)據(jù)，如220 kV變電站、發(fā)電站和敏感點數(shù)據(jù)中是否有含有當前關(guān)鍵字的數(shù)據(jù)，如果有就在地圖上顯示，如果是線路數(shù)據(jù)就高亮閃爍顯示。

3)環(huán)境敏感區(qū)分析

利用GIS手段，展示輸電線路和變電站發(fā)電站等電力設(shè)施對環(huán)境的影響，以便評估輸變電工程的選址和選線。

選擇要分析的線路或電站，輸入要分析的參數(shù)，在地圖上顯示緩沖分析后的結(jié)果。

4)數(shù)據(jù)管理員管理功能

數(shù)據(jù)管理員頁面與用戶頁面基本一致，除了普通用戶的功能外，數(shù)據(jù)管理員可以直觀創(chuàng)建變電站、監(jiān)測點等點狀數(shù)據(jù)，并且可以錄入數(shù)據(jù)、上傳照片及文件，可以使的想改相關(guān)的數(shù)據(jù)。

5)系統(tǒng)管理員管理功能

系統(tǒng)管理員擁有所有權(quán)限，包括用戶管理、文件上傳記錄的管理以及變電站、輸電線路、敏感區(qū)、監(jiān)測點的數(shù)據(jù)管理

6 總結(jié)

本項目在湖南基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，增加環(huán)境敏感區(qū)圖層、110 kV及以上變電站、輸電線路圖層，同時集成湖南電網(wǎng)現(xiàn)有的各種電磁環(huán)境資料 (數(shù)據(jù)、文本、報告、圖片等)，建立基于Web GIS技術(shù)的湖南電網(wǎng)環(huán)境敏感區(qū) (點)地理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)湖南電網(wǎng)輸變電環(huán)評、驗收、糾紛監(jiān)測資料的網(wǎng)絡(luò)化高管理，項目的環(huán)境影響分析功能運用于電網(wǎng)規(guī)劃、優(yōu)化選址選線。系統(tǒng)基于Web環(huán)境運行，客戶端不需安裝軟件及插件，且操作簡單方便，為湖南電網(wǎng)環(huán)保管理者提供了查詢信息、數(shù)據(jù)更新維護等日常管理工作的平臺。

〔1〕韓毓，伊煒.快速建立WebGIS事件管理的方法探討 〔J〕.安徽農(nóng)業(yè)科學，2010(19):10458-10460.

〔2〕劉光.地理信息系統(tǒng)二次開發(fā)教程 〔M〕.北京:清華大學出版社，2003.

〔3〕張剛.影像金字塔的生成、壓縮與存儲模型研究 〔D〕.太原:太原理工大學，2016.

〔4〕張剛.海量影像存儲與管理關(guān)鍵技術(shù)研究 〔D〕.長沙:國防科學技術(shù)大學，2009.

〔5〕鄭群英，周曉光，欒柱曉 .影像金字塔增量更新方法 〔J〕.地理空間信息，2009(5):38－41.

Research of Hunan Electric Power Geographic Information System Based on Web GIS

ZHOU Jianfei，OUYANG Ling，YANG Jingchun，ZENG Huifang
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Based on Hunan basic geographic information database，this system increases the layers of environment sensitive areas，110 kV and above substations and transmission line layers.At the same time，the existing electromagnetic environment data(data，texts，reports，pictures，etc.)is integrated in the system，for the Hunan power grid environmental management work to provide comprehensive technicalguidance to achieve efficientadministration ofpower transmission EIA，acceptance and disputes management.It can also be used for power grid planning and optimization of site and route selection.

Web GIS；grid environment GIS；environmentally sensitive areas

TM769

:B

:1008-0198(2017)02-0040-06

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.02.010

2016-10-18 改回日期:2016-10-31

國網(wǎng)湖南省電力公司科技項目 (5216A51350AY)

周建飛(1981)，湖南臨武人，高級工程師，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)環(huán)境保護。