（电力系统及其自动化专业论文）基于地理信息系统的配电网可视化潮流.pdf

东北电力大学硕士学位论文 a b s tr a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a lp o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，t h ed e m a n df o r d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mh a sb e e nr i s i n g t h ed i s t r i b u t i o ns y s t e mh a s5 0 m e m a i nc h a r a c t e r s ，s u c ha s ，t h el i n ed i s t r i b u t i o ni sa b r o a d ，t h ev o l t a g eg r a d i n gi s l o w , t h ea m o u n to fe q u i p m e n ti sl a r g ea n dt h e r e n o v a t i o ni sf r e q u e n t i ns i d eo f m a n a g e m e n t , b e s i d e st h e d a t ao fw o r d sa n dt h ed i s p o s a lo fc o m p u t e r , t h e d i s t r i b u t i o ns y s t e mi n c l u d e st h ee l e c t r i ce q u i p m e n ti n f o r m a t i o nw h i c hi sc o r r e l a t i v e w i t hg e o g r a p h ya n dt h ef i g u r ei n f o r m a t i o no ft o p o l o g i cs t r u c t u r ew h i c hi s c o r r e l a t i v ew i t ht h ep o w e rs y s t e m ，1 1 伦c o m b i n a t i o no fg i sa n dt h ed i s p o s a lo fd a t a c a ni n t e g r a t ea n yk i n d so fi n f o r m a t i o ni nd i s t r i b u t i o ns y s t e mw i t hg e o g r a p h i c a l s y s t e m ，t h e r e b y , t h ev i s i b l e n e s so ft o p o l o g i cs t r u c t u r ea n dd a t aw i l lb er e a l i z e da n d t h el e v e lo fm o d e r nm a n a g e m e n ti nd i s t r i b u t i o ns y s t e mw i l lb ea d v a n c e dl l i g h l y p o w e rf l o wc a l c u l a t i o n , a so n eo fc o n c e r n m e n tc o n s t i t u e n tp a r ti nd m s ，i st h e b a s i so fr e s e a r c ha n da n a l y t i c a lc a l c u l a t i o nd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka u t o m a t i o n s o p u t t i n gt h ep o w e rf l o w sd a t ai n t og i sp r e s i c l ya n de f f e c t i v e l y , t h e nm a k i n gi t v i s i b l ec a ng i v em o l ep o s s i b i l i t yt ot h er e a l i z a t i o no fg i s sa p p l i c a t i o n s a n a l y z i n gt h em e r i t sa n dd e m e r i t so fd i v e r s i f i e da l g o r i t h m i ci nd i s t r i b u t i o n n e t w o r kp o w e rf l o w , i n t r e d u c i n gab a c k f o r w a r ds w e e pa l g o r i t h mb a s e do nt h el z o r d e rm e t h o da n dt h ea c c e l e r a t e dg e n e i tc a nb o o s tt h es p e e do fc o n v e r g e n c ea n d r e a l i z et h ev i s i b l i z a t i o no ft h ed i s t r i b u t i o ns y s t e m sp o w e rf l o wd a t a b a s e do nt h o s ec o n c l u s i o n s t h i sa r t i c l ep u t st h ec o m g i s _ 州a p x 、v i s u a l b a s i c6 0a n ds o ls e r v e r2 0 0 0t o g e t h e r , a n di n t e r g r a t e st h e mw i t hab a c k - f o r w a r d s w e e pa l g o r i t h mb a s e do nt h el zo r d e rm e t h o da n dt h ea c c e l e r a t e dg e n e i ti sa g o o ds o f t w a r ew h i c hh a sb e e nu s e di nj i l i n sd i s t r i b u t i o ns y s t e ms u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：g i s ：d i s t r i b u t i o np o w e rf l o w ：t o p o l o g i ea n a l y z i n g ：v i s i b l ep o w e r f l o w 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上己属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 ，学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名：丝当篷鱼塑蛰日期：j 堕年三月三丝目 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：蜘訇 日期：三尘堕年王月二望日 导师签名： 日期：厶生噬年生月兰2 日 第1 帝绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 随着国民经济的发展和物质文化生活水平的提高，人民对电力的需求越来 越大，促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，用户对供电质量和供电可靠性 的要求也越来越高。我国高压电网的自动化程度比较高，大多都配备了能量管 理系统( e m s ) ，而对于配电网长期以来重视程度不够，存在较严重的问题， 如设备陈旧、损耗严重、电能质量较差等，配电自动化是电力系统自动化发展 的必然趋势，其主要意义在于：在正常运行状态下，通过监视配电网运行工况， 优化配电网运行方式；当配电网发生故障或异常运行时，迅速查出故障区段及 异常情况，快速隔离故障区段，恢复非故障区段用户的供电，缩短对用户的停 电时间，减少停电面积；根据配电网电压，合理控制无功负荷和电压水平，改 善供电质量，达到经济运行的目的i 。 配电网的潮流计算作为配电网自动化系统必不可少的重要组成部分，逐渐 受到了广大研究人员的关注。它是对配电系统规划设计和运行方式的合理性、 可靠性以及经济性进行定量分析的重要依据。配电网潮流计算还是配电网络分 析最基础的软件，是配电系统的电压无功优化调度、操作模拟等功能的根本。 其潮流数据能否合理、准确的可视化显示也为研究人员提出了一个需要迫切解 决的问题。 在配电网系统中，线路、杆塔、变压器、用户和负荷等能量资源都是按照 地理分布；标明有各种电力设备和线路的地理位置图是电力部门用来管理、维 修电力设备和寻找及排除设备故障的有利工具。早先，这些图资系统完全由人 工建立，即从行政部门取得定精度的地图后，由电力部门标上各种电力设备 和线路的符号，并相应建立设备和线路的技术档案。这样不仅要耗费大量的人 力资源，而且资料更新的时间长，还不能充分满足电力系统运行的要求。 东北电力大学硕二l 学位论文 1 2 配电网潮流可视化的研究现状 1 2 1 配电网现状 配电网具有闭环结构、开环运行的特性，稳态运行时网络结构呈树形、多 分支的单向辐射状，在发生故障或切换负荷时才有可能出现短时环网运行情况： 线路j 值较高，多数情况大于1 ；网络中基本上都是用节点；通常以三相不 对称状态运行等。这些特点使雅克比矩阵元素对角优势遭到破坏，使得广泛应 用于输电网潮流计算的牛顿一拉夫逊和快速解耦法不易收敛 2 1 。 1 2 2 潮流可视化现状 1 通过m a t l a b 编程，进行潮流计算，使用其自带的图形工具箱中函数，给 出二维、三维图形，显示潮流数据。 2 用动画形式显示线路潮流，如伊利诺斯电力公司至t j p j m ( 宾州一新泽西一 马里兰系统) 的功率传输分配因数( p t d f ) 。 3 在电力系统一次接线图上，通过选择具体线路以显示潮流数据。 4 通过具体专题图显示整体潮流分布，如饼图、直方图等。 1 3 本文的思路和主要工作 为满足不断发展的需要，本文用v i s u a lb a s i c6 0 与组件式g i s m a p x 以及大型关系型数据库s q ls e r v e r2 0 0 0 相结合，开发这个软件系统，并用 基于l z 排序法和“加速因子 的改进前推回代法进行了配电网的潮流计算。 主要工作如下： 1 做出一个地理信息系统软件平台，实现g i s 各基本功能。 2 用基于l z 排序法及加速因子的改进前推回代法实现潮流运算。 3 结合吉林市l o k v 线路地理位置和线路数据进行潮流数据的可视化显示。 第2 章地理信息系统 第2 章地理信息系统 2 1地理信息系统的基本概念 地理信息系统简称g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，是一门集计算 机科学、信息学、地理学等多种科学为一体的新兴学科，它是在计算机软件和 硬件支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空问 内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统。 目前没有统一定义，1 9 8 7 年英国教育部( d o e ) 下的定义是：“g i s 是一种获 取、存储、检查、操作、分析和显示地球空间数据的计算机系统 。1 9 8 8 年美 国国家地理信息与分析中心( n c g 认) 下的定义是：“为了获取、存储、检索、 分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统 1 3 。 2 2 地理信息系统的发展过程 2 2 。1 国内发展状况 我国地理信息系统方面的工作自8 0 年代初开始。以1 9 8 0 年中国科学院遥 感应用研究所成立全国第一个地理信息系统研究室为标志，在几年的起步发展 阶段中，我国地理信息系统在理论探索、硬件配制、软件研制、规范制订、区 域试验研究、局部系统建立、初步应用试验和技术队伍培养等方面都取得了进 步，积累了经验，为在全国范围内展开地理信息系统的研究和应用奠定了基础。 地理信息系统进入发展阶段的标志是从第七个五年计划开始。地理信息系 统研究作为政府行为，正式列入国家科技攻关计划，开始了有计划、有组织、 有目标的科学研究、应用实验和工程建设工作。许多部门同时开展了地理信息 系统研究与开发工作。如全国性地理信息系统( 或数据库) 实体建设、区域地 理信息系统研究和建设、城市地理信息系统、地理信息系统基础软件或专题应 用软件的研制和地理信息系统教育培训。通过近五年的努力，在地理信息系统 - 3 - 东北电力大学硕士学位论文 技术上的应用开创了新的局面，并在全国性应用、区域管理、规划和决策中取 得了实际的效益。 自9 0 年代起，地理信息系统步入快速发展阶段。执行地理信息系统和遥感 联合科技攻关计划，强调地理信息系统的实用化、集成化和工程化，力图使地 理信息系统从初步发展时期的研究实验、局部应用走向实用化和生产化，为国 民经济重大问题提供分析和决策依据。努力实现基础环境数据库的建设，推进 国产软件系统的实用化、遥感和地理信息系统技术一体化1 4 】。在地理信息系统 的区域工作重心上，出现了“东移打和“进城的趋向，促进了地理信息系统 在经济相对发达、技术力量比较雄厚、用户需求更为急迫的地区和城市首先实 用化。这期间开展的主要研究及今后尚需进一步发展的领域有；重大自然灾害 监测与评估系统的建设和应用；重点产粮区主要农作物估产：城市地理信息系 统的建设与应用；建立数字化测绘技术体系；国家基础地理信息系统建设与应 用；专业信息系统与数据库的建设和应用：基础通用软件系统的研制与建立； 地理信息系统规范化与标准化；基于地理信息系统的数据产品研制与生产。同 时经营地理信息系统业务的公司逐渐增多。 总之，中国地理信息系统事业经过十几年的发展，取得了重大的进展。地 理信息系统的研究和应用正逐步形成行业，具备了走向产业化的条件。 2 2 2 国际发展状况 “地理信息系统一概念的提出，要追溯到5 0 年代。由于电子计算机科学的 兴起和它在测量学与地图制图学中的应用，使人们开始有可能用电子计算机来 收集、存储和处理各种与空间和地理分布有关的图形和属性数据，并希望通过 计算机对数据的分析来直接为管理和决策服务p 】。 综观g i s 发展，可将地理信息系统发展分为以下几个阶段： 1 地理信息系统的开拓期( 6 0 年代) 当5 0 年代末和6 0 年代初，计算机获得广泛应用以后，很快就被应用于空 间数据的存储和处理，使计算机成为地图信息存储和计算处理的装置，将很多 地图转换为能被计算机利用的数字形式，出现了地理信息系统的早期雏形。1 9 6 3 年，加拿大测量学家r f t o m l i n s o n 首先提出了地理信息系统这一术语，并建立 第2 章地理信息系统 了世界上第一个实用的地理信息系统加拿大地理信息系统( c g i s ) ，用于 自然资源的管理和规划。 2 地理信息系统的巩固发展期( 7 0 年代) 在7 0 年代，计算机发展到第三代，随着计算机技术迅速发展，数据处理速 度加快，内存容量增大，而且输入、输出设备比较齐全，推出了大容量直接存 取设备一磁盘，为地理数据的录入、存储、检索、输出提供了强有力的手段， 特别是人机对话和随机操作的应用，可以通过屏幕直接监视数字化的操作，而 且制图分析的结果能很快看到，并可以进行实时的编辑。这时，由于计算机技 术及其在自然资源和环境环境数据处理中的应用，促使地理信息系统迅速发展。 总之，地理信息系统在这时受到了政府部门、商业公司和大学的普遍重视。 3 。地理信息系统技术大发展时期( 8 0 年代) 由于大规模和超大规模集成电路的问世，推出了第四代计算机，特别是微 型计算机和远程通讯传输设备的出现为计算机的普及应用创造了条件，加上计 算机网络的建立，使地理信息的传输时效得到极大的提高。在系统软件方面， 完全面向数据管理的数据库管理系统( d b m s ) 通过操作系统( o s ) 管理数据，系统 软件工具和应用软件工具得到研制，数据处理开始和数学模型、模拟等决策工 具结合。地理信息系统的应用领域迅速扩大，从资源管理、环境规划到应急反 应，从商业服务区域划分到政治选举分区等，涉及到了许多的学科与领域。 4 地理信息系统的应用普及时代( 9 0 年代) 由于计算机的软硬件均得到飞速的发展，网络已进入千家万户，地理信息 系统已成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上由于 受地理信息系统影响而改变了现有机构的运行方式、设置与工作计划等。另外， 社会对地理信息系统认识普遍提高，需求大幅度增加，从而导致地理信息系统 应用的扩大与深化。国家级乃至全球性的地理信息系统已成为公众关注的问题， 例如地理信息系统已列入美国政府制定的“信息高速公路计划，美国副总统 戈尔提出的“数字地球战略也包括地理信息系统。毫无疑问，地理信息系统 将发展成为现代社会最基本的服务系统。 东北电力人学硕 ：学位论文 2 3 地理信息系统组成 一个完整的地理信息系统主要由四个部分构成，即计算机硬件系统、计算 机软件系统、地理空间数据和系统管理操作人员，其核心部分是计算机软硬系 统，空间数据库反映了地理信息系统的地理内容，而管理人员和用户则决定系 统的工作方式和信息表示方式。 2 3 1 计算机硬件系统 计算机硬件是计算机系统中的实际物理装置的总称，可以是电子的、电的、 磁的、机械的、光的元件或装置，是g i s 的物理外壳，系统的规模、精度、速 度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系，受硬件指标的支 持或制约。g i s 由于其任务的复杂性和特殊性，必须由计算机设备支持g i s 硬件配置一般包括四个部分： 1 计算机主机； 2 数据输入设备：数字化仪、图像扫描仪、手写笔、光笔、键盘、通讯端 口等； 3 数据存贮设备：光盘刻录机、磁带机、光盘塔、活动硬盘、磁盘阵列等； 4 数据输出设备：笔式绘图仪、喷墨绘图仪( 打印机) 、激光打印机等。 2 3 2 计算机软件系统 是指g i s 运行所必需的各种程序，通常包括： 1 计算机系统软件 由计算机厂家提供的、为用户开发和使用计算机提供方便的程序系统，通 常包括操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序、库程序以及各种维护使用 手册、程序说明等，是g i s 日常工作所必需的。 2 地理信息系统软件和其他支撑软件 可以是通用的g i s 软件也可包括数据库管理软件、计算机图形软件包、 c a d 、图像处理软件等。 g i s 软件按功能可分为以下几类： 第2 章地理信息系统 ( 1 ) 数据输入：将系统外部的原始数据( 多种来源、多种形式的信息) 传输 给系统内部，并将这些数据从外部格式转换为便于系统处理的内部格式的过程。 如将各种已存在的地图、遥感图象数字化，或者通过通讯或读磁盘、磁带的方 式录入遥感数据和其他系统已存在的数据，还包括以适当的方式录入各种统计 数据、野外调查数据和仪器记录的数据。 ( 2 ) 数据存贮与管理：数据存储和数据库管理涉及地理元素( 表示地表物 体的点、线、面) 的位置、连接关系及属性数据如何构造和组织等。用于组织 数据库的计算机系统称为数据库管理系统( d b m s ) 。空间数据库的操作包括数 据格式的选择和转换、数据的连接、查询、提取等。 ( 3 ) 数据分析与处理：指对单幅或多幅图件及其属性数据进行分析运算和 指标量测，在这种操作中，以一幅或多幅图作为输入，而分析计算结果则以一 幅或多幅新生成的图件表示，在空间定位上仍与输入的图件一致，故可称为函 数转换、空间函数转换可分为基于点或象元的空间函数，如基于象元的算术运 算、逻辑运算或繁类分析等；基于区域、图斑或图例单位的空间函数，如叠加 分类、区域形状量测等：基于邻域的空间函数，如象元连通性、扩散、最短路 径搜索等。量测包括对面积、长度、体积、空间方位、空间变化等指标的计算。 函数转换还包括错误改正、格式变性和预处理。 ( 4 ) 数据输出与表示模块：输出与表示是指将地理信息系统内的原始数据 或经过系统分析、转换、重新组织的数据以某种用户可以理解的方式提交给用 户如以地图、表格、数字或曲线的形式表示于某种介质上，或采用c r t ( c a t h o d e r a yt u b ) 显示器、胶片拷贝、点阵打印机、笔式绘图仪等输出，也可以将结果 数据记录于磁存贮介质设备或通过通讯线路传输到用户的其他计算机系统。 ( 5 ) 用户接口模块1 该模块用于接收用户的指令、程序或数据，是用户和 系统交互的工具，主要包括用户界面、程序接口与数据接口。系统通过菜单方 式或解释命令方式接收用户的输入。由于地理信息系统功能复杂，且用户又往 往为非计算机专业人员，用户界面是地理信息系统应用的重要组成部分，它通 过菜单技术、用户询问语言的设置，还可采用人工智能的自然语言处理技术与 图形界面等技术，提供多窗口和鼠标选择菜单等控制功能，为用户发出操作指 令提供方便。该模块还随时向用户提供系统运行信息和系统操作帮助信息，这 - 7 - 东北电力大学硕+ 学位论文 就使地理信息系统成为人机交互的开放式系统。 3 应用分析程序 是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定 应用任务的程序，是系统功能的扩充与延伸。在优秀的g i s 工具支持下，应用 程序的开发应是透明的和动态的，与系统的物理存贮结构无关，而随着系统应 用水平的提高不断优化和扩充。应用程序作用于地理专题数据或区域数据，构 成g i s 的具体内容，这是用户最为关心的真正用于地理分析的部分，也是从空 间数据中提取地理信息的关键。用户进行系统开发的大部分工作是开发应用程 序，而应用程序的水平在很大程度上决定系统的实用性、优劣和成败。 2 3 3 地理空间数据 地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文景观数 据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等，由系统的建立者通过数字化仪、 扫描仪、键盘、磁带机或其他通讯系统输入g i s ，是系统程序作用的对象，是 g i s 所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。不同用途的g i s 其地理空 间数据的种类、精度都是不同的，但基本上都包括三种互相联系的数据类型： 1 某个已知坐标系中的位置 即几何坐标，标识地理实体在某个已知坐标系( 如大地坐标系、直角坐标 系、极坐标系、自定义坐标系) 中的空间位置，可以是经纬度、平面直角坐标、 极坐标，也可以是矩阵的行、列数等。 2 实体间的空间相关性 即拓扑关系，表示点、线、面实体之间的空间联系，如网络结点与网络线 之间的枢纽关系，边界线与面实体间的构成关系，面实体与岛或内部点的包含 关系等。空间拓扑关系对于地理空间数据的编码、录入、格式转换、存贮管理、 查询检索和模型分析都有重要意义，是地理信息系统的特色之一。 3 与几何位置无关的属性 即常说的非几何属性或简称属性( a t t r i b u t e ) ，是与地理实体相联系的地理 变量或地理意义。属性分为定性和定量的两种，前者包括名称、类型、特性等， 后者包括数量和等级，定性描述的属性如岩石类型、土壤种类、土地利用类型、 第2 章地理信息系统 行政区划等，定量的属性如面积、长度、土地等级、人口数量、降雨量、河流 长度、水土流失量等。非几何属性一般是经过抽象的概念，通过分类、命名、 量算、统计得到。任何地理实体至少有一个属性，而地理信息系统的分析、检 索和表示主要是通过属性的操作运算实现的，因此，属性的分类系统、量算指 标对系统的功能有较大的影响。 地理信息系统特殊的空间数据模型决定了地理信息系统特殊的空间数据结 构和特殊的数据编码，也决定了地理信息系统具有特色的空间数据管理方法和 系统空间数据分析功能，成为地理学研究和资源管理的重要工具。 2 3 4 系统开发、管理和使用人员 人是g i s 中的重要构成因素。地理信息系统从其设计、建立、运行到维护 的整个生命周期，处处都离不开人的作用。仅有系统软硬件和数据还构不成完 整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充 完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型提取多种信息，为研究和决策 服务。 2 4 地理信息系统的功能和应用 2 4 1地理信息系统的功能 1 一般基本功能 地理信息系统属空间型数据管理系统，因此它同样应具备一般数据管理系 统所具有的数据输入、存贮、检索、显示输出等项一般的基本功能。 ( 1 ) 数据输入、存贮、编辑功能 数据输入：即在数据处理系统中，将外部多种来源、多种形式的原始数据 ( 包括空间数据和属性数据) 传输给系统内部，并将这些数据从外部格式转换 为系统便于处理的内部格式的过程。它包括数字化、规范化和数据编码三个方 面。数字化有扫描数字化和手扶跟踪数字化，经过模数变换、坐标变换等将外 部的数据转化成系统所能接受格式的数据文件，存入数据库。规范化指对不同 比例尺、不同投影坐标系统、统一记录格式，以便在同基础上工作。而数据 东北电力大学硕士学位论文 编码是根据一定的数据结构和目标属性特征，将数据转换为便于计算机识别和 管理的代码或编码字符。 数据存储：是将输入的数据以某种格式记录在计算机内部或磁盘、磁带等 存储介质上。 数据编辑：指系统可以提供修改、增加、删除、更新数据等，一般以人机 对话方式实现。 ( 2 ) 数据的操作与处理 为满足用户需求，必须对数据进行一系列的操作运算与处理。主要操作包 括坐标变换、投影变换、空间数据压缩、空间数据内插、空间数据类型的转换、 图幅边缘匹配、多边型叠加、数据的提取等。主要的运算有算术运算、关系运 算、逻辑运算、函数运算等。 ( 3 ) 数据显示和结果输出 图形数据的数字化、编辑和操作分析过程、用户查询检索结果等都可以显 示在屏幕上。而最终结果输出，除屏幕显示外，可根据用户要求输出到打印机、 绘图仪、或者记录在磁带、磁盘上。输出结果可以是数据、表格、报告、统计 图、专题图等多种形式。针对不同的外围设备，系统应备有相应的接口支持软 件。 2 制图功能 这是g i s 最重要的一种功能，对多数用户来说，也是用得最多最广的一个 功能。g i s 的综合制图功能包括专题地图制作，在地图上显示出地理要素，并 赋予数值范围，同时可以放大缩小以表明不同的细节层次。g i s 不仅可以为用 户输出全要素图，而且可以根据用户需要分层输出各种专题地图，以显示不同 要素和活动的位置，或有关属性内容。例如，矿产分布图、城市交通图、旅游 图等。通常这种含有属性信息的专题地图主要有多边形图、线状图、点状图三 种基本形式，也可由这几种基本图形综合组成各种形式和内容的专题图。 3 地理数据库的组织与管理 对于那些将地理位置作为基本变量或记录属性的数据库，g i s 可以作为数 据库集成和更新的重要工具之一。进行数据库的组织主要取决于数据输入的形 式，以及利用数据库进行查询、分析和结果输出等方式，它包括数据库定义、 第2 章地理信息系统 数据库建立与维护、数据库操作、通讯等功能。 4 空间查询与空间分析功能 g i s 的面向用户的应用功能不仅仅表现在它能提供一些静态的查询、检索 数据，更有意义的在于用户可以根据需要建立一个应用分析的模式，通过动态 的分析，从而为评价、管理和决策服务。这种分析功能可以在系统操作运算功 能的支持下或建立专门的分析软件来实现，如空间信息量测与分析、统计分析、 地形分析、网络分析、叠置分析、缓冲分析、决策支持等。系统本身是否具有 建立各种应用模型的功能是判别它好坏的重要标志之一，因为这种功能在很大 程度上决定了该系统在实际应用中的灵活性和经济效益。 空间查询和空间分析是从g i s 目标之间的空间关系中获取派生的信息和新 的知识，用以回答有关空间关系的查询和应用分析。 ( 1 ) 拓扑空间查询 在此操作中，用户将地图当作查询工具，而不仅仅是数据载体。空间目标 之间的拓扑关系可以有两类：一种是几何元素的结点、弧段和面块之间的关联 关系，用以描述和表达几何元素间的拓扑关系；另一种是g i s 中地物之间的空 间拓扑关系，可以通过关联关系和位置关系隐含表达，用户需通过特殊的方法 查询。 这些空间关系主要有以下几项：面与面的关系；线与线的关系：点与点的 关系：线与面的关系；点与线的关系；点与面的关系。 ( 2 ) 缓冲区分析 缓冲区用以确定围绕某地要素绘出的定宽地区，以满足一定的分析条件。 点的缓冲区是个圆饼，线的缓冲区是个条带状，多边形的缓冲区则是个更大的 相似多边形。缓冲区分析是g i s 中基本的空间分析功能之一，尤其对于建立影 响地带是必不可少的。如道路规划中建立缓冲区以确定道路两边若干距离内的 土地利用性质。 ( 3 ) 距离分析及相邻相接分析 距离分析提供了在地图上距离的功能，相邻分析确定哪些地图要素与其它 要素相接触或相邻，而相接分析则结合距离和相邻分析两者的针对性，提供确 定地图要素间邻近或邻接的功能。相邻和相接分析广泛应用于环境规划和影响 东北电力大学硕i 二学位论文 评价的公共部门。大多数g i s 软件目前不能直接进行相邻相接分析，而是通过 先建立一定要求的缓冲区，再与其它图形要素进行叠置分析的间接方法解决。 制图功能、地理数据库、空间查询与空间分析能力是g i s 最具有独特吸引 力所在。而系统是否具有良好的用户接口和各种应用分析程序的支持也是至关 重要的，但是应由g i s 开发人员和用户来共同完成的。 2 4 2 地理信息系统的应用 1 测绘与地图制图 地理信息系统技术源于机助制图。地理信息系统( g i s ) 技术与遥感( r s ) 、 全球定位系统( g p s ) 技术在测绘界的广泛应用，为测绘与地图制图带来了一 场革命性的变化。集中体现在：地图数据获取与成图的技术流程发生的根本的 改变；地图的成图周期大大缩短；地图成图精度大幅度提高；地图的品种大大 丰富。数字地图、网络地图、电子地图等一批崭新的地图形式为广大用户带来 了巨大的应用便利。测绘与地图制图进入了一个崭新的时代。 2 资源管理 资源清查是地理信息系统最基本的职能，这时系统的主要任务是将各种来 源的数据汇集在一起，并通过系统的统计和覆盖分析功能，按多种边界和属性 条件，提供区域多种条件组合形式的资源统计和进行原始数据的快速再现。以 土地利用类型为例，可以输出不同土地利用类型的分布和面积，按不同高程带 划分的土地利用类型，不同坡度区内的土地利用现状，以及不同时期的土地利 用变化等，为资源的合理利用、开发和科学管理提供依据。 3 城乡规划 城市与区域规划中要处理许多不同性质和不同特点的问题，它涉及资源、 环境、人口、交通、经济、教育、文化和金融等多个地理变量和大量数据。地 理信息系统的数据库管理有利于将这些数据信息归并到统一系统中，最后进行 城市与区域多目标的开发和规划，包括城镇总体规划、城市建设用地适宜性评 价、环境质量评价、道路交通规划、公共设施配置，以及城市环境的动态监测 等。这些规划功能的实现，是以地理信息系统的空间搜索方法、多种信息的叠 加处理和一系列分析软件( 回归分析、投入产出计算、模糊加权评价、o 1 规划 第2 章地理信息系统 模型、系统动力学模型等) 加以保证的。我国大城市数量居于世界前列，根据 加快中心城市的规划建设，加强城市建设决策科学化的要求，利用地理信息系 统作为城市规划、管理和分析的工具，具有十分重要的意义。 4 灾害监测 利用地理信息系统，借助遥感遥测的数据，可以有效地用于森林火灾的预 测预报、洪水灾情监测和洪水淹没损失的估算，为救灾抢险和防洪决策提供及 时准确的信息。1 9 9 4 年的美国洛杉机大地震，就是利用a r c i n f o 进行灾后 应急响应决策支持，成为大都市利用g i s 技术建立防震减灾系统的成功范例。 5 环境保护 利用g i s 技术建立城市环境监测、分析及预报信息系统；为实现环境监测 与管理的科学化自动化提供最基本的条件；在区域环境质量现状评价过程中， 利用g i s 技术的辅助，实现对整个区域的环境质量进行客观地、全面地评价， 以反映出区域中受污染的程度以及空间分布状态。 6 国防 现代战争的一个基本特点就是“三s ”技术被广泛地运用到从战略构思到 战术安排的各个环节，它往往在一定程度上决定了战争的成败。 7 宏观决策支持 地理信息系统利用拥有的数据库，通过一系列决策模型的构建和比较分析， 为国家宏观决策提供依据。例如系统支持下的土地承载力的研究，可以解决土 地资源与人口容量的规划。我国在三峡地区研究中，通过利用地理信息系统和 机助制图的方法，建立环境监测系统，为三峡宏观决策提供了建库前后环境变 化的数量、速度和演变趋势等可靠的数据。 总之，地理信息系统正越来越成为国民经济各有关领域必不可少的应用工 具，相信它的不断成熟与完善将为社会的进步与发展作出更大的贡献。 2 4 3 地理信息系统软件开发的基础平台 不仅国际上的地理信息系统开发已进入专业化、商业化的阶段，而且随着 地理信息系统技术产业化发展，各种地理信息系统层出不穷。据不完全统计， 能够提供时常的商业化地理信息系统和有关软件产品已达2 0 0 多种，世界范围 东北电力大学硕十学位论文 内众多、知名度较高的有七八种软件，其中大部分已进入中国市场。这里尽列 出几种较为先进、应用广泛的地理信息系统软件：e s r i 公司的a r c i n f o 产品、 m a p i n f o 公司的m a p i n f o 产品、b e n t l e y 公司的m i c r os t a t i o n 产品、i n t e r g r a p h 公司g e o m e d i a 系列产品、澳大利亚g e n a s y s 公司的g e n a m a p 、加拿大a p o l l o 集团t i t a ng i s 3 、美国c a l i p e r 公司的m a p t i t u d e 、武汉中地公司的m a p g i s 、 武汉吉奥公司的g e o s t a r 、北京超图公司的s u p e r m a p2 0 0 0 、北京华图公司的 o p e n i n f og i s 、北京朝夕公司的m a p e n g i n e 等。 第3 章组件式地理信息系统及其在配电网的麻用 第3 章组件式地理信息系统及其在配电网的应用 3 1 组件技术原理及应用 3 1 1 组件技术原理 目前，在软件开发领域，一场新的革命正在悄悄兴起，这是由日趋成熟的 组件技术引发的。几年以前，当微软公司首先使用o l e 的时候，其初衷是为了 增强软件的互操作性。然而在使用过程中，人们逐渐认识到这一技术背后的实 质性内容和它在软件开发中所扮演的重要角色。组件技术以前所未有的方式提 高了软件产业的生产效率，这一点已逐步成为软件开发人员的共识。传统的c s 结构、群件、中间件等大型软件系统的构成形式，都将在组件的基础上重新构 造。 组件技术使近二十年来兴起的面向对象技术进入到成熟的实用化阶段。在 组件技术的概念模式下，软件系统可以被视为相互协同工作的对象集合，其中 每个对象都会提供特定的服务，发出特定的消息，并且以标准形式公布出来， 以便其他对象了解和调用。组件间的接口通过一种与平台无关的语言i d l ( i n t e r f a c ed e f i n el a n g u a g e ) 来定义，而且是二进制兼容的，使用者可以直接 调用执行模块来获得对象提供的服务。早期的类库，提供的是原代码级的重用， 只适用于比较小规模的开发形式；而组件则封装得更加彻底，更易于使用，并 且不限于c + + 之类的语言，可以在各种开发语言和开发环境中使用。 由于组件技术的出现，软件产业的形式也随之发生了很大的变化。大量组 件生产商涌现出来，并推出各具特色的组件产品；软件集成商则利用适当的组 件快速生产出用户需要的某些应用系统；大而全的通用产品逐步减少；很多相 对较为专业，但用途广泛的软件，如g i s 、语音识别系统等，都以组件的形式 组装和扩散到一般的软件产品中【o j 。 东北电力大学硕士学位论文 3 1 2 组件技术应用 c o m 是组件式对象模型( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 的英文缩写，是组件之 间相互接i s l 的规范，是o l e ( o b j e e tl i n k i n g & e m b e d d i n g ) 和a e t i v e x 共同的基 础，其作用是使各种软件构件和应用软件能够用一种统一的标准方式进行交互。 c o m 不是一种面向对象的语言，而是一种与源代码无关的二进制标准。c o m 所建立的是一个软件模块与另一个软件模块之间的链接，当这种链接建立之后， 模块之间就可以通过称之为“接口打的机制来进行通信。c o m 标准增加了保 障系统和组件完整的安全机制，并扩展到分布式环境。 c o m 本质上仍然是客户服务器模式。客户( 通常是应用程序) 请求创建 c o m 对象并通过c o m 对象的接口操纵c o m 对象。服务器根据客户的请求创 建并管理c o m 对象。客户和服务器这两种角色并不是绝对的。 a e t i v e x 是微软公司的构件技术标准，实际上是对象嵌入与炼接( o l e ) 的新版本，使o l e 接口加强了对数据和特性的管理，效率更高，而且更加便于 进行i n t e m e t 交互操作。作为针对i n t e m e t 应用开发的技术，a c t i v e x 被广泛应 用于w e b 服务器以及客户端的各个方面。同时，a e t i v e x 技术也被用于方便地 创建普通的桌面应用程序。 a c t i v e x 控件是建立在c o m 标准上的独立的软件元件，提供给用户应用接 口，发送相应的事件，开发者则可以截取这些事件，执行相应的功能。a e t i v e x 控件是充分利用o l e 和a e t i v e x 技术的自定义控件，是基于与应用程序无关的 思想而设计的，其目标是提供一种面向对象、与操作系统无关、与机器平台无 关、可以在应用程序之间互相访问对象地机制。a e t i v e x 控件开发端和使用端 是完全独立的，可以用d e l p h i 、v b 等各种语言来开发，又可以用于不同语言、 不同开发平台、不同的系统环境中。a e t i v e x 控件是一个a e t i v e x 服务器，它 能提供所有的o l e 功能和服务，包括可视化编辑、拖放和o l ea u t o m a t i o n 。 与所有的a c t i v e x 服务器一样，要使用a c t i v e x 控件，必须先对a e t i v e x 控件 进行注册，应用程序通过注册后得到的类i d 号找到控件的数据源进行访问。 a c t i v e x 控件可以由v b 、v c 、d e l p h i 等开发工具生成o c x 文件时自动进行注 册，也可以手工注册，其实质都是通过运行应用程序r e g s v r 3 2 e x e 来实现。 第3 章组件式地理信息系统及其在配电网的戍用 3 2 组件式地理信息系统( c o m g is ) 3 2 1c o m gls 基本思想 组件式软件技术已经成为当今软件技术的潮流之一，为了适应这种技术潮 流，g i s 软件象其他软件一样，已经或正在发生着革命性的变化，即由过去厂 家提供了全部系统或者具有二次开发功能的软件，过渡到提供组件由用户自己 再开发的方向上来。无疑，组件式g i s 技术将给整个g i s 技术体系和应用模式 带来巨大影响。 g i s 技术的发展，在软件模式上经历了功能模块、包式软件、核心式软件， 从而发展到组件式g i s 和w e b g i s 的过程。传统g i s 虽然在功能上已经比较成 熟，但是由于这些系统多是基于十多年前的软件技术开发的，属于独立封闭的 系统。同时，g i s 软件变得日益庞大，用户难以掌握，费用昂贵，阻碍了g i s 的普及和应用。组件式g i s 的出现为传统g i s 面临的多种问题提供了全新的解 决思路。 组件式g i s 的基本思想是把g i s 的各大功能模块划分为几个控件，每个控 件完成不同的功能。各个g i s 控件之间，以及g i s 控件与其它非g i s 控件之间， 可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的g i s 应用。控件 如同一堆各式各样的积木，他们分别实现不同的功能( 包括g i s 和非g i s 功能) ， 根据需要把实现各种功能的“积木一搭建起来，就构成应用系统。 3 2 2c o m gis 发展 国际上大多数g i s 软件公司把开发组件式软件作为重要的发展战略。 i n t e r g r a p h 公司声称已经进入组件式g i s 的时代，它推出的g e o m e d i a 组件式 g i s 软件是其庞大的j u p i t e r 计划中的一部分。e s r i 和m a p l n f o 也分别推出了 m a p o b j e c t s 和m a p x 。我国也正在研制国产的组件式g i s 软件一a c t i v e m a p ( 其 升级版本现更名为s u p e r m a p ) ，已经在“香港综合地理信息系统一、“南宁市 土地信息系统一、“香港之窗等系统中成功应用并得到实践检验 7 1 。 几乎在开发组件式g i s 的同时，出现了万维网o i s ( w e b g i s ) 。万维网g i s 东北电力大学硕十学位论文 是i n