Einsatz von 3D Geografischen Informationssystemen zur transparenten und nachhaltigen Planung von elektrischen Versorgungsnetzen

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501073
• Projekttitel Englisch: Application of 3D Geographic Information Systems for transparent and sustainable planning of electric power systems

Schlüsselwörter (Englisch)

Linear infrastructure, GIS, public participation, 3D visualization, optimization

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Durch die Entwicklung eines integrierten 3D Decision Support Systems (3D DSS) werden anhand ver-schiedener Einflussfaktoren optimale Korridore und mögliche Pfade für Hochspannungsleitungen be-rechnet und visualisiert. Das entwickelte System dient ebenso als Kommunikationsplattform für alle an einem Projekt beteiligten Parteien. Durch den ersichtlichen, transparenten Planungsprozess und durch die 3D-Visualisierung soll die Anzahl an Einsprüchen der betroffenen Bevölkerung reduziert werden, was Zeit und Kosten spart. Planer hingegen werden durch ein interaktives 3D DSS in der Festlegung und in der Präsentation ausgearbeiteter Korridore und Pfade unterstützt, was den Planungsprozess ebenso beschleunigen soll.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Defining the optimal path of transmission lines is a time consuming planning task that is often impacted by strong social opposition. The scope of this project is the development of an integrated 3D GIS web-platform to define the optimal path of a new transmission line, to enhance the communication among all stakeholders involved in a project and to reduce the social opposition. An improved 3D visualization to be utilized for community-based decision-making will demonstrate to the stakeholders the impact of the new project on the surroundings.

Schlussbericht (Deutsch)

Die Planung neuer Leitungen ist ein aufwendiger Prozess. Gründe dafür sind unter anderem, dass sehr viele heterogene Aspekte berücksichtigt werden müssen, Planungsarbeiten vorwiegend noch manuell verrichtet werden, Berechnungen unterschiedlicher Leitungsvarianten lange dauern und Einsprachen aufgrund mangelnder Akzeptanz in der Bevölkerung den Planungsprozess verlangsamen. Deshalb wurde im Rahmen des Projekts «Einsatz von 3D GIS zur transparenten und nachhaltigen Planung von elektrischen Versorgungsnetzen» ein 3D Decision Support System (3D DSS) entwickelt, das Planer, Amtsvertreter und betroffene Parteien gleichermassen im Planungsprozess von Leitungen unterstützen soll. Ziel war es, einen 3D DSS-Prototyp zu entwickeln, der zwischen zwei gegebenen Punkten im Raum unter Berücksichtigung unterschiedlicher, räumlich-expliziter Faktoren eine Kostenoberfläche berechnet und davon den optimalen Korridor und mögliche Trassees für eine Leitung ableitet. Dabei sollte das Vorgehen nach dem Sachplanverfahren berücksichtigt werden.

Für die Entwicklung des 3D DSS-Prototyps wurden für einen Betrachtungsraum zuerst GIS-Daten zu relevanten räumlichen Faktoren bezüglich Raum und Umwelt sowie zu technischen Aspekten zusammengestellt. Diese wurden dann so aufbereitet, dass sie gegeneinander abgewogen werden konnten. Modelle für multikriterielle Entscheidungsanalysen (MCDA) wurden entwickelt, mit denen basierend auf den gewichteten Faktoren eine Raumwiderstandskarte für den gesamten Betrachtungsraum berechnet wird. Zur Modellierung eines Planungsgebiets sowie eines möglichen Korridors wurde eine Least Cost Path (LCP)-Analyse generiert. Des Weiteren wurde ein Algorithmus erarbeitet, der für berechnete Korridore die indikativen Baukosten ermittelt. Für den Zugriff auf die Grundlagendaten und Modellierungsalgorithmen zur Berechnung von Raumwiderstandskarten, Planungsgebieten und Korridoren wurde ein Web-Interface entwickelt. In diesem Interface wurde der Web-basierte Globus CESIUM als Viewer eingebettet, auf dem die berechneten Korridore und Trassees in 3D visualisiert werden.

Die verschiedenen MCDA-Modelle, die im 3D DSS verwendet werden können, wurden mit einer Sensitivitätsanalyse untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass MCDA-Modelle, die sich überlappende Schutzgebiete berücksichtigen und ein kontinuierliches Begrenzungsmodell anwenden, einen Schutz von Landschaft und Lebensraum begünstigen und Siedlungsgebiete weitgehend umgehen. Wie das 3D DSS in der Praxis eingesetzt werden kann und wie gut seine Funktionen sind, wurde in einer Nutzerstudie und in drei Workshops in Zusammenarbeit mit Projektpartnern getestet. Mit dem 3D DSS können Alternativen schnell berechnet werden und es kann bei der Diskussion um geeignete Alternativen als Kommunikationsplattform dienen, um zu einer breit abgestützten Lösung zu gelangen. Während die Funktionsweise des Prototyps grundsätzlich gut ist, wurde das 3D DSS bezüglich der Resultate der Algorithmen noch als zu theoretisch beurteilt. Um tatsächlich für den Einsatz in der Praxis geeignet zu sein, ist eine weitere Kalibrierung, insbesondere der Datengrundlagen und der Möglichkeiten zum Einstellen der Widerstände und Gewichtungen von Kriterien, notwendig. Darüber hinaus sollte der Berechnungsalgorithmus Erdleitungen in Kombination mit Freileitungen berücksichtigen. Mit einem weiterentwickelten 3D DSS steht der Praxis ein wertvolles Instrument zur Verfügung, mit dem die Diskussion, die Transparenz und die Offenheit in Planungsprozessen von Leitungen gefördert werden kann.

Zugehörige Dokumente

• Einsatz von 3D GIS zur transparenten und nachhaltigen Planung von elektrischen Versorgungsnetzen - Schlussbericht (Version) [PDF] 2'978 kB

Schlussbericht (Englisch)

Planning transmission lines is a time consuming task as various aspects must be considered for decision-making and much work for computing path alternatives is done by hand. Furthermore, transmission line planning is often impacted by strong social opposition, which may lead to delays and thus, increase costs. We thus developed an integrated 3D Decision Support System (3D DSS) to support planners, officials, and affected citizens during the planning process for a new transmission line. The developed approach models the optimal corridor as well as a possible transmission line path between two arbitrary points by considering the procedure according to the sectoral plan for transmission lines (SÜL).

In order to satisfy legal requirements, we built a decision model based on available geodata that allows users to weight different factors concerning environment, spatial planning, and technical prerequisites against each other. We then used geospatial concepts to transfer this information onto a map that represents how worthy an area is of being protected. From this map, the optimal corridor, a possible path, and the expected costs could be derived by applying a Least Cost Path (LCP) analysis. Last, we implemented the described approach in a web interface while using CESIUM as virtual globe to represent the resulting corridors, paths, and pylon positions in 3D. In this way, users could quickly generate the resulting costs and virtual representations based on the decisions they took.

Furthermore, we investigated the effect of different MCDA models by conducting a sensitivity analysis. The results show that landscape and urban areas can be protected from building a power line by applying a decision model that considers overlapping and a continuously decreasing protective effect over its borders. Furthermore, we conducted three workshops to obtain experts’ feedback and evaluated the results of three user studies to improve the 3D DSS. Since the 3D DSS quickly computes alternatives, it is appropriate to support discussions for determining a consensus alternative. Whereas experts assessed the 3D DSS good functionality, the model needs to be further calibrated to be applicable in practice. Furthermore, the developed approach is optimized for determining overhead lines. Thus, the developed 3D DSS might be complemented by an approach that determines earth cables and combines them with overhead lines. An extended 3D DSS would be a valuable instrument in practice as it supports discussions and fosters transparency in the planning of transmission lines.

Schlussbericht (Französisch)

La planification de nouvelles lignes de transmission est une tâche qui prend beaucoup de temps, car de très nombreux aspects extérieurs doivent être considérés pour la prise de décision et une grande partie du travail de calcul des solutions alternatives se fait manuellement. De plus, la planification des lignes de transmission est souvent influencée par une forte opposition sociale, ce qui peut entraîner des retards et, par conséquent, une augmentation des coûts. Dans le cadre du projet « Intégration d’un GIS 3D pour une planification transparente et durable de réseaux d’approvisionnement en électricité », nous avons mis au point un système intégré d'aide à la décision en 3D (3D DSS) pour aider les planificateurs, les fonctionnaires et les citoyens concernés par le processus de planification de nouvelles lignes de transmission. L'approche développée modélise le corridor optimal ainsi qu'un trajet de ligne de transmission possible entre deux points arbitraires en considérant la procédure selon le plan sectoriel pour les lignes de transmission (SÜL). Le déroulement des opérations devant tenir compte bien entendu du processus de planification.

Afin de satisfaire aux exigences légales, nous avons construit un modèle de décision basé sur les géo-données disponibles qui permet aux utilisateurs de pondérer les différents facteurs concernant l'environnement, l'aménagement du territoire et les prérequis techniques les uns par rapport aux autres. Nous avons ensuite utilisé des concepts géospatiaux pour transférer cette information sur une carte (Least Cost Path (LCP)) qui détermine le niveau de couverture nécessaire pour une zone déterminée. Un algorithme d’analyse de la voie la moins coûteuse permet ensuite de déterminer le corridor et la trajectoire optimale ainsi que les coûts engendrés. Enfin, nous avons implémenté l'approche décrite ci-dessus dans une interface web tout en utilisant l’application CESIUM comme globe virtuel pour représenter les couloirs, chemins et positions de pylônes en 3D. De cette façon, les utilisateurs peuvent rapidement calculer les coûts et les représentations virtuelles en fonction des choix et prendre une décision.

En outre, nous avons étudié l'effet des différents modèles MCDA en effectuant une analyse de sensibilité. Les résultats montrent que les modèles MCDA qui prennent en considération les régions protégées se chevauchant et qui utilisent un modèle de limitation permanent, favorisent la protection de la campagne et des zones habitée et contournent largement les agglomérations urbaines. De plus, nous avons réalisé une étude d'utilisateurs et organisé trois ateliers de travail pour obtenir les commentaires des experts industriels et évaluer les résultats afin d’optimiser les fonctionnalités du 3D DSS. Le 3D DSS est capable de calculer rapidement des solutions alternatives, ce qui permet de fournir une plateforme de communication qui facilite les discussions en vue de déterminer une solution consensuelle. Bien que les experts aient évalué positivement les fonctionnalités du 3D DSS, le modèle est considéré comme encore trop théorique en rapport avec les résultats des algorithmes. Un calibrage supplémentaire s’avère nécessaire avant une mise en service effective. Plus particulièrement au niveau des bases de données et de la possibilité d’ajustement des résistances et de la pondération des différents critères. De plus, l’algorithme de calcul doit optimiser la relation entre les prises de terre et les lignes aériennes. Le 3D DSS ainsi développé pourrait être un instrument précieux dans la pratique, car il soutient efficacement les discussions et favorise la transparence dans les processus de planification des lignes de transmission.