劉瑞凱，張 迪，李二偉，晏 軍，卜明哲

（中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 華北分公司管道線路室， 河北 任丘 062552）

近年來(lái)，隨著地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，人們對(duì)長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)過(guò)程的要求進(jìn)一步提高。工程項(xiàng)目的管理不再滿足于現(xiàn)行管道線路設(shè)計(jì)軟件 CAD 系統(tǒng)在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中的計(jì)算、繪圖、制表等確定性問(wèn)題。而是越來(lái)越多的關(guān)注對(duì)長(zhǎng)輸管道選線及站場(chǎng)選址設(shè)計(jì)必須考慮的影響因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；越來(lái)越多的關(guān)心設(shè)計(jì)方案生成、方案比選與優(yōu)化功能的實(shí)現(xiàn)[1]?？辈煸O(shè)計(jì)方式不再只依賴實(shí)地初勘，更多的轉(zhuǎn)向依靠GIS技術(shù)進(jìn)行線路初選[2]。而ArcGIS 平臺(tái)的發(fā)展為工程選線技術(shù)集成越來(lái)越豐富的選線應(yīng)用模型提供了基礎(chǔ)。本文主要介紹基于ArcGIS與層次分析法的選線模型。

1 模型建立

長(zhǎng)輸管道選線受多重因素制約，既要考慮地形、地物、地質(zhì)水文等自然因素，還要考慮地方規(guī)劃、礦產(chǎn)、農(nóng)業(yè)用地、環(huán)境影響、歷史文物等社會(huì)因素，因此需多層次分析。根據(jù)長(zhǎng)輸管道工程項(xiàng)目的技術(shù)要求構(gòu)造合理的層次結(jié)構(gòu)和模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是該選線模型構(gòu)造的關(guān)鍵。而如何利用ArcGIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)選線模型的構(gòu)想，則主要依靠信息地理系統(tǒng)功能的進(jìn)一步完善。要構(gòu)造選線模型，首先應(yīng)對(duì)影響選線的主要因素進(jìn)行分析，將各因素對(duì)選線模型的影響以數(shù)據(jù)形式反映到ArcGIS平臺(tái)中，各構(gòu)造層的權(quán)重值可作為GIS矢量數(shù)據(jù)庫(kù)的重要屬性值，供系統(tǒng)分析處理所用。

1.1 數(shù)學(xué)模型

1.1.1 層次分析法定義

層次分析法結(jié)合了定性分析與定量分析，是一種多目標(biāo)決策分析方法。根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)和要達(dá)到的目標(biāo)，將工程項(xiàng)目問(wèn)題按層次分析成若干因素，再按這些因素的所屬關(guān)系分組成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)。對(duì)同一層次內(nèi)的因素，兩兩比較以確定各因素之間的相對(duì)重要性權(quán)重。參照上一層次的方法構(gòu)建下一層次，下一層次的因素的重要性，既要考慮本層次又要考慮到上一層次的權(quán)重因子逐層計(jì)算，直至最后一層[3-4]。

1.1.2 層次分析法步驟

運(yùn)用層次分析法進(jìn)行線路方案決策時(shí)，大體上應(yīng)分為四個(gè)步驟進(jìn)行：

(1) 分析系統(tǒng)中各因素之間的關(guān)系，建立系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu), 見(jiàn)圖1。

圖1 長(zhǎng)輸管道選線影響因素層次結(jié)構(gòu)圖Fig.1 AHP Structure chart on Pipeline Route Selection Factors

(2) 設(shè)同一層次n個(gè)元素為B1,B2……Bn關(guān)于上一層某一準(zhǔn)則C進(jìn)行兩兩比較，得到數(shù)值bij，設(shè)

其中，i,j=1,2…n。若B為相應(yīng)于上一層因素C的判斷矩陣，判斷矩陣B的最大特征根為 λmax，屬于λmax標(biāo)準(zhǔn)化的特征向量為：

則 w1, w2,… …wn給出了因素 B1,B2……Bn相應(yīng)于因素C的按重要程度的一個(gè)排序；

(3)由判斷矩陣計(jì)算被比較元素對(duì)于該準(zhǔn)則的相對(duì)權(quán)重，設(shè)與當(dāng)前層次各因素B1,B2……Bn相關(guān)的上一層因素為C1,C2,……Cn，對(duì)于每一個(gè)Ci，都可求得一個(gè)權(quán)向量:

若已知上一層各因素的權(quán)重分別為：a1,a2,……am，則當(dāng)前層每個(gè)因素的組合權(quán)系數(shù)為：

(4) 計(jì)算各層元素對(duì)系統(tǒng)目標(biāo)的組合權(quán)重，并進(jìn)行各方案優(yōu)先程度的排序。

由于層次結(jié)構(gòu)建立時(shí)存在誤差，因此需驗(yàn)證其誤差程度是否會(huì)影響各因素的綜合排名，即進(jìn)行一致性指標(biāo)C.I檢驗(yàn)。

利用層次分析法可將選線過(guò)程中影響因素抽象到數(shù)學(xué)模型中，按照選線平臺(tái)要求的格式將數(shù)據(jù)輸入到長(zhǎng)輸管道選線系統(tǒng)中，即可確定影響長(zhǎng)輸管道選線的因素及其權(quán)重值。

2 ArcGIS平臺(tái)支持

GIS平臺(tái)為長(zhǎng)輸管道工程選線提供了多種空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確的空間與屬性數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)操作方法，為選線模型的建立提供了基礎(chǔ)。

2.1 數(shù)據(jù)收集及處理

GIS數(shù)據(jù)收集方式隨著航天技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步完善，其主要包括：

（1）野外GPS、經(jīng)緯儀、全站儀等方式數(shù)據(jù)收集；

（2）各類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)的手動(dòng)輸入；

（3）地圖數(shù)字化；

（4）攝影測(cè)量與遙感技術(shù)；

（5）由其他數(shù)據(jù)格式進(jìn)行的轉(zhuǎn)換；

由于收集數(shù)據(jù)對(duì)于后續(xù)模型建立的影響，因此有必要將收集的各種資料進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，刪除冗余數(shù)據(jù)，增加缺失數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)編輯包括圖形編輯和屬性編輯[5]。屬性編輯主要是完善屬性數(shù)據(jù)庫(kù)管理，由于數(shù)據(jù)格式不一致進(jìn)行必要的數(shù)字化、格式轉(zhuǎn)換。圖形編輯主要包括投影轉(zhuǎn)換、圖幅拼接、圖形變換及誤差編碼，同時(shí)利用拓?fù)潢P(guān)系自動(dòng)建立功能建立矢量數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系。

2.2 數(shù)字高程模型(DEM)

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，簡(jiǎn)稱DEM)是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型，是數(shù)字地形模型(Digital Terrain Model，簡(jiǎn)稱DTM)的一個(gè)分支，可以該模型為基礎(chǔ)派生坡度、坡向及坡度變化率等地貌特性。目前常在不規(guī)則三角網(wǎng)格算法TIN基礎(chǔ)上通過(guò)線性和雙線性內(nèi)插建立DEM。數(shù)字高程模型是數(shù)字地形的真實(shí)數(shù)字表達(dá)形式，它也可與數(shù)字正射影像或其它地圖數(shù)據(jù)相疊加，進(jìn)行地形相關(guān)的分析，工程選線主要涉及平面圖、縱斷面圖、工程量統(tǒng)計(jì)、透視圖等內(nèi)容，采用帶狀 DEM內(nèi)插出現(xiàn)縱斷面，可自動(dòng)繪制長(zhǎng)輸管道平面地形圖，數(shù)字高程模型是選線設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)。

以數(shù)字高程模型為前提的選線模型，將圖形數(shù)據(jù)作為具有地理意義的空間實(shí)體，屬性數(shù)據(jù)作為記錄空間實(shí)體的數(shù)據(jù)庫(kù)。利用層次分析模型合理的確定各影響長(zhǎng)輸管道選線因素并計(jì)算著因素的相對(duì)權(quán)重值。將層次分析模型提供的地區(qū)規(guī)劃、壓覆礦產(chǎn)賠付、房屋拆遷費(fèi)、土地利用、土方、環(huán)境效益和社會(huì)效益與地物信息、地質(zhì)水文條件等地形影響因素轉(zhuǎn)化為選線基本因素圖層。對(duì)于每一個(gè)柵格圖層的柵格單元，賦予該單元屬性值，該屬性值表征長(zhǎng)輸管線經(jīng)由該地的成本費(fèi)用，將上述表征費(fèi)用的各因素按照不同的權(quán)重進(jìn)行疊加，形成成本圖層。結(jié)合Dijkstra算法、SPFA算法、Bellman-Ford算法等最短路徑算法可得最小成本，將各個(gè)因素圖層按照權(quán)重值進(jìn)行疊加可得長(zhǎng)輸管道選線綜合成本圖層，以此為基礎(chǔ)可建立長(zhǎng)輸管道選線最優(yōu)路徑模型。

2.3 模型的三維可視化[6]

通過(guò) ArcGIS得到的長(zhǎng)輸管道選線最優(yōu)路徑模型要以三維方式顯示出來(lái)需要經(jīng)過(guò)一系列必要的變換，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、三維變換、選擇光照模型、紋理映射等，三維可視化的一般流程。以地理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)為條件基于虛擬現(xiàn)實(shí)、Java 3D、Active X控件等技術(shù)的三維建模技術(shù)使得與地形地物相關(guān)的線性模型三維路線顯示更加精細(xì)化。

3 結(jié) 論

利用層次分析模型得到影響選線的各因素及其權(quán)重，同時(shí)利用ArcGIS平臺(tái)建立以DEM模型為基礎(chǔ)的長(zhǎng)輸管道選線最優(yōu)路徑模型?？蛇M(jìn)行線路平面、縱斷面等平面設(shè)計(jì)，同時(shí)可完成工程量的統(tǒng)計(jì)，并以三維方式輸出。結(jié)合層次分析法數(shù)學(xué)模型可以更好的發(fā)揮地理信息系統(tǒng)的特長(zhǎng)，將地質(zhì)、水文、環(huán)境影響等因素對(duì)選線的影響反映出來(lái)。

［1］王慶革. 基于GIS的CAD地形圖管理與工程選址研究[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文， 2006.

［2］ 池淑文，王立剛, 等. GIS與層次分析法結(jié)合的項(xiàng)目選址研究[J].東北水利水電，2011(12)：59-61.

［3］胡運(yùn)權(quán),等. 運(yùn)籌學(xué)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003：436-439.

［4］鄧吉秋等，基于GIS的層次分析法的應(yīng)用[J]. 中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003， 34(1)：1-4.

［5］齊廣慧. 基于 RS 和 GIS 的油氣管道選線方法研究[D]. 北京：中國(guó)石油大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011(5)：26-28.

［6］景欽剛. 基于GIS的三維輸電線路規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究[J]. 電力建設(shè)，2008，29(6)：35-38.