何祖祥， 李 寄， 楊 帆

(中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

ArcGIS環(huán)境下基于DEM的油氣管道坡度分析

何祖祥， 李 寄， 楊 帆

(中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

坡度作為重要的地形指標(biāo)，是山區(qū)段油氣管道的路由優(yōu)化設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)前期線路工程量估算的重要參考依據(jù)，以數(shù)字高程模型(DEM)為基礎(chǔ),采用ArcGIS軟件的空間分析功能，制作山區(qū)段的坡度分級(jí)圖；然后對(duì)管道線路與坡度分級(jí)矢量數(shù)據(jù)在ArcGIS環(huán)境下執(zhí)行交叉空間分析，并對(duì)交叉分析結(jié)果進(jìn)行人工干預(yù)，獲取不同坡度值和橫坡縱坡類型下管道經(jīng)過的長度，根據(jù)坡度長度統(tǒng)計(jì)結(jié)果來指導(dǎo)山區(qū)段管道前期設(shè)計(jì)階段的水工保護(hù)量、土石方量等線路工程量的初步估算。

油氣管道；坡度；橫坡；縱坡

0 引 言

數(shù)字高程模型DEM(Digital Elevation Model)是用離散坐標(biāo)表達(dá)區(qū)域內(nèi)地貌形態(tài),以微縮形式再現(xiàn)地表起伏變化特征,具有形象、精確的特點(diǎn)。數(shù)字高程模型包含了豐富的地形地貌、水文信息,通過數(shù)字高程模型可提取大量的地表形態(tài)信息[1]。

人們常用等高線、坡度坡向、剖面和三維透視圖等圖形或數(shù)據(jù)表達(dá)地形的各種特征,產(chǎn)生這些產(chǎn)品的過程稱為地形分析。傳統(tǒng)的地形分析是利用二維平面圖形進(jìn)行的,從紙質(zhì)地圖的地形分析到基于數(shù)字地圖的地形分析,地形分析的技術(shù)手段和效率有了很大提高,而基于DEM的三維地形分析相比于基于數(shù)字地圖的地形分析又是一次飛躍。按對(duì)象和處理過程的復(fù)雜程度,地形分析可分為兩類:一類是基本地形因子,包括坡度、坡向、粗糙度的計(jì)算;另一類則是包括可視性分析、地形特征提取分析在內(nèi)的復(fù)雜地形分析。

與其他數(shù)字地形數(shù)據(jù)相比,DEM有其明顯優(yōu)勢(shì)。首先,DEM可以便捷地以各種比例尺和多種形式表達(dá)地形信息,如多種比例尺的縱橫斷面圖及立體透視圖等。其次,DEM數(shù)據(jù)適用于各種定量分析與建模,容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和實(shí)時(shí)化,如三維分析模塊使ArcGIS的三維空間數(shù)據(jù)分析能力有了很大的提高,能基于DEM進(jìn)行空間分析處理,包括連線可視性分析、等高線生成、點(diǎn)高程內(nèi)插、坡度坡向分析、表面積和容積計(jì)算等[2]。

坡度作為重要的地形指標(biāo),是山區(qū)段油氣管道的路由優(yōu)化設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)前期線路工程量估算的重要參考依據(jù),不同坡度級(jí)別和坡度類型下管線長度的獲取直接影響線路工程量的計(jì)算精度,山區(qū)段管線水工保護(hù)工程量、土石方工程量估算,以及焊接方式的選取等都與坡度分析密切相關(guān)[3]。在以往管道經(jīng)過橫坡、縱坡的分析統(tǒng)計(jì)中,山區(qū)段坡度一般采用人工逐段量取獲取的方式或其他粗略統(tǒng)計(jì)方法來獲取,這些方法獲取坡度數(shù)據(jù)工作量大,工作效率低下[4],而且數(shù)據(jù)可信度差,直接影響結(jié)果的真實(shí)性和客觀性。

本文結(jié)合國外某管道工程項(xiàng)目,以ASTER GDEM的30 m分辨率格網(wǎng)數(shù)字高程模型為數(shù)據(jù)源(本數(shù)據(jù)從中科院地理空間數(shù)據(jù)云下載獲取,ASTER數(shù)據(jù)覆蓋地球大陸塊的99%,跨度從北緯83度到南緯83度),利用ArcGIS軟件的方法分析地形的坡度值,依托軟件強(qiáng)大的空間分析功能,在ArcGIS環(huán)境下對(duì)油氣管道進(jìn)行坡度分析,制作坡度分級(jí)圖,計(jì)算坡度數(shù)據(jù),并在此基礎(chǔ)上,疊加初選的管道線路文件,采用多種空間分析方法來確定不同坡度等級(jí)下管線的長度,并滿足與坡度數(shù)據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)工程量的估算。

1 坡度計(jì)算模型

坡度表示地表面在該點(diǎn)P的傾斜程度,定義為水平面與局部地表面之間的夾角,坡度計(jì)算模型為

(1)

其中,(?z/?x)和(?z/?y)分別為x,y方向的偏導(dǎo)數(shù)[5]。見圖1所示,G表示格網(wǎng)尺寸,ei(i=l,2,…,8)表示中心點(diǎn)e周圍格網(wǎng)點(diǎn)的高程。利用坡度計(jì)算公式得出每個(gè)格網(wǎng)的坡度值,然后生成坡度柵格數(shù)據(jù)圖,計(jì)算時(shí)采用3×3窗口,中心像素及其相鄰的八個(gè)像素的值確定水平增量和垂直增量,常用的坡度計(jì)算模型[6]見表1所列。

圖1 DEM的3×3局部移動(dòng)窗口

表1 坡度計(jì)算模型

算 法?z/?y?z/?x二階差分(e1-e3)/2G(e4-e2)/2G三階不帶權(quán)差分(Sharpnack算法)(e8-e7+e1-e3+e5-e6)/8G(e7-e6+e4-e2+e8-e5)/8G三階反距離平方權(quán)差分(Horn算法)[(e8-e7+2(e1-e3)+e5-e6)]/8G[(e7-e6+2(e4-e2)+e8-e5)]/8G

ArcGIS軟件自帶的坡度分析模塊,其坡度計(jì)算模型為表1中的三階反距離平方權(quán)差分(Horn算法),該方法將一個(gè)平面與要處理的像素或中心像素周圍一個(gè)3×3的像素鄰域的e值進(jìn)行擬合,該平面的朝向就是待處理像素的坡向。坡度值越小,地勢(shì)越平坦;坡度值越大,地勢(shì)越陡峭。

2 坡度分級(jí)圖建立

2.1 坡度柵格數(shù)據(jù)分級(jí)

鑒于管線的帶狀特征,為提高ArcGIS環(huán)境下坡度分析的運(yùn)算效率,對(duì)管線兩側(cè)一定寬度范圍內(nèi)建立緩沖區(qū),以此范圍對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行裁切處理,然后在裁切后數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行坡度分析。本工程案例中緩沖區(qū)范圍為管線兩側(cè)各10 km的區(qū)域進(jìn)行空間分析。

根據(jù)處理后的DEM進(jìn)行坡度計(jì)算,生成緩沖范圍內(nèi)柵格格式的的原始坡度圖(圖2),然后應(yīng)用ArcGIS軟件Toolbox中的重分類功能[7],按工程項(xiàng)目的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)原始的柵格坡度數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度分級(jí)[8],即按照設(shè)定的映射表,將一定數(shù)值范圍內(nèi)的像素進(jìn)行聚類,從而將整個(gè)原始坡度圖分為若干種類的數(shù)據(jù),并

圖2 原始坡度柵格圖

形成新的柵格數(shù)據(jù)輸出(圖3)。本工程根據(jù)技術(shù)規(guī)程的要求,管線所在地形區(qū)域分6個(gè)坡度等級(jí)(角度范圍含上不含下),坡度重新分級(jí)如表2所列。

圖3 坡度重新分級(jí)后的柵格圖

表2 坡度重新分級(jí)表

坡度分級(jí)≤5°5°～10°10°～15°15°～25°25°～35°>35°坡度級(jí)代碼1級(jí)2級(jí)3級(jí)4級(jí)5級(jí)6級(jí)

2.2 坡度分級(jí)數(shù)據(jù)矢量化

ArcGIS研究的數(shù)據(jù)是地理空間數(shù)據(jù),柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)是地理信息系統(tǒng)中空間數(shù)據(jù)組織的兩種最基本的方式。柵格數(shù)據(jù)是以二維矩陣的形式來表示空間地物的數(shù)據(jù)組織方式,每個(gè)矩陣單位稱為一個(gè)柵格單元;矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是利用點(diǎn)、線、面的形式來表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界,其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊,有利于檢索分析。因此,為了進(jìn)一步方便分析,采用ArcGIS中的圖像轉(zhuǎn)多邊形功能模塊將柵格坡度分級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化,并對(duì)矢量化后的圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行消除零碎圖斑處理[9],生成坡度分級(jí)矢量圖形,矢量化后的分級(jí)數(shù)據(jù)見圖4(a)。

通過查看處理后的坡度數(shù)據(jù)屬性表,可以看到各面狀區(qū)塊的坡度分級(jí)、坡面周長和面積等信息(圖5(a)),可用SQL語言對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性計(jì)算篩選,如圖4(b)選出坡度分級(jí)≥4級(jí)(即15度以上),同時(shí)將面積大于9×104m2的坡度面狀區(qū)域顯示出來(圖4(b)),假設(shè)按照此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行線路選線及優(yōu)化調(diào)整需要避開的區(qū)域,可以把這些選中的矢量多邊形數(shù)據(jù)導(dǎo)出至Google Earth中用于線路的進(jìn)一步優(yōu)化。

圖4 矢量化后的坡度分級(jí)圖

3 管線經(jīng)過橫坡縱坡長度

橫坡敷設(shè)是指管道以基本平行于等高線的敷設(shè)方式通過坡面,在山區(qū)管道的建設(shè)中,由于地形起伏較大、地質(zhì)條件復(fù)雜等因素的制約,橫坡敷設(shè)是較為常見,又不可避免的一種管道敷設(shè)方式。管道橫坡敷設(shè)時(shí),施工過程中必須要進(jìn)行掃線(清理作業(yè)帶、開辟施工便道)和管溝開挖工作。在上述兩種工作狀況下,會(huì)對(duì)原始穩(wěn)定坡面產(chǎn)生一定程度的擾動(dòng),會(huì)降低原始坡面的穩(wěn)定,對(duì)管道的施工運(yùn)營造成潛在危險(xiǎn),因而在線路選線中盡量避免大角度的橫坡段。

把初選的線路路由文件導(dǎo)入到ArcGIS環(huán)境中,與矢量化的坡度分級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉空間分析,然后把交叉分析的結(jié)果屬性表數(shù)據(jù)導(dǎo)出后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(如圖5(b)),得到分析段管道全線經(jīng)過的不同坡度下的長度統(tǒng)計(jì),見表3所列。

圖5 坡度矢量圖形的屬性數(shù)據(jù)

表3 管道經(jīng)過坡度長度統(tǒng)計(jì)

坡度分級(jí)代碼管道穿過長度/km所占百分比/(%)備注0°～5°195 4678 615°～10°221 0717 3510°～15°33 713 0515°～25°40 940 7725°～35°50 240 2235°～90°6——————管線已避繞

由于坡度在5°以下的區(qū)段地形相對(duì)平坦,基本上可不考慮橫坡縱坡的分類,在DEM自動(dòng)生成的等高線基礎(chǔ)上,用SQL語言篩選出≥5°坡度情況下交叉管線段的編號(hào),通過人工交互快速判斷不同坡度下管線段與等高線的位置相互關(guān)系來判斷橫坡、縱坡類型,也就是對(duì)坡度穿越統(tǒng)計(jì)表中的管線段進(jìn)行橫坡、縱坡賦值,最終得到不同坡度值、坡度類型下管道穿越的長度統(tǒng)計(jì)表,如表4所列。

表4 坡度類型長度統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表4的分析結(jié)果,結(jié)合依據(jù)地形參數(shù)的水工保護(hù)工程量、土石方工程量估算方法,以及熱煨彎管和冷彎管等分項(xiàng)估算指標(biāo),便可得到部分線路工程量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,用于指導(dǎo)前期設(shè)計(jì)工程量的估算。

4 結(jié)束語

(1) 分析結(jié)果精度較高,可靠性好。所產(chǎn)生的坡度分析結(jié)果具有客觀性和唯一性,避免坡度人工盲目判別的隨意性所產(chǎn)生的統(tǒng)計(jì)誤差。

(2) 工作效率高。計(jì)算和分析整個(gè)過程都由計(jì)算機(jī)處理,速度快、結(jié)論精準(zhǔn)、可利用性強(qiáng),避免了人為因素對(duì)數(shù)據(jù)分析造成的影響[10]。

在大數(shù)據(jù)時(shí)代,DEM高程模型數(shù)據(jù)來源免費(fèi)快捷,并且精度基本能滿足前期設(shè)計(jì)的需要。文中所述方法可通用于設(shè)計(jì)各個(gè)階段,DEM數(shù)據(jù)精度直接決定管道坡度統(tǒng)計(jì)分析的可信度。如果在項(xiàng)目后期獲取了航測(cè)或激光雷達(dá)LIDAR等精度更高的DEM數(shù)據(jù),可采用此方法做更加精確的坡度分析統(tǒng)計(jì),使得線路選擇愈發(fā)精細(xì),工程量統(tǒng)計(jì)更加精準(zhǔn)。

[1] 郎玲玲，程維明，朱啟疆,等.多尺度DEM提取地勢(shì)起伏度的對(duì)比分析[J].地球信息科學(xué), 2007，9(6):3～5．

[2] 王永峰，徐 瑩，王 濤,等.基于數(shù)字高程模型制作山區(qū)坡度分級(jí)柵格數(shù)據(jù)[J].測(cè)繪與空間地理信息， 2014，37(12):36～37．

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[4] 滕利強(qiáng)，王 亮.ArcGIS空間分析功能在流域坡度分析中的應(yīng)用[J].中國水土保持，2008(4):40～41．[5] 劉海飛，楊敏華，周 軍,等.基于ArcGIS平臺(tái)的坡度分級(jí)圖快速制作[J].山西建筑，2014，3(40):263～264．

[6] 劉建華.如何利用DEM在ArcGIS中制作坡度分級(jí)圖[J].測(cè)繪與空間地理信息，2011，34(1):140．

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2016-07-21；修改日期：2016-07-29

何祖祥(1978-)，男，湖北仙桃人，中國石油天然氣管道工程有限公司工程師．

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A

1673-5781(2016)04-0483-04