楊艷梅，羅潔瀅，陳 勇，胡本剛

(1.西南石油大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 成都 610500；2.重慶工商職業(yè)學(xué)院 城市工程建設(shè)學(xué)院，重慶 400052； 3.國(guó)家測(cè)繪地理信息局 第六地形測(cè)量隊(duì)，四川 成都 610500)

0 引言

伴隨著城市化進(jìn)程的加快，地下管線作為城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，城市運(yùn)行和公眾生活對(duì)其的依賴程度越來(lái)越強(qiáng)[1-2]。但城市建設(shè)不斷加快，地下管線違章占?jí)呵闆r也不斷出現(xiàn)，影響管線的安全運(yùn)行，困擾著管線運(yùn)營(yíng)企業(yè)的正常生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)，對(duì)管線沿線的人民生命、財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此，對(duì)城市地下管線占?jí)弘[患進(jìn)行排查和評(píng)估具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，地下管線占?jí)旱难芯恐饕姓級(jí)弘[患排查和治理[3-5]、占?jí)鹤饔孟鹿艿懒W(xué)性能[6-8]、管土相互作用機(jī)理[9]等研究。針對(duì)管道占?jí)弘[患風(fēng)險(xiǎn)及方法的分析還較少，牛亞楠等人[10-11]采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)占?jí)弘[患進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，建立了占?jí)弘[患的模糊綜合評(píng)價(jià)模型；劉朝峰等人[12]綜合運(yùn)用屬性層次模型和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，建立了城市埋地管道占?jí)猴L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)用方法。二者均對(duì)隱患的影響因素進(jìn)行了分析且對(duì)隱患等級(jí)進(jìn)行了劃分，但未從占?jí)弘[患類型的角度進(jìn)行研究。盡管《城市燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50028-2006)[13]等標(biāo)準(zhǔn)有禁止城市地下管網(wǎng)直接占?jí)汉桶踩g距的要求，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)和施工環(huán)節(jié)往往出現(xiàn)近線占?jí)荷踔林苯诱級(jí)旱那闆r，目前缺乏有效、準(zhǔn)確的技術(shù)手段來(lái)辨識(shí)、發(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題。本文基于GIS空間分析的思路，從占?jí)旱念愋统霭l(fā)，建立地下管線占?jí)弘[患辨識(shí)數(shù)學(xué)模型，識(shí)別不同占?jí)弘[患類型和位置，建立占?jí)悍治黾夹g(shù)流程，綜合利用城市地下管線和地面建(構(gòu))筑物空間數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)城市地下管線占?jí)弘[患評(píng)價(jià)，為地下管線安全評(píng)價(jià)提供管理基礎(chǔ)和信息化工具，旨在從一個(gè)新的角度探索管線安全與城市發(fā)展的關(guān)系，為相關(guān)部門的工作提供指導(dǎo)和建議。

1 占?jí)罕孀R(shí)方法

管線占?jí)弘[患可以劃分為壓線隱患和近線隱患2類。如圖1所示，壓線隱患是指建(構(gòu))筑物直接占?jí)涸诠艿赖纳戏?，占?jí)何矬w邊界的投影與管道在投影面上交叉的隱患。近線隱患是指建(構(gòu))筑物沒(méi)有直接占?jí)涸诠艿赖纳戏?，占?jí)何矬w邊界的投影在管道的一側(cè)，但管道與占?jí)何锏膬艟鄾](méi)有滿足規(guī)范中相關(guān)要求的隱患[10]。

圖1 占?jí)侯愋虵ig.1 The type of occupying

進(jìn)行地下管線占?jí)悍治鰰r(shí)，首先確定地下管線與建(構(gòu))筑物的位置關(guān)系，平面上管線與建(構(gòu))筑物輪廓線的位置關(guān)系有3種：包含、相交和相離。對(duì)于前兩種，建筑物對(duì)管線構(gòu)成壓線占?jí)?，后一種則可能會(huì)構(gòu)成近線占?jí)骸?/p>

1.1 壓線占?jí)罕孀R(shí)數(shù)學(xué)模型

為了提高計(jì)算效率，首先排除遠(yuǎn)離建(構(gòu))筑物邊線的管段，可以做建(構(gòu))筑物多邊形的最小外接矩形[14]，保留與外接矩形相交或在外接矩形內(nèi)部的管線段，其具體方法如下：

比較多邊形各頂點(diǎn)坐標(biāo)的大小，求出其X與Y坐標(biāo)的最大最小值Xmax，Xmin，Ymax，Ymin，則多邊形的最小外接矩形左下角在(Xmin,Ymin)，右上角在(Xmax,Ymax)，如圖2所示。

如果管段至少有1個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)(XP,YP)使得式(1)成立，則管段可能與多邊形有交點(diǎn)或者包含于多邊形內(nèi)，如管段l1，l2，l3，l4，繼續(xù)判定是否壓線占?jí)?，否則，該管段必然與多邊形相離，如管段l5，繼續(xù)判定是否近線占?jí)骸?/p>

(1)

1.1.1 管線與建(構(gòu))筑物邊線有重疊部分判定

圖2 建(構(gòu))筑物邊線的外接矩形Fig.2 External rectangle of the edge of building

圖3 管線與建(構(gòu))筑物重疊示意Fig.3 Sketch Map ofpipeline and building edges overlap

(2)

(3)

則管段l1與建(構(gòu))筑物邊線MN共線，此時(shí)，若起點(diǎn)較小的管段(邊線)終點(diǎn)大于等于起點(diǎn)較大的邊線(管段)起點(diǎn)，則判定有重合部分。因此，管線l1一定被建(構(gòu))筑物壓線占?jí)骸?/p>

1.1.2 管線與建(構(gòu))筑物邊線有相交部分判定

如果管線與建(構(gòu))筑物邊線不相交的情況比較多，為了提高計(jì)算效率可先做快速過(guò)濾處理：將管線和建(構(gòu))筑物邊線視為2個(gè)矩形的對(duì)角線，并構(gòu)造出這2個(gè)矩形。如果構(gòu)造的2個(gè)矩形沒(méi)有重疊部分，如表1圖(c)所示，即可判定為不相交。

表1 排斥跨立實(shí)驗(yàn)

如果向量關(guān)系滿足式(4)：

(4)

如果向量關(guān)系滿足式(5)：

(5)

則P3在建(構(gòu))筑物邊線CD上。

因此，當(dāng)向量關(guān)系滿足式(6)：

(6)

此時(shí)，可判定管線l2與建(構(gòu))筑物邊線CD有交點(diǎn)，此時(shí)，管線l2一定被建(構(gòu))筑物壓線占?jí)骸?/p>

1.1.3 管線在建(構(gòu))筑物邊線內(nèi)部判定

上述判斷已經(jīng)進(jìn)行過(guò)重疊和相交的判定，因此，管線和建(構(gòu))筑物位置關(guān)系僅剩管線在建(構(gòu))筑物多邊形內(nèi)部或者外部，如圖4所示。

圖4 管線在建(構(gòu))筑物邊線內(nèi)部判定Fig.4 The judgement of pipeline inside the building

在進(jìn)行重疊和相交判斷后，管線和建(構(gòu))筑物多邊形位置關(guān)系僅有包含和相離兩種。判斷管段是否在建(構(gòu))筑物內(nèi)部，僅需判斷管段上任意一點(diǎn)是否在建(構(gòu))筑物多邊形內(nèi)，為了方便，取管線任一端點(diǎn)，如圖4所示，作多邊形各個(gè)頂點(diǎn)與Y軸的垂線，它的每條邊(如HI)與Y軸上對(duì)應(yīng)垂點(diǎn)的連線(如H′I′)之間形成一個(gè)梯形區(qū)域(如HIH′I′)。如表2所示，統(tǒng)計(jì)端點(diǎn)在梯形區(qū)域出現(xiàn)的次數(shù)(N)的奇偶性即可判斷端點(diǎn)與多邊形的位置，從而確定管線與建(構(gòu))筑物的位置關(guān)系。管線l4的端點(diǎn)P6僅在梯形HIH′I′中，則N=1，可以判定P6在多邊形內(nèi)部，因此，管段l4在多邊形內(nèi)部，建(構(gòu))筑物對(duì)其必然構(gòu)成壓線占?jí)骸5在多邊形中出現(xiàn)的次數(shù)N=0，因此，管線l3在多邊形外部，建(構(gòu))筑物對(duì)一定不構(gòu)成壓線占?jí)海欠駱?gòu)成近線占?jí)哼€需進(jìn)一步判定。

表2 N與管線的位置關(guān)系

1.2 近線占?jí)罕孀R(shí)數(shù)學(xué)模型

近線占?jí)号袆e是判斷管線與建(構(gòu))筑物輪廓線的最短距離是否滿足工程管線與建(構(gòu))筑物間的最小凈距要求[15]。

如圖5所示，以管線與建(構(gòu))筑物的最小安全距離為半徑R，在管線周圍建立緩沖區(qū)，將該緩沖區(qū)多邊形圖層(b)與建(構(gòu))筑物圖層(a)進(jìn)行疊置分析，得到圖層(c)，建筑物1，2，4與管線緩沖區(qū)有重疊部分，該管線存在近線占?jí)喊踩[患。經(jīng)過(guò)1.1節(jié)的判定，建筑物4對(duì)管線構(gòu)成壓線占?jí)海虼?，除建筑?對(duì)管線構(gòu)成壓線占?jí)和猓ㄖ?和建筑物2還對(duì)管線構(gòu)成了近線占?jí)骸?/p>

圖5 管線與建(構(gòu))筑物邊線近線占?jí)篎ig.5 The edge of the building is near line occupying the pipeline

2 占?jí)罕孀R(shí)技術(shù)流程

如圖6所示，占?jí)悍治鍪抢玫叵鹿芫€數(shù)據(jù)、地上建(構(gòu))筑物數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，通過(guò)GIS的緩沖區(qū)分析、疊加分析、多邊形生成、空間統(tǒng)計(jì)分析等方法，實(shí)現(xiàn)管線占?jí)弘[患點(diǎn)的提取和統(tǒng)計(jì)分析。流程如下：

1)數(shù)據(jù)處理與提取。分別從城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)中提取的地上建(構(gòu))筑物、地下管線數(shù)據(jù)。

2)確定隱患最大范圍。以給水管線占?jí)悍治鰹槔?，以給水管線(線)為中心，以給水管線到建(構(gòu))筑物的最小安全凈距為緩沖區(qū)半徑，建立緩沖區(qū)。將建(構(gòu))筑物圖層與該緩沖區(qū)多邊形圖層進(jìn)行疊置分析，過(guò)濾位于緩沖區(qū)多邊形外的建(構(gòu))筑物，留下緩沖區(qū)內(nèi)和與緩沖區(qū)有交叉的建筑物。

3)壓線占?jí)弘[患識(shí)別。提取上一步分析留下的建(構(gòu))筑物邊線，進(jìn)行最小外接矩形生成，排除最小外接矩形外的給水管線，將余下的管線與建筑物邊線進(jìn)行重疊、相交、包含分析，識(shí)別壓線占?jí)汗芫€。

4)近線占?jí)弘[患識(shí)別。步驟2)中外接矩形外的管線以及矩形內(nèi)不屬于壓線占?jí)旱墓芫€都具有近線占?jí)弘[患，記錄為近線占?jí)骸?/p>

5)分別對(duì)每類管線重復(fù)上述分析。

6)統(tǒng)計(jì)與建(構(gòu))筑物間不滿足安全凈距要求的管線點(diǎn)，記錄其位置、類型、嚴(yán)重程度等信息，將分析結(jié)果儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

7)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行整理和總結(jié)，并將結(jié)果可視化輸出。

圖6 占?jí)悍治隽鞒蘁ig.6 The flow chart of occupying analysis

3 實(shí)例應(yīng)用

在收集研究區(qū)域綜合管網(wǎng)普查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用上述辨識(shí)模型對(duì)區(qū)域內(nèi)2013年和2014年的管線近線占?jí)汉蛪壕€占?jí)旱葼顩r進(jìn)行分析，得到各類隱患信息以及隱患變化情況，利用ArcGIS軟件將分析結(jié)果可視化輸出，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域地下管線的占?jí)弘[患分析。

3.1 區(qū)域概況

W市是我國(guó)西南地區(qū)重要的科技、商貿(mào)、金融中心和交通、通訊樞紐，其城市發(fā)展正逐漸走向配套設(shè)施與主體功能日益完善的階段，地下管線作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施其發(fā)展也蓬勃迅速。因此，在W市選擇某10 km2的區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象具有代表性，該區(qū)域的地下管線包含給水、排水、燃?xì)?、通訊、電力、熱力和工業(yè)等7類，共有13 974段，總長(zhǎng)約507.42 km。

3.2 占?jí)弘[患分析

根據(jù)第2節(jié)的分析流程，提取地面房屋建筑物信息、地下管線的類型、權(quán)屬、幾何位置等信息，采用上述占?jí)罕孀R(shí)數(shù)學(xué)模型和技術(shù)流程，實(shí)現(xiàn)占?jí)弘[患管線點(diǎn)的提取與統(tǒng)計(jì)分析，得到研究區(qū)域2013年和2014年的占?jí)弘[患管段的數(shù)量、類型、嚴(yán)重程度等信息，參照區(qū)域控制性詳細(xì)規(guī)劃分區(qū)圖對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，得到占?jí)弘[患統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如表4和表5所示。

根據(jù)分析結(jié)果繪制研究區(qū)域2 a的地下管線占?jí)弘[患空間分布圖，由于時(shí)間間隔較短，2 a內(nèi)隱患變化較小，繪制的區(qū)域地下管線占?jí)弘[患空間分布圖類似。因此，這里僅給出2013年的分布圖，如圖7所示。根據(jù)2 a的占?jí)弘[患數(shù)據(jù)，得到2014年較2013年隱患新增或減少信息(表6、圖7)。

3.3 分析與討論

由表4和圖7中可以得到：2013年試驗(yàn)區(qū)有占?jí)弘[患的管段495處，占全部管段的3.54%，每km管長(zhǎng)占?jí)弘[患數(shù)量為0.98處，其中壓線占?jí)河?09處，近線占?jí)河?86處。按片區(qū)統(tǒng)計(jì)，B片區(qū)相對(duì)較好，有11處，占研究區(qū)域占?jí)弘[患的2.22%；E片區(qū)最嚴(yán)重，有146處，占29.49%；G片區(qū)次之，有115處，占23.23%。

表4 2013年占?jí)汗芫€數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表5 2014年占?jí)汗芫€數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表6 2013-2014年管線新增占?jí)弘[患數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

經(jīng)調(diào)查，E片區(qū)地下管線占?jí)呵闆r相對(duì)嚴(yán)重的原因是：近年來(lái)，E片區(qū)正著力打造區(qū)域“商貿(mào)之都”，片區(qū)內(nèi)大規(guī)模的建設(shè)項(xiàng)目眾多，且許多已有的地下管線設(shè)施并沒(méi)有因此重新規(guī)劃，導(dǎo)致不少已有地下管線被新修建的建(構(gòu))筑物占?jí)?。G片區(qū)較嚴(yán)重的原因是：該區(qū)正處建設(shè)時(shí)期，片區(qū)內(nèi)地下管線多次鋪設(shè)，施工各自為政，缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃管理，同時(shí)區(qū)內(nèi)現(xiàn)有3號(hào)、7號(hào)2條在建地鐵，施工作業(yè)使得片區(qū)內(nèi)原有地下管線空間布局被破壞。

由表6和圖7得到，2014年相比2013年試點(diǎn)區(qū)只存在新增壓線占?jí)弘[患1處位于G片區(qū)，無(wú)改進(jìn)隱患情況，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)2 a情況變化不大。經(jīng)調(diào)查2013年到2014年間，區(qū)域內(nèi)沒(méi)有進(jìn)行大規(guī)模的修建，管線新建、拆除以及改遷等情況較少。

圖7 2013年研究區(qū)域占?jí)弘[患以及2014年新增隱患分布Fig.7 Analysisresults of hidden danger in the research area in 2013 and the new hidden danger in 2014

4 結(jié)論

1)構(gòu)建了城市地下管線占?jí)罕孀R(shí)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了分析流程方法，為地下管網(wǎng)占?jí)弘[患辨識(shí)提供了1套信息化的評(píng)價(jià)方法和工具；試驗(yàn)區(qū)分析結(jié)果經(jīng)提交相應(yīng)城市規(guī)劃部門，經(jīng)核實(shí)符合試點(diǎn)區(qū)實(shí)際情況。

2)成果推廣應(yīng)用可為規(guī)劃部門提供科學(xué)、量化、空間化的地下管線占?jí)弘[患信息，為城市地下管網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)、維護(hù)改造、監(jiān)管方案制定提供科學(xué)依據(jù)。

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