基于ArcGIS與層次分析法的長輸管道選線模型研究

劉瑞凱，張 迪，李二偉，晏 軍，卜明哲

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

近年來，隨著地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，人們對長輸管道設(shè)計過程的要求進(jìn)一步提高。工程項目的管理不再滿足于現(xiàn)行管道線路設(shè)計軟件 CAD 系統(tǒng)在工程設(shè)計過程中的計算、繪圖、制表等確定性問題。而是越來越多的關(guān)注對長輸管道選線及站場選址設(shè)計必須考慮的影響因素數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；越來越多的關(guān)心設(shè)計方案生成、方案比選與優(yōu)化功能的實現(xiàn)[1]?？辈煸O(shè)計方式不再只依賴實地初勘，更多的轉(zhuǎn)向依靠GIS技術(shù)進(jìn)行線路初選[2]。而ArcGIS 平臺的發(fā)展為工程選線技術(shù)集成越來越豐富的選線應(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、歷史文物等社會因素，因此需多層次分析。根據(jù)長輸管道工程項目的技術(shù)要求構(gòu)造合理的層次結(jié)構(gòu)和模糊綜合評價指標(biāo)體系是該選線模型構(gòu)造的關(guān)鍵。而如何利用ArcGIS平臺實現(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)對影響選線的主要因素進(jìn)行分析，將各因素對選線模型的影響以數(shù)據(jù)形式反映到ArcGIS平臺中，各構(gòu)造層的權(quán)重值可作為GIS矢量數(shù)據(jù)庫的重要屬性值，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)問題的性質(zhì)和要達(dá)到的目標(biāo)，將工程項目問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)。對同一層次內(nèi)的因素，兩兩比較以確定各因素之間的相對重要性權(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)重因子逐層計算，直至最后一層[3-4]。

1.1.2 層次分析法步驟

運用層次分析法進(jìn)行線路方案決策時，大體上應(yīng)分為四個步驟進(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), 見圖1。

圖1 長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排序；

(3)由判斷矩陣計算被比較元素對于該準(zhǔn)則的相對權(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，對于每一個Ci，都可求得一個權(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)前層每個因素的組合權(quán)系數(shù)為：

(4) 計算各層元素對系統(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)建立時存在誤差，因此需驗證其誤差程度是否會影響各因素的綜合排名，即進(jìn)行一致性指標(biāo)C.I檢驗。

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

2 ArcGIS平臺支持

GIS平臺為長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）各類調(diào)查數(shù)據(jù)的手動輸入；

（3）地圖數(shù)字化；

（4）攝影測量與遙感技術(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，同時利用拓?fù)潢P(guān)系自動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體地面模型，是數(shù)字地形模型(Digital Terrain Model，簡稱DTM)的一個分支，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、透視圖等內(nèi)容，采用帶狀 DEM內(nèi)插出現(xiàn)縱斷面，可自動繪制長輸管道平面地形圖，數(shù)字高程模型是選線設(shè)計的前提和基礎(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體，屬性數(shù)據(jù)作為記錄空間實體的數(shù)據(jù)庫。利用層次分析模型合理的確定各影響長輸管道選線因素并計算著因素的相對權(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、土地利用、土方、環(huán)境效益和社會效益與地物信息、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。對于每一個柵格圖層的柵格單元，賦予該單元屬性值，該屬性值表征長輸管線經(jīng)由該地的成本費用，將上述表征費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，將各個因素圖層按照權(quán)重值進(jìn)行疊加可得長輸管道選線綜合成本圖層，以此為基礎(chǔ)可建立長輸管道選線最優(yōu)路徑模型。

2.3 模型的三維可視化[6]

通過 ArcGIS得到的長輸管道選線最優(yōu)路徑模型要以三維方式顯示出來需要經(jīng)過一系列必要的變換，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、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，同時利用ArcGIS平臺建立以DEM模型為基礎(chǔ)的長輸管道選線最優(yōu)路徑模型?？蛇M(jìn)行線路平面、縱斷面等平面設(shè)計，同時可完成工程量的統(tǒng)計，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，將地質(zhì)、水文、環(huán)境影響等因素對選線的影響反映出來。

［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)合的項目選址研究[J].東北水利水電，2011(12)：59-61.

［3］胡運權(quán),等. 運籌學(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（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)計系統(tǒng)的研究[J]. 電力建設(shè)，2008，29(6)：35-38.