基于ArcGIS与层次分析法的长输管道选线模型研究

刘瑞凯，张 迪，李二伟，晏 军，卜明哲

（中国石油集团工程设计有限责任公司 华北分公司管道线路室， 河北 任丘 062552）

近年来，随着地理信息系统的发展，人们对长输管道设计过程的要求进一步提高。工程项目的管理不再满足于现行管道线路设计软件 CAD 系统在工程设计过程中的计算、绘图、制表等确定性问题。而是越来越多的关注对长输管道选线及站场选址设计必须考虑的影响因素数据进行分析处理；越来越多的关心设计方案生成、方案比选与优化功能的实现[1]。勘察设计方式不再只依赖实地初勘，更多的转向依靠GIS技术进行线路初选[2]。而ArcGIS 平台的发展为工程选线技术集成越来越丰富的选线应用模型提供了基础。本文主要介绍基于ArcGIS与层次分析法的选线模型。

1 模型建立

长输管道选线受多重因素制约，既要考虑地形、地物、地质水文等自然因素，还要考虑地方规划、矿产、农业用地、环境影响、历史文物等社会因素，因此需多层次分析。根据长输管道工程项目的技术要求构造合理的层次结构和模糊综合评价指标体系是该选线模型构造的关键。而如何利用ArcGIS平台实现选线模型的构想，则主要依靠信息地理系统功能的进一步完善。要构造选线模型，首先应对影响选线的主要因素进行分析，将各因素对选线模型的影响以数据形式反映到ArcGIS平台中，各构造层的权重值可作为GIS矢量数据库的重要属性值，供系统分析处理所用。

1.1 数学模型

1.1.1 层次分析法定义

层次分析法结合了定性分析与定量分析，是一种多目标决策分析方法。根据问题的性质和要达到的目标，将工程项目问题按层次分析成若干因素，再按这些因素的所属关系分组成有序的递阶层次结构。对同一层次内的因素，两两比较以确定各因素之间的相对重要性权重。参照上一层次的方法构建下一层次，下一层次的因素的重要性，既要考虑本层次又要考虑到上一层次的权重因子逐层计算，直至最后一层[3-4]。

1.1.2 层次分析法步骤

运用层次分析法进行线路方案决策时，大体上应分为四个步骤进行：

(1) 分析系统中各因素之间的关系，建立系统的递阶层次结构, 见图1。

图1 长输管道选线影响因素层次结构图Fig.1 AHP Structure chart on Pipeline Route Selection Factors

(2) 设同一层次n个元素为B1,B2……Bn关于上一层某一准则C进行两两比较，得到数值bij，设

其中，i,j=1,2…n。若B为相应于上一层因素C的判断矩阵，判断矩阵B的最大特征根为 λmax，属于λmax标准化的特征向量为：

则 w1, w2,… …wn给出了因素 B1,B2……Bn相应于因素C的按重要程度的一个排序；

(3)由判断矩阵计算被比较元素对于该准则的相对权重，设与当前层次各因素B1,B2……Bn相关的上一层因素为C1,C2,……Cn，对于每一个Ci，都可求得一个权向量:

若已知上一层各因素的权重分别为：a1,a2,……am，则当前层每个因素的组合权系数为：

(4) 计算各层元素对系统目标的组合权重，并进行各方案优先程度的排序。

由于层次结构建立时存在误差，因此需验证其误差程度是否会影响各因素的综合排名，即进行一致性指标C.I检验。

利用层次分析法可将选线过程中影响因素抽象到数学模型中，按照选线平台要求的格式将数据输入到长输管道选线系统中，即可确定影响长输管道选线的因素及其权重值。

2 ArcGIS平台支持

GIS平台为长输管道工程选线提供了多种空间数据结构，准确的空间与属性数据和数据操作方法，为选线模型的建立提供了基础。

2.1 数据收集及处理

GIS数据收集方式随着航天技术和传感器技术的发展进一步完善，其主要包括：

（1）野外GPS、经纬仪、全站仪等方式数据收集；

（2）各类调查数据的手动输入；

（3）地图数字化；

（4）摄影测量与遥感技术；

（5）由其他数据格式进行的转换；

由于收集数据对于后续模型建立的影响，因此有必要将收集的各种资料进行数据处理，删除冗余数据，增加缺失数据。数据编辑包括图形编辑和属性编辑[5]。属性编辑主要是完善属性数据库管理，由于数据格式不一致进行必要的数字化、格式转换。图形编辑主要包括投影转换、图幅拼接、图形变换及误差编码，同时利用拓扑关系自动建立功能建立矢量数据的拓扑关系。

2.2 数字高程模型(DEM)

数字高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型(Digital Terrain Model，简称DTM)的一个分支，可以该模型为基础派生坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性。目前常在不规则三角网格算法TIN基础上通过线性和双线性内插建立DEM。数字高程模型是数字地形的真实数字表达形式，它也可与数字正射影像或其它地图数据相叠加，进行地形相关的分析，工程选线主要涉及平面图、纵断面图、工程量统计、透视图等内容，采用带状 DEM内插出现纵断面，可自动绘制长输管道平面地形图，数字高程模型是选线设计的前提和基础。

以数字高程模型为前提的选线模型，将图形数据作为具有地理意义的空间实体，属性数据作为记录空间实体的数据库。利用层次分析模型合理的确定各影响长输管道选线因素并计算着因素的相对权重值。将层次分析模型提供的地区规划、压覆矿产赔付、房屋拆迁费、土地利用、土方、环境效益和社会效益与地物信息、地质水文条件等地形影响因素转化为选线基本因素图层。对于每一个栅格图层的栅格单元，赋予该单元属性值，该属性值表征长输管线经由该地的成本费用，将上述表征费用的各因素按照不同的权重进行叠加，形成成本图层。结合Dijkstra算法、SPFA算法、Bellman-Ford算法等最短路径算法可得最小成本，将各个因素图层按照权重值进行叠加可得长输管道选线综合成本图层，以此为基础可建立长输管道选线最优路径模型。

2.3 模型的三维可视化[6]

通过 ArcGIS得到的长输管道选线最优路径模型要以三维方式显示出来需要经过一系列必要的变换，包括数据预处理、三维变换、选择光照模型、纹理映射等，三维可视化的一般流程。以地理空间数据和属性数据为条件基于虚拟现实、Java 3D、Active X控件等技术的三维建模技术使得与地形地物相关的线性模型三维路线显示更加精细化。

3 结 论

利用层次分析模型得到影响选线的各因素及其权重，同时利用ArcGIS平台建立以DEM模型为基础的长输管道选线最优路径模型。可进行线路平面、纵断面等平面设计，同时可完成工程量的统计，并以三维方式输出。结合层次分析法数学模型可以更好的发挥地理信息系统的特长，将地质、水文、环境影响等因素对选线的影响反映出来。

［1］王庆革. 基于GIS的CAD地形图管理与工程选址研究[D].北京：中国地质大学（北京）硕士学位论文， 2006.

［2］ 池淑文，王立刚, 等. GIS与层次分析法结合的项目选址研究[J].东北水利水电，2011(12)：59-61.

［3］胡运权,等. 运筹学教程[M].北京：清华大学出版社，2003：436-439.

［4］邓吉秋等，基于GIS的层次分析法的应用[J]. 中南工业大学学报（自然科学版），2003， 34(1)：1-4.

［5］齐广慧. 基于 RS 和 GIS 的油气管道选线方法研究[D]. 北京：中国石油大学硕士学位论文，2011(5)：26-28.

［6］景钦刚. 基于GIS的三维输电线路规划设计系统的研究[J]. 电力建设，2008，29(6)：35-38.