基于GIS的地下综合管线占压辨识方法研究

杨艳梅，罗洁滢，陈 勇，胡本刚

(1.西南石油大学 土木工程与建筑学院，四川 成都 610500；2.重庆工商职业学院 城市工程建设学院，重庆 400052； 3.国家测绘地理信息局 第六地形测量队，四川 成都 610500)

0 引言

伴随着城市化进程的加快，地下管线作为城市重要的基础设施，城市运行和公众生活对其的依赖程度越来越强[1-2]。但城市建设不断加快，地下管线违章占压情况也不断出现，影响管线的安全运行，困扰着管线运营企业的正常生产和经营，对管线沿线的人民生命、财产安全构成了严重威胁。因此，对城市地下管线占压隐患进行排查和评估具有重大的现实意义。

目前，地下管线占压的研究主要有占压隐患排查和治理[3-5]、占压作用下管道力学性能[6-8]、管土相互作用机理[9]等研究。针对管道占压隐患风险及方法的分析还较少，牛亚楠等人[10-11]采用模糊综合评价法对占压隐患进行了风险评价，建立了占压隐患的模糊综合评价模型；刘朝峰等人[12]综合运用属性层次模型和数理统计方法，建立了城市埋地管道占压风险评估实用方法。二者均对隐患的影响因素进行了分析且对隐患等级进行了划分，但未从占压隐患类型的角度进行研究。尽管《城市燃气设计规范》(GB 50028-2006)[13]等标准有禁止城市地下管网直接占压和安全间距的要求，但是在实际设计和施工环节往往出现近线占压甚至直接占压的情况，目前缺乏有效、准确的技术手段来辨识、发现这些问题。本文基于GIS空间分析的思路，从占压的类型出发，建立地下管线占压隐患辨识数学模型，识别不同占压隐患类型和位置，建立占压分析技术流程，综合利用城市地下管线和地面建(构)筑物空间数据，实现城市地下管线占压隐患评价，为地下管线安全评价提供管理基础和信息化工具，旨在从一个新的角度探索管线安全与城市发展的关系，为相关部门的工作提供指导和建议。

1 占压辨识方法

管线占压隐患可以划分为压线隐患和近线隐患2类。如图1所示，压线隐患是指建(构)筑物直接占压在管道的上方，占压物体边界的投影与管道在投影面上交叉的隐患。近线隐患是指建(构)筑物没有直接占压在管道的上方，占压物体边界的投影在管道的一侧，但管道与占压物的净距没有满足规范中相关要求的隐患[10]。

图1 占压类型Fig.1 The type of occupying

进行地下管线占压分析时，首先确定地下管线与建(构)筑物的位置关系，平面上管线与建(构)筑物轮廓线的位置关系有3种：包含、相交和相离。对于前两种，建筑物对管线构成压线占压，后一种则可能会构成近线占压。

1.1 压线占压辨识数学模型

为了提高计算效率，首先排除远离建(构)筑物边线的管段，可以做建(构)筑物多边形的最小外接矩形[14]，保留与外接矩形相交或在外接矩形内部的管线段，其具体方法如下：

比较多边形各顶点坐标的大小，求出其X与Y坐标的最大最小值Xmax，Xmin，Ymax，Ymin，则多边形的最小外接矩形左下角在(Xmin,Ymin)，右上角在(Xmax,Ymax)，如图2所示。

如果管段至少有1个端点坐标(XP,YP)使得式(1)成立，则管段可能与多边形有交点或者包含于多边形内，如管段l1，l2，l3，l4，继续判定是否压线占压，否则，该管段必然与多边形相离，如管段l5，继续判定是否近线占压。

(1)

1.1.1 管线与建(构)筑物边线有重叠部分判定

图2 建(构)筑物边线的外接矩形Fig.2 External rectangle of the edge of building

图3 管线与建(构)筑物重叠示意Fig.3 Sketch Map ofpipeline and building edges overlap

(2)

(3)

则管段l1与建(构)筑物边线MN共线，此时，若起点较小的管段(边线)终点大于等于起点较大的边线(管段)起点，则判定有重合部分。因此，管线l1一定被建(构)筑物压线占压。

1.1.2 管线与建(构)筑物边线有相交部分判定

如果管线与建(构)筑物边线不相交的情况比较多，为了提高计算效率可先做快速过滤处理：将管线和建(构)筑物边线视为2个矩形的对角线，并构造出这2个矩形。如果构造的2个矩形没有重叠部分，如表1图(c)所示，即可判定为不相交。

表1 排斥跨立实验

如果向量关系满足式(4)：

(4)

如果向量关系满足式(5)：

(5)

则P3在建(构)筑物边线CD上。

因此，当向量关系满足式(6)：

(6)

此时，可判定管线l2与建(构)筑物边线CD有交点，此时，管线l2一定被建(构)筑物压线占压。

1.1.3 管线在建(构)筑物边线内部判定

上述判断已经进行过重叠和相交的判定，因此，管线和建(构)筑物位置关系仅剩管线在建(构)筑物多边形内部或者外部，如图4所示。

图4 管线在建(构)筑物边线内部判定Fig.4 The judgement of pipeline inside the building

在进行重叠和相交判断后，管线和建(构)筑物多边形位置关系仅有包含和相离两种。判断管段是否在建(构)筑物内部，仅需判断管段上任意一点是否在建(构)筑物多边形内，为了方便，取管线任一端点，如图4所示，作多边形各个顶点与Y轴的垂线，它的每条边(如HI)与Y轴上对应垂点的连线(如H′I′)之间形成一个梯形区域(如HIH′I′)。如表2所示，统计端点在梯形区域出现的次数(N)的奇偶性即可判断端点与多边形的位置，从而确定管线与建(构)筑物的位置关系。管线l4的端点P6仅在梯形HIH′I′中，则N=1，可以判定P6在多边形内部，因此，管段l4在多边形内部，建(构)筑物对其必然构成压线占压。P5在多边形中出现的次数N=0，因此，管线l3在多边形外部，建(构)筑物对一定不构成压线占压，是否构成近线占压还需进一步判定。

表2 N与管线的位置关系

1.2 近线占压辨识数学模型

近线占压判别是判断管线与建(构)筑物轮廓线的最短距离是否满足工程管线与建(构)筑物间的最小净距要求[15]。

如图5所示，以管线与建(构)筑物的最小安全距离为半径R，在管线周围建立缓冲区，将该缓冲区多边形图层(b)与建(构)筑物图层(a)进行叠置分析，得到图层(c)，建筑物1，2，4与管线缓冲区有重叠部分，该管线存在近线占压安全隐患。经过1.1节的判定，建筑物4对管线构成压线占压，因此，除建筑物4对管线构成压线占压外，建筑物1和建筑物2还对管线构成了近线占压。

图5 管线与建(构)筑物边线近线占压Fig.5 The edge of the building is near line occupying the pipeline

2 占压辨识技术流程

如图6所示，占压分析是利用地下管线数据、地上建(构)筑物数据等数据，通过GIS的缓冲区分析、叠加分析、多边形生成、空间统计分析等方法，实现管线占压隐患点的提取和统计分析。流程如下：

1)数据处理与提取。分别从城市基础地理信息数据和地下管网数据中提取的地上建(构)筑物、地下管线数据。

2)确定隐患最大范围。以给水管线占压分析为例，以给水管线(线)为中心，以给水管线到建(构)筑物的最小安全净距为缓冲区半径，建立缓冲区。将建(构)筑物图层与该缓冲区多边形图层进行叠置分析，过滤位于缓冲区多边形外的建(构)筑物，留下缓冲区内和与缓冲区有交叉的建筑物。

3)压线占压隐患识别。提取上一步分析留下的建(构)筑物边线，进行最小外接矩形生成，排除最小外接矩形外的给水管线，将余下的管线与建筑物边线进行重叠、相交、包含分析，识别压线占压管线。

4)近线占压隐患识别。步骤2)中外接矩形外的管线以及矩形内不属于压线占压的管线都具有近线占压隐患，记录为近线占压。

5)分别对每类管线重复上述分析。

6)统计与建(构)筑物间不满足安全净距要求的管线点，记录其位置、类型、严重程度等信息，将分析结果储存在数据库中。

7)对分析结果进行整理和总结，并将结果可视化输出。

图6 占压分析流程Fig.6 The flow chart of occupying analysis

3 实例应用

在收集研究区域综合管网普查数据的基础上，采用上述辨识模型对区域内2013年和2014年的管线近线占压和压线占压等状况进行分析，得到各类隐患信息以及隐患变化情况，利用ArcGIS软件将分析结果可视化输出，实现研究区域地下管线的占压隐患分析。

3.1 区域概况

W市是我国西南地区重要的科技、商贸、金融中心和交通、通讯枢纽，其城市发展正逐渐走向配套设施与主体功能日益完善的阶段，地下管线作为重要的基础设施其发展也蓬勃迅速。因此，在W市选择某10 km2的区域为研究对象具有代表性，该区域的地下管线包含给水、排水、燃气、通讯、电力、热力和工业等7类，共有13 974段，总长约507.42 km。

3.2 占压隐患分析

根据第2节的分析流程，提取地面房屋建筑物信息、地下管线的类型、权属、几何位置等信息，采用上述占压辨识数学模型和技术流程，实现占压隐患管线点的提取与统计分析，得到研究区域2013年和2014年的占压隐患管段的数量、类型、严重程度等信息，参照区域控制性详细规划分区图对输出数据进行分区统计，得到占压隐患统计数据，如表4和表5所示。

根据分析结果绘制研究区域2 a的地下管线占压隐患空间分布图，由于时间间隔较短，2 a内隐患变化较小，绘制的区域地下管线占压隐患空间分布图类似。因此，这里仅给出2013年的分布图，如图7所示。根据2 a的占压隐患数据，得到2014年较2013年隐患新增或减少信息(表6、图7)。

3.3 分析与讨论

由表4和图7中可以得到：2013年试验区有占压隐患的管段495处，占全部管段的3.54%，每km管长占压隐患数量为0.98处，其中压线占压有209处，近线占压有286处。按片区统计，B片区相对较好，有11处，占研究区域占压隐患的2.22%；E片区最严重，有146处，占29.49%；G片区次之，有115处，占23.23%。

表4 2013年占压管线数据统计

表5 2014年占压管线数据统计

表6 2013-2014年管线新增占压隐患数据统计

经调查，E片区地下管线占压情况相对严重的原因是：近年来，E片区正着力打造区域“商贸之都”，片区内大规模的建设项目众多，且许多已有的地下管线设施并没有因此重新规划，导致不少已有地下管线被新修建的建(构)筑物占压。G片区较严重的原因是：该区正处建设时期，片区内地下管线多次铺设，施工各自为政，缺乏统一的规划管理，同时区内现有3号、7号2条在建地铁，施工作业使得片区内原有地下管线空间布局被破坏。

由表6和图7得到，2014年相比2013年试点区只存在新增压线占压隐患1处位于G片区，无改进隐患情况，试验区内2 a情况变化不大。经调查2013年到2014年间，区域内没有进行大规模的修建，管线新建、拆除以及改迁等情况较少。

图7 2013年研究区域占压隐患以及2014年新增隐患分布Fig.7 Analysisresults of hidden danger in the research area in 2013 and the new hidden danger in 2014

4 结论

1)构建了城市地下管线占压辨识数学模型，设计了分析流程方法，为地下管网占压隐患辨识提供了1套信息化的评价方法和工具；试验区分析结果经提交相应城市规划部门，经核实符合试点区实际情况。

2)成果推广应用可为规划部门提供科学、量化、空间化的地下管线占压隐患信息，为城市地下管网规划、建设、维护改造、监管方案制定提供科学依据。

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