ArcGIS环境下基于DEM的油气管道坡度分析

何祖祥， 李 寄， 杨 帆

(中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

ArcGIS环境下基于DEM的油气管道坡度分析

何祖祥， 李 寄， 杨 帆

(中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

坡度作为重要的地形指标，是山区段油气管道的路由优化设计和设计前期线路工程量估算的重要参考依据，以数字高程模型(DEM)为基础,采用ArcGIS软件的空间分析功能，制作山区段的坡度分级图；然后对管道线路与坡度分级矢量数据在ArcGIS环境下执行交叉空间分析，并对交叉分析结果进行人工干预，获取不同坡度值和横坡纵坡类型下管道经过的长度，根据坡度长度统计结果来指导山区段管道前期设计阶段的水工保护量、土石方量等线路工程量的初步估算。

油气管道；坡度；横坡；纵坡

0 引 言

数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)是用离散坐标表达区域内地貌形态,以微缩形式再现地表起伏变化特征,具有形象、精确的特点。数字高程模型包含了丰富的地形地貌、水文信息,通过数字高程模型可提取大量的地表形态信息[1]。

人们常用等高线、坡度坡向、剖面和三维透视图等图形或数据表达地形的各种特征,产生这些产品的过程称为地形分析。传统的地形分析是利用二维平面图形进行的,从纸质地图的地形分析到基于数字地图的地形分析,地形分析的技术手段和效率有了很大提高,而基于DEM的三维地形分析相比于基于数字地图的地形分析又是一次飞跃。按对象和处理过程的复杂程度,地形分析可分为两类:一类是基本地形因子,包括坡度、坡向、粗糙度的计算;另一类则是包括可视性分析、地形特征提取分析在内的复杂地形分析。

与其他数字地形数据相比,DEM有其明显优势。首先,DEM可以便捷地以各种比例尺和多种形式表达地形信息,如多种比例尺的纵横断面图及立体透视图等。其次,DEM数据适用于各种定量分析与建模,容易实现自动化和实时化,如三维分析模块使ArcGIS的三维空间数据分析能力有了很大的提高,能基于DEM进行空间分析处理,包括连线可视性分析、等高线生成、点高程内插、坡度坡向分析、表面积和容积计算等[2]。

坡度作为重要的地形指标,是山区段油气管道的路由优化设计和设计前期线路工程量估算的重要参考依据,不同坡度级别和坡度类型下管线长度的获取直接影响线路工程量的计算精度,山区段管线水工保护工程量、土石方工程量估算,以及焊接方式的选取等都与坡度分析密切相关[3]。在以往管道经过横坡、纵坡的分析统计中,山区段坡度一般采用人工逐段量取获取的方式或其他粗略统计方法来获取,这些方法获取坡度数据工作量大,工作效率低下[4],而且数据可信度差,直接影响结果的真实性和客观性。

本文结合国外某管道工程项目,以ASTER GDEM的30 m分辨率格网数字高程模型为数据源(本数据从中科院地理空间数据云下载获取,ASTER数据覆盖地球大陆块的99%,跨度从北纬83度到南纬83度),利用ArcGIS软件的方法分析地形的坡度值,依托软件强大的空间分析功能,在ArcGIS环境下对油气管道进行坡度分析,制作坡度分级图,计算坡度数据,并在此基础上,叠加初选的管道线路文件,采用多种空间分析方法来确定不同坡度等级下管线的长度,并满足与坡度数据相关的设计工程量的估算。

1 坡度计算模型

坡度表示地表面在该点P的倾斜程度,定义为水平面与局部地表面之间的夹角,坡度计算模型为

(1)

其中,(∂z/∂x)和(∂z/∂y)分别为x,y方向的偏导数[5]。见图1所示,G表示格网尺寸,ei(i=l,2,…,8)表示中心点e周围格网点的高程。利用坡度计算公式得出每个格网的坡度值,然后生成坡度栅格数据图,计算时采用3×3窗口,中心像素及其相邻的八个像素的值确定水平增量和垂直增量,常用的坡度计算模型[6]见表1所列。

图1 DEM的3×3局部移动窗口

表1 坡度计算模型

算 法∂z/∂y∂z/∂x二阶差分(e1-e3)/2G(e4-e2)/2G三阶不带权差分(Sharpnack算法)(e8-e7+e1-e3+e5-e6)/8G(e7-e6+e4-e2+e8-e5)/8G三阶反距离平方权差分(Horn算法)[(e8-e7+2(e1-e3)+e5-e6)]/8G[(e7-e6+2(e4-e2)+e8-e5)]/8G

ArcGIS软件自带的坡度分析模块,其坡度计算模型为表1中的三阶反距离平方权差分(Horn算法),该方法将一个平面与要处理的像素或中心像素周围一个3×3的像素邻域的e值进行拟合,该平面的朝向就是待处理像素的坡向。坡度值越小,地势越平坦;坡度值越大,地势越陡峭。

2 坡度分级图建立

2.1 坡度栅格数据分级

鉴于管线的带状特征,为提高ArcGIS环境下坡度分析的运算效率,对管线两侧一定宽度范围内建立缓冲区,以此范围对DEM数据进行裁切处理,然后在裁切后数据的基础上进行坡度分析。本工程案例中缓冲区范围为管线两侧各10 km的区域进行空间分析。

根据处理后的DEM进行坡度计算,生成缓冲范围内栅格格式的的原始坡度图(图2),然后应用ArcGIS软件Toolbox中的重分类功能[7],按工程项目的分级标准对原始的栅格坡度数据进行坡度分级[8],即按照设定的映射表,将一定数值范围内的像素进行聚类,从而将整个原始坡度图分为若干种类的数据,并

图2 原始坡度栅格图

形成新的栅格数据输出(图3)。本工程根据技术规程的要求,管线所在地形区域分6个坡度等级(角度范围含上不含下),坡度重新分级如表2所列。

图3 坡度重新分级后的栅格图

表2 坡度重新分级表

坡度分级≤5°5°～10°10°～15°15°～25°25°～35°>35°坡度级代码1级2级3级4级5级6级

2.2 坡度分级数据矢量化

ArcGIS研究的数据是地理空间数据,栅格数据与矢量数据是地理信息系统中空间数据组织的两种最基本的方式。栅格数据是以二维矩阵的形式来表示空间地物的数据组织方式,每个矩阵单位称为一个栅格单元;矢量数据结构是利用点、线、面的形式来表达现实世界,其数据结构紧凑,有利于检索分析。因此,为了进一步方便分析,采用ArcGIS中的图像转多边形功能模块将栅格坡度分级数据进行矢量化,并对矢量化后的图形数据进行消除零碎图斑处理[9],生成坡度分级矢量图形,矢量化后的分级数据见图4(a)。

通过查看处理后的坡度数据属性表,可以看到各面状区块的坡度分级、坡面周长和面积等信息(图5(a)),可用SQL语言对矢量数据进行属性计算筛选,如图4(b)选出坡度分级≥4级(即15度以上),同时将面积大于9×104m2的坡度面状区域显示出来(图4(b)),假设按照此标准进行线路选线及优化调整需要避开的区域,可以把这些选中的矢量多边形数据导出至Google Earth中用于线路的进一步优化。

图4 矢量化后的坡度分级图

3 管线经过横坡纵坡长度

横坡敷设是指管道以基本平行于等高线的敷设方式通过坡面,在山区管道的建设中,由于地形起伏较大、地质条件复杂等因素的制约,横坡敷设是较为常见,又不可避免的一种管道敷设方式。管道横坡敷设时,施工过程中必须要进行扫线(清理作业带、开辟施工便道)和管沟开挖工作。在上述两种工作状况下,会对原始稳定坡面产生一定程度的扰动,会降低原始坡面的稳定,对管道的施工运营造成潜在危险,因而在线路选线中尽量避免大角度的横坡段。

把初选的线路路由文件导入到ArcGIS环境中,与矢量化的坡度分级数据进行交叉空间分析,然后把交叉分析的结果属性表数据导出后进行统计(如图5(b)),得到分析段管道全线经过的不同坡度下的长度统计,见表3所列。

图5 坡度矢量图形的属性数据

表3 管道经过坡度长度统计

坡度分级代码管道穿过长度/km所占百分比/(%)备注0°～5°195 4678 615°～10°221 0717 3510°～15°33 713 0515°～25°40 940 7725°～35°50 240 2235°～90°6——————管线已避绕

由于坡度在5°以下的区段地形相对平坦,基本上可不考虑横坡纵坡的分类,在DEM自动生成的等高线基础上,用SQL语言筛选出≥5°坡度情况下交叉管线段的编号,通过人工交互快速判断不同坡度下管线段与等高线的位置相互关系来判断横坡、纵坡类型,也就是对坡度穿越统计表中的管线段进行横坡、纵坡赋值,最终得到不同坡度值、坡度类型下管道穿越的长度统计表,如表4所列。

表4 坡度类型长度统计

根据表4的分析结果,结合依据地形参数的水工保护工程量、土石方工程量估算方法,以及热煨弯管和冷弯管等分项估算指标,便可得到部分线路工程量的统计结果,用于指导前期设计工程量的估算。

4 结束语

(1) 分析结果精度较高,可靠性好。所产生的坡度分析结果具有客观性和唯一性,避免坡度人工盲目判别的随意性所产生的统计误差。

(2) 工作效率高。计算和分析整个过程都由计算机处理,速度快、结论精准、可利用性强,避免了人为因素对数据分析造成的影响[10]。

在大数据时代,DEM高程模型数据来源免费快捷,并且精度基本能满足前期设计的需要。文中所述方法可通用于设计各个阶段,DEM数据精度直接决定管道坡度统计分析的可信度。如果在项目后期获取了航测或激光雷达LIDAR等精度更高的DEM数据,可采用此方法做更加精确的坡度分析统计,使得线路选择愈发精细,工程量统计更加精准。

[1] 郎玲玲，程维明，朱启疆,等.多尺度DEM提取地势起伏度的对比分析[J].地球信息科学, 2007，9(6):3～5．

[2] 王永峰，徐 莹，王 涛,等.基于数字高程模型制作山区坡度分级栅格数据[J].测绘与空间地理信息， 2014，37(12):36～37．

[3] 姜为夷，陈 龙，倪 斌,等.坡度的分形特征在山区管道设计中的应用[J].油气储运，2012，31(6):445．

[4] 滕利强，王 亮.ArcGIS空间分析功能在流域坡度分析中的应用[J].中国水土保持，2008(4):40～41．[5] 刘海飞，杨敏华，周 军,等.基于ArcGIS平台的坡度分级图快速制作[J].山西建筑，2014，3(40):263～264．

[6] 刘建华.如何利用DEM在ArcGIS中制作坡度分级图[J].测绘与空间地理信息，2011，34(1):140．

[7] 李洪涛，何 宏，安 科,等.ArcGIS在地学中的应用研究[J].金属矿山， 2010(8):521～522．

[8] 兰 寅，武锋强，夏 清,等.ArcGIS软件在地形分析中的应用[J].北京测绘，2008(1):24～25．

[9] 高国勇.基于ArcGIS的低丘缓坡用地提取方法[J].测绘与空间地理信息， 2014，1(37):114～115．

[10] 杜朝正.基于ArcGIS的坡度分析[J].资源开发与市场，2009，25(1):17～18．

2016-07-21；修改日期：2016-07-29

何祖祥(1978-)，男，湖北仙桃人，中国石油天然气管道工程有限公司工程师．

TE832

A

1673-5781(2016)04-0483-04