GIS技術(shù)在道路選線中的應(yīng)用研究

張媛　張永福

摘 要：針對現(xiàn)階段一般道路選線方法工作周期長、效率較低和耗費(fèi)大量人力物力等缺陷，引入地理信息系統(tǒng)的相關(guān)理論、方法和技術(shù)分析手段，利用Google Earth、ArcGIS等系列軟件，對道路選線過程中出現(xiàn)的相關(guān)問題進(jìn)行對比分析研究，選取一種最優(yōu)的道路選線方法。基于GIS的道路選線方法，不僅為道路空間分析的方案策劃、數(shù)據(jù)獲取、前期預(yù)設(shè)計(jì)提供了廣泛的空間信息技術(shù)的應(yīng)用平臺，也為大區(qū)域的空間工程項(xiàng)目建設(shè)提供了合理的數(shù)據(jù)組織基礎(chǔ)，為道路工程設(shè)計(jì)提供了一個(gè)更為科學(xué)的技術(shù)設(shè)計(jì)手段。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；道路選線；空間分析；工程應(yīng)用

中圖分類號 TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）08-05-03

地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System，GIS）是計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理學(xué)、測量學(xué)和地圖學(xué)等多門學(xué)科的交叉，它是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，采用地理模型分析方法適時(shí)提供多種空間的和動(dòng)態(tài)的地理信息，為地理研究和地理決策服務(wù)的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)[1]。傳統(tǒng)的道路選線方法是選線人員通過搜集和分析線路區(qū)域內(nèi)有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)資料，在大比例尺地形圖上選出幾個(gè)可能的線路方案。紙上定線之后，進(jìn)行實(shí)地勘測，經(jīng)過反復(fù)比較確定一個(gè)較為經(jīng)濟(jì)、合理的路線方案。這種選線方法在很大程度上取決于選線人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力[2]，因此不能滿足現(xiàn)代化道路選線工程設(shè)計(jì)的需要。

現(xiàn)一般采用CAD技術(shù)進(jìn)行道路選線設(shè)計(jì)，雖然可以完成路線平、縱、橫設(shè)計(jì)計(jì)算，土石方計(jì)算和調(diào)配，縱、橫斷面圖繪制等任務(wù)[3]，但在道路選線設(shè)計(jì)中必須要考慮地質(zhì)、水文、環(huán)境等因素的影響。本文以此作為切入點(diǎn)，引入GIS技術(shù)，利用現(xiàn)階段常用的GIS軟件（Google Earth，ArcGIS系列軟件），對道路選線過程中出現(xiàn)的若干問題進(jìn)行分析研究，將地質(zhì)、水文等空間屬性納入到選線設(shè)計(jì)考慮因素中，使得道路選線工作在質(zhì)量上得到了大大提高，而且也工作效率得到了顯著提高。

1 研究方法

利用GIS技術(shù)進(jìn)行道路選線的方法較為靈活多樣，從基本空間分析方法的角度可將它們分為基于數(shù)字高程模型的線路設(shè)計(jì)方法；基于疊置分析的線路優(yōu)化選取方法；基于空間分析與模擬的綜合選線方法[4]，基于GIS支持下的道路選線流程圖見圖1。

1.1 基于數(shù)字高程模型的線路設(shè)計(jì)方法 基于數(shù)字高程模型的線路設(shè)計(jì)方法主要應(yīng)用于利用GIS技術(shù)進(jìn)行道路選線發(fā)展的初期。地形因素始終是道路選線中優(yōu)先考慮的重要因素。在GIS中利用數(shù)字高程模型進(jìn)行道路選線設(shè)計(jì)，是傳統(tǒng)人工地形選線在GIS中的延伸。數(shù)據(jù)的來源可通過航測、遙感、紙質(zhì)地圖掃描矢量化以及野外數(shù)字化采集等方法得到。現(xiàn)階段Google Earth軟件提供了全球近1～2a的地形數(shù)據(jù)和影像資料，對于一些缺少勘測設(shè)計(jì)資料的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，可以借助Google Earth二次開發(fā)功能，提取選線區(qū)域的地形數(shù)據(jù)和影像資料，作為預(yù)可行階段中確定線路基本走向和初始平面設(shè)計(jì)線的依據(jù)，從而減少野外勘測工作，顯著降低勘測設(shè)計(jì)的成本。

圖1 GIS支持下的道路選線流程

單純的基于GIS數(shù)字高程模型的選線模型，并沒有考慮地質(zhì)、水文、交通需求、環(huán)境影響等因素，沒有很好利用和發(fā)揮地理信息系統(tǒng)的特長，設(shè)計(jì)的線路也往往不能滿足實(shí)際的選線工作，需要與其他模型與方法結(jié)合使用。

1.2 基于疊置分析的線路優(yōu)化選取方法 基于疊置分析的線路優(yōu)化選取方法主要用來對已經(jīng)擬訂的多條初選線路方案進(jìn)行綜合評價(jià)與優(yōu)化。基本思路是根據(jù)設(shè)計(jì)道路的類型、技術(shù)等級和具體要求，將線路設(shè)計(jì)方案綜合優(yōu)化的評價(jià)指標(biāo)體系層次化；在GIS中，按照公路等級對初選線路做一定距離的緩沖區(qū)圖層，在多層地理數(shù)據(jù)的支持下，將線路緩沖區(qū)圖層與其他要素圖層做疊置分析，提取并計(jì)算指標(biāo)信息，再利用一定的數(shù)學(xué)方法（如層次分析法、模糊數(shù)學(xué)等）獲取各方案的理論評價(jià)值，為優(yōu)化決策提供依據(jù)。

1.3 基于空間分析與模擬的綜合選線方法 道路選線由最初的地形選線到后來的地形與地質(zhì)選線相結(jié)合再發(fā)展為綜合考慮地形、地質(zhì)、生態(tài)及已有道路管線網(wǎng)絡(luò)等因素的多目標(biāo)空間決策過程，體現(xiàn)了重視道路本身乃至交通運(yùn)輸、區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的核心思想。基于空間分析與模擬的綜合選線方法是指充分利用GIS的空間分析、空間模擬、空間決策支持功能與技術(shù)，將道路選線各環(huán)節(jié)步驟在完備的空間數(shù)據(jù)和空問可視化基礎(chǔ)上歸于一體，試圖實(shí)現(xiàn)GIS選線自動(dòng)化和集成化的一類方法。

2 應(yīng)用實(shí)例

縱貫“死亡之海”的阿拉爾至和田公路是自治區(qū)重點(diǎn)工程項(xiàng)目，是自治區(qū)規(guī)劃中穿越塔克拉瑪干大沙漠的第二條沙漠公路。阿拉爾至和田沙漠公路起點(diǎn)在阿拉爾12團(tuán)2連生產(chǎn)道與阿拉爾—圖木舒克道路交叉處，終點(diǎn)位于新的G315線玉龍喀什河大橋東岸橋頭，公路等級二級，設(shè)計(jì)行車速度80km/h，公路建成后從阿克蘇到和田車程可以縮短1/2。阿拉爾至和田沙漠公路建成對兩地區(qū)間經(jīng)濟(jì)發(fā)展，尤其對全國重點(diǎn)貧困地區(qū)和田的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步將起到極大的促進(jìn)作用，也將有利于地區(qū)間經(jīng)濟(jì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)互補(bǔ)，對于加快南北疆的溝通與交流、促進(jìn)南疆地區(qū)資源優(yōu)勢向經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢轉(zhuǎn)換有重要意義。

2.1 Google Earth獲取高程數(shù)據(jù) 在工程設(shè)計(jì)中，從Google Earth獲取高程數(shù)據(jù)通常用于3個(gè)方面的用途，提取線路的縱斷面地形、橫斷面地形或是沿線區(qū)域的數(shù)字地面模型，可以通過結(jié)合GIS平臺軟件進(jìn)行相關(guān)的生產(chǎn)與設(shè)計(jì)。Google Earth共享了受許可的航空圖片、衛(wèi)星圖片及經(jīng)緯度高程信息，數(shù)據(jù)涵蓋全球[5]。現(xiàn)已有文章提出從Google Earth上提取高程數(shù)據(jù)，并提供程序下載，從而快速、靈活的獲取Google Earth上的高程數(shù)據(jù)，利用提供的開放的API端口實(shí)現(xiàn)批量、便捷的獲取高程信息，為建立DEM等各種應(yīng)用提供支持。

2.2 ArcGIS空間分析 在公路可行性研究中，不僅需要搜集工程沿線的政治、經(jīng)濟(jì)、人口、發(fā)展規(guī)劃、交通狀況等內(nèi)容，同時(shí)對沿線的地形、地貌、工程地質(zhì)、氣象、水文等地理信息要進(jìn)行深入的調(diào)查。這些信息除了具有信息量大、動(dòng)態(tài)、不確定、復(fù)雜、非線性、時(shí)變等特征外，還具有明顯的地理特征，這就決定了研究公路問題離不開地理信息，不僅需要文字和圖形描述信息，同時(shí)還要對信息的文字和圖形進(jìn)行描述。在以往的調(diào)查中，這些信息是相互獨(dú)立的，當(dāng)涉及多種信息時(shí)，設(shè)計(jì)者必須穿梭于各種信息之間，因而浪費(fèi)大量的時(shí)間，致使效率降低。而在做好衛(wèi)星影像圖以后，就能利用GIS有效地組織和管理各種繁雜的信息，使設(shè)計(jì)者能對各種信息進(jìn)行可視化管理，使設(shè)計(jì)者不再沉迷于各種信息的收集和整理，而致力于公路路線的合理性、技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、服務(wù)性，從而為決策者對工程總體方案的選擇提供科學(xué)的參考依據(jù)。研究中根據(jù)前期準(zhǔn)備的遙感影像數(shù)據(jù)及其他綜合數(shù)據(jù)在ArcGIS中進(jìn)行疊加分析，輸入控制點(diǎn)，選擇三套方案進(jìn)行后期進(jìn)一步比對分析（見圖2）。

利用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)學(xué)工具分別對三套研究方案進(jìn)行空間疊加分析，主要考慮覆蓋地物、地質(zhì)、水文、地形（見圖3）、坡度、坡向（見圖4）等相關(guān)要素，確定最終一個(gè)最優(yōu)路線進(jìn)行實(shí)地勘察，從而進(jìn)行下一道程序的設(shè)計(jì)。

最終綜合考慮各方面的因素，方案一距離最短，跨越地帶地質(zhì)條件較差，沙漠流動(dòng)性較強(qiáng)，后續(xù)防風(fēng)固沙工作較為困難，方案三地質(zhì)條件較為優(yōu)越，沙漠流動(dòng)性較小，但水文條件較差，整條線路需要修建涵洞數(shù)量較大，項(xiàng)目投資明顯增加，方案二可以很好的綜合了方案一和方案三的優(yōu)勢，水文、地質(zhì)等因素均較為適宜，因此最終選定方案二為最優(yōu)方案，從而進(jìn)入后續(xù)實(shí)地踏勘階段進(jìn)行進(jìn)一步的分析與設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論與展望

道路選線由最初的僅依靠紙質(zhì)地形圖畫線，實(shí)地勘測選線的方式發(fā)展為引入GIS技術(shù)綜合考慮地形、地質(zhì)、水文、生態(tài)及已有道路網(wǎng)絡(luò)等因素的多目標(biāo)空間決策過程，并且在整個(gè)過程中可以實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化，效率更高，質(zhì)量更好。通過實(shí)例分析可以得出：GIS技術(shù)因其空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的完美結(jié)合、強(qiáng)大的空間模擬和空間分析功能而被吸納到道路選線工作中，應(yīng)用GIS技術(shù)進(jìn)行道路選線具有巨大的優(yōu)勢，無論是對道路選線所用資料的管理還是對其選線成果的修改都是十分方便的，這將極大的提高工作效率，因此我們完全有理由相信，隨著理論水平和技術(shù)水平的不斷完善與提高，利用GIS技術(shù)可以進(jìn)一步滿足道路工程選線自動(dòng)化和決策支持系統(tǒng)的需求。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)編：徐煥斗）