GIS 在公路路線設(shè)計中的應(yīng)用探討

李泓韋

（中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司,北京 100024）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路工程的建設(shè)里程逐年增加，對路線設(shè)計方案的質(zhì)量要求也越來越嚴(yán)格。如果路線方案選擇不當(dāng)，可能會影響后期公路行車安全性，嚴(yán)重的可能造成交通安全事故。傳統(tǒng)公路路線設(shè)計是基于規(guī)范，對設(shè)計人員的綜合知識和經(jīng)驗(yàn)要求高，但設(shè)計效率較低。為了解決這一問題，有學(xué)者提出將地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS）用于路線設(shè)計中。GIS 技術(shù)是一門新興交叉學(xué)科，其基本表達(dá)形式為二維或三維電子地圖，用于計算、分析、管理地理坐標(biāo)信息，在我國應(yīng)用尚不完善[1]。因此，進(jìn)一步研究GIS在公路路線設(shè)計中的應(yīng)用意義重大。

1 公路選線步驟及GIS 基本理論分析

1.1 公路選線步驟

公路選線大致可分為全面布局、逐段安排、定線三個階段，具體步驟總結(jié)見表1[2]。

表1 公路不同選線階段內(nèi)容

1.2 GIS 基本理論

（1）GIS 功能。根據(jù)相關(guān)研究成果，GIS 具有數(shù)據(jù)采集、制圖、地形分析、空間分析等功能，具體闡述如下：①數(shù)據(jù)采集功能。這是GIS 最基本的功能，可以將空間中的地物要素按既定規(guī)定轉(zhuǎn)化成坐標(biāo)及代碼，輸入到計算機(jī)軟件；②制圖功能。GIS 可以制作各種專題圖或全要素圖，將各種地理要素顯示在地圖上，并賦予數(shù)值范圍，用戶可以結(jié)合分析需求來導(dǎo)出相應(yīng)地圖；③地形分析。利用GIS 可計算地形坡度、坡向、等高線、填挖方體積等，為公路路線設(shè)計提供依據(jù)。

（2）GIS 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在GIS 中，數(shù)據(jù)類型包括柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)兩類。柵格數(shù)據(jù)是將地理空間劃分為若干個大小相同的矩形網(wǎng)格，并給每個網(wǎng)格分別賦予相應(yīng)的參數(shù)，來表達(dá)空間實(shí)體（取決于所在柵格的行和列），直觀性好，建模方法簡單。一般情況下，柵格尺寸越小，空間分辨率越大，但是數(shù)據(jù)處理效率越低，對計算機(jī)性能的要求較高，反之亦然。

矢量數(shù)據(jù)是利用離散坐標(biāo)來表達(dá)地理要素的空間分布特點(diǎn)，即以坐標(biāo)點(diǎn)（x、y、z）來描述抽象的空間實(shí)體的點(diǎn)、線、面及相互組合。由此可知，矢量數(shù)據(jù)越多，對地理數(shù)據(jù)的表達(dá)越精確，但是矢量數(shù)據(jù)的獲取難度大，在實(shí)際項目中的應(yīng)用不多。

（3）GIS 平臺選擇。GIS 發(fā)展迅速，國內(nèi)外平臺可達(dá)數(shù)百個，比如Mapinfo、ArcGIS、GeoMedia、MapGuide、GeoStar、MapGIS 等。每個GIS 平臺的特點(diǎn)、適用條件等有很大差異，要結(jié)合項目實(shí)際情況選擇。從功能和適用性來看，ArcGIS 平臺的應(yīng)用效果最好。因此，該文基于ArcGIS平臺來闡述GIS在公路路線設(shè)計中的具體應(yīng)用。

1.3 GIS 應(yīng)用優(yōu)勢分析

相對于傳統(tǒng)設(shè)計方法，GIS 能綜合使得地貌、地質(zhì)等因素可視化，便于設(shè)計人員的分析，且設(shè)計人員可以將路線方案直接顯示在數(shù)據(jù)高程模型上。同時，還可以利用GIS 中的空間分析模型來分析各個因素對路線平、縱線形指標(biāo)的影響程度，并自動計算、繪制出橫斷面圖，改善工作效率[3]。

2 基于GIS 的公路選線綜合優(yōu)化模型建立

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取

全面、精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是公路路線設(shè)計的基礎(chǔ)條件，也是線形合理的重要保證。該文利用ArcGIS10.0 平臺內(nèi)置的空間數(shù)據(jù)分析模塊，闡述公路沿線土地利用數(shù)據(jù)的獲取方法。

（1）信息提取和處理。信息提取應(yīng)堅持“先易后難、突出重點(diǎn)”的原則，可采用直接解譯法、圖像處理法等。為了便于分析，信息獲取后要對其進(jìn)行處理：一是基于紅、綠、藍(lán)三種基礎(chǔ)色調(diào)，使影像疊合，生成彩色合成圖像；二是利用反差增強(qiáng)、邊緣增強(qiáng)、比值增強(qiáng)等方法對影像進(jìn)行增強(qiáng)處理；三是選擇多個控制點(diǎn)來糾正影像，直至與實(shí)際誤差滿足工程建設(shè)需求；四是將分段提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。

（2）解譯精度。GIS 數(shù)據(jù)的解譯誤差宜小于1 個相元，相當(dāng)于實(shí)地30 m；最小圖斑面積宜＞6×6 個相元，相當(dāng)于實(shí)地面積32 400 m2。

（3）地物處理。大量工程實(shí)踐表明，GIS 所提取的部分地物數(shù)據(jù)可能與實(shí)際有差別，需進(jìn)行單獨(dú)處理。比如水工建筑物的TM 影像圖分辨率不能滿足要求，在路線設(shè)計時需借助土地利用詳查數(shù)據(jù)；再比如公路沿線的溝渠面積，不宜直接從GIS 圖像中量取，需根據(jù)現(xiàn)場踏勘數(shù)據(jù)來統(tǒng)計。

2.2 路線優(yōu)化模型建立

（1）數(shù)字高程模型和數(shù)字分析模型。數(shù)字高程模型（DEM模型）是用來模擬公路所在區(qū)域地面高程的模型，見式（1），且坡度、坡向等地貌特性也可在DEM 模型中表示。隨著計算機(jī)硬件水平的快速進(jìn)步，DEM 模型所包含的地形地貌內(nèi)容越來越廣泛[4]。

式中，xi、yi——平面坐標(biāo)；zi——平面點(diǎn)（xi、yi）所對應(yīng)的高程。

DEM 模型的本質(zhì)是利用數(shù)學(xué)中的內(nèi)插法將三維立體實(shí)物轉(zhuǎn)化到二維平面圖紙，常用的插值方法有分塊內(nèi)插法和逐點(diǎn)內(nèi)插法，前者包括線性內(nèi)插、多項式內(nèi)插、最小二乘法等，后者包括加權(quán)平均值法、最小二乘法等。

數(shù)字分析模型由DTM 模型轉(zhuǎn)換而來，該文使用的數(shù)字分析模型包括坡度模型、地質(zhì)模型、地物模型等，其中坡度模型由DTM 模型計算得到，地質(zhì)模型和地物模型是先對地質(zhì)、地物條件賦值，再用賦值DTM 模型中的高程。

（2）成本路徑分析。兩個相鄰柵格的連接成本C取決于連接方向，可按式（2）計算：

式中，cost1—— 柵格1 的成本；cost2—— 柵格2的成本。

在實(shí)際項目中，先從GIS 模型的第1 個單元開始，沿著累計成本最小的路徑繪制柵格連接方向，以獲取最優(yōu)路線方案。

（3）廊道分析。廊道分析要借助成本距離工具，創(chuàng)建2 個成本累積柵格，1 個成本累積柵格對應(yīng)1 個像元。如果從廊道柵格中選擇值＜閾值的全部像元，則生成的閾值可視作最小成本廊道。

3 基于GIS 的公路選線實(shí)例分析

3.1 工程概況

（1）建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。研究對象為高速公路項目，其設(shè)計速度100 km/h，設(shè)計荷載為公路—I 級，橫斷面為雙向四車道，路基寬25.5 m，路面類型為瀝青混凝土路面，厚68 cm。路線最大縱坡5%，最小坡長控制在200 m，一般最小平曲線半徑取400 m，極限平曲線最小半徑取250 m。

（2）氣象水文條件。路線所在區(qū)域?qū)賮啛釒Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年溫差和日溫差較大，年最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫分別為26.8 ℃、-5.6 ℃、17.7 ℃。同時，年降雨量較大，約1 008.8~1 122.5 mm，且雨季集中在5 月至10 月，尤其是在7 月份和8 月份，降雨量最大，可占全年降雨量的70%以上。

（3）地形地貌。公路走廊帶地形復(fù)雜，地勢起伏大，總體呈“東北高、西南低”的趨勢，區(qū)域內(nèi)多為構(gòu)造侵蝕地貌和溶蝕地貌。利用GIS 平臺對公路所在區(qū)域的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染處理，如圖1 所示。

圖1 公路所在區(qū)域的GIS 模型

3.2 路線設(shè)計思路

公路路線設(shè)計的目標(biāo)是確定最佳線形，但是“最佳”的含義并不是完全固定的，可以是路線空間距離最短，也可以是公路造價最低、工期最短等。為了解決這一問題，該文綜合考慮地質(zhì)、坡度、高程、地物等方面，通過最佳路徑算法來獲取公路的最佳路線，具體設(shè)計思路如圖2所示[5]。

圖2 GIS 用于公路路線設(shè)計的思路

3.3 路線設(shè)計方案對比

基于GIS 平臺中的成本路徑和廊道分析結(jié)果，該高速公路初步選定了3 條路線方案，分別命名為A1 線、A2 線、A3 線。不同路線方案的定性對比如下：

（1）建設(shè)條件。3 條路線方案的地形和地質(zhì)條件相差不大，但A1 線靠近省道，運(yùn)輸條件較便利。

（2）建設(shè)里程。A2 線建設(shè)里程最短，A1 線次之，A3 線最長。

（3）占地拆遷。A1 線的征地拆遷面積和征拆難度最小，A2 線的征地面積大，且耕地占用占比高，A2 線穿過某鎮(zhèn)的工廠，如果拆遷會對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)產(chǎn)生不利影響，且拆遷協(xié)調(diào)難度較大。

（4）環(huán)境保護(hù)。A1 線、A2 線、A3 線均穿過水源敏感地，需設(shè)置油水分離池對路面污水進(jìn)行處理。同時，A2 線穿過學(xué)校，行車噪聲會影響學(xué)校正常教學(xué)活動。

3.4 GIS 應(yīng)用效果評價

（1）評價指標(biāo)體系。為了驗(yàn)證GIS 技術(shù)在公路路線設(shè)計方案中的應(yīng)用效果，該文利用層次分析法選擇若干個評價指標(biāo)。需注意，公路路線設(shè)計方案的評價要同時選擇定性指標(biāo)和定量指標(biāo)，兩者相互補(bǔ)充，才能更好地評價GIS 技術(shù)應(yīng)用效果?；诳茖W(xué)性、經(jīng)濟(jì)性原則，該文建議從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境三個方面來評價GIS 技術(shù)的應(yīng)用效果，具體指標(biāo)體系見表2[6]。

表2 公路路線方案評價指標(biāo)體系

（2）評價結(jié)果計算。在計算路線方案綜合評分前，需邀請多名專家得出各個評價指標(biāo)的權(quán)重和分?jǐn)?shù)，再通過“加權(quán)法”計算路線方案的評分S，見式（3）。為了提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，評分要去掉1 個極大值和1 個極小值，再取其他數(shù)據(jù)的平均值作為某一評價指標(biāo)的權(quán)重。結(jié)合相關(guān)研究成果，按評分S將GIS 在路線方案中的應(yīng)用效果劃分為好、較好、一般、較差、差五個等級，對應(yīng)的評分范圍分別是S＞90、80＜S＜90、70＜S＜80、60 ＜S＜70、S＜60。

式中，wi——第i個評價指標(biāo)的權(quán)重；Si——第i個評價指標(biāo)的評分。

以一級指標(biāo)為例，按上述方法得到該高速公路A1 線、A2 線、A3 線的技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)權(quán)重分別為0.55、0.30、0.15，評分見圖3。

圖3 路線方案一級評價指標(biāo)的評分

將路線方案各個評價指標(biāo)評分和權(quán)重代入式（3），A1 線、A2 線、A3 線的評分S分別為85.2、80.5、81.2，均大于80 分。說明GIS 技術(shù)在公路路線設(shè)計方案中的應(yīng)用效果較好。

4 結(jié)論

該文研究了GIS 技術(shù)的基本理論、路線優(yōu)化模型及其應(yīng)用效果，得到了以下幾個結(jié)論：

（1）公路路線設(shè)計是一個層層深入、不斷推進(jìn)的過程，應(yīng)用GIS 技術(shù)后可大幅度地提高工作效率。

（2）基于GIS 技術(shù)開展公路路線方案優(yōu)化要先獲取準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并基于數(shù)字高程模型和數(shù)字分析模型開展成本路徑和廊道分析。

（3）為了驗(yàn)證GIS 技術(shù)在路線設(shè)計方案中的應(yīng)用效果，可從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境三個方面建立評價指標(biāo)體系，利用加權(quán)法計算出綜合評分。