基于GIS技術的復雜山區道路選線優化方法探討

摘要：針對于復雜山區道路選線的優化問題，文章提出了以地理信息系統技術為基礎，綜合考慮地形特征和環境約束等因素，進行道路選線優化的方法，對道路網絡模型進行地形參數的獲取與處理，對道路節點及其連通性進行分析，在此基礎上設計多條件權衡算法并有效處理約束條件，以達到道路選線優化的目的。該此種方法在實際應用中得到驗證并取得了較好的效果。

關鍵詞：地理信息系統GIS技術復雜山區道路選線道路節點優化方法

中圖分類號：TU985

Exploration of theOptimization Method for Road RouteAlignment SelectionOptimization in Complex Mountain Areas Based on GIS Technology

JING Qilin1LVLYUYuhai2SU Ming2

（1.Xinjiang Transportation Vocational and Technical College of Communications， Urumqi， Xinjiang， Uygur Autonomous Region，831401 China;2.Xinjiang Zhongzhou Transportation Technology Co.， Ltd.， Urumqi，Xinjiang Uygur Autonomous Region，830006 China）

Abstract：In order to solve the problem of road alignmentoptimizationin complex mountainous areas， this paper proposesAa method for road alignment optimization that isoptimizing road routing in complex mountainous areas is proposed based on geographic information system technology，and comprehensively considers taking into account factors such as terrain features and environmental constraints，.whichThe road network model is used to obtains and processes the terrain parameters of the road network model， analyzes road nodes and their connectivity， and designs a multi-condition trade-off algorithm to effectively handle constraint conditions， in order to achieve the goal of road alignmentrouting optimization. This method has been validated and achieved good results in practical applications.

KeyWords：Geographic Iinformation sSystem Ttechnology; Complex mountainous areasroad; Road route selection; Road node of route selections GIS technology; Complex mountainous areas; Road route selection;Optimization method

1 方法概述

1.1 數據獲取與處理

復雜山區道路選址的數據獲取與處理是道路選址優化的關鍵步驟之一，利用衛星遙感技術獲取高分辨率的數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數據，如先進太空軌道雷達（Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer，ASTER）ASTER 、全球數字高程模型（Global Digital Elevation Model，GDEM）GDEM、太空艙雷達測地任務（Shuttle Radar Topography Mission，SRTM）SRTM等，以獲取地形的精確信息，如高程、坡度和坡向等。這些數據可以通過美國地質調查局（United States Geological Survey，USGS）USGS）和歐空局等機構獲取，并通過地理信息系統（Geographic Information System，GIS）GIS軟件進行處理。獲取衛星影像數據，如Landsat影像、Sentinel影像等，用于識別山區植被分布、土地利用情況等環境信息。還需獲取地理信息系統（GIS）數據庫中的相關數據，如土地利用數據、地質地貌數據等，可從當地地方政府或相關研究機構獲取。需要獲取運輸相關數據，如歷史運輸流量數據、運輸事故數據等，可通過運輸管理部門或公開數據平臺獲取。通過對這些多源數據的獲取和處理，可以全面了解復雜山區的地形特征、環境條件和運輸需求，為道路選址優化提供科學依據和技術支持。運輸需求示例數據見表1，其中：區域1：為市中心；區域2：為郊區住宅區；區域3：為工業園區；區域4：為農村地區。

1.2 空間分析技術概述

空間分析技術在復雜山區道路選址優化中扮演著至關重要的角色，這些技術能夠幫助理解和分析地形特征、環境條件以及運輸需求，為道路選址提供科學依據和技術支持。地形分析是空間分析技術的重要組成部分之一。通過地形分析，可以獲取地形的相關參數，如坡度、坡向、高程等，以全面了解山區地形的特征和變化。利用地形分析技術，可以確定道路的走向和路徑，避開地形復雜、易發生地質災害的區域，確保道路的安全性和穩定性。環境分析是空間分析技術的另一重要應用領域。通過環境分析，可以評估山區的生態環境、土地利用狀況等，以減少對自然資源的破壞，保護生態環境。例如，：利用遙感影像數據進行植被覆蓋分析，可以幫助確定道路選址的最佳位置，減少對植被的破壞。運輸分析是空間分析技術的又一重要應用領域。通過運輸分析，可以評估山區的運輸需求和運輸流量，為道路選址提供科學依據。例如，：利用運輸流量數據和人口密度數據，可以確定運輸繁忙的區域，優化道路網絡的設計方案，提高運輸運輸的效率。綜上所述，空間分析技術在復雜山區道路選址優化中具有重要的應用價值，它能夠幫助理解和分析地形特征、環境條件以及運輸需求，為道路選址提供科學依據和技術支持。

2 地形分析

2.1 地形數據處理

在山區復雜的道路選址中，利用SRTM（數字高程模型）衛星數據獲取高分辨率數字高程模型（DEM）數據。這些DEM數據包含了重要的參數，比如地形的高程，、坡度，、斜坡。比如，例如：利用SRTM數據對30米m分辨率的研究區域進行了覆蓋，可以精確地反映山區地形地貌的細微之處和變化。DEM數據處理是通過ArcGIS軟件進行的，包括去除雜訊，、填充空缺，、平滑地形等操作，確保數據準確可靠。利用ArcGIS中的Spatial Analyst工具箱計算地形參數，如坡度、坡向、高程等級、地形曲率等。例如，：使用Spatial Analyst工具箱中的“"Slope”"工具來計算地形坡度，以及“"Aspect”"工具來計算地形坡向。還利用ArcGIS中的地形位置指數（Topographic Position Index，TPI）TPI（Topographic Position Index）工具來提取地形特征，進一步細化地形數據。利用這些地形數據構建了三維地形模型，以便于對地形的可視化和分析。通過對這些具體數據的處理，能夠全面了解復雜山區地形的特征和變化，為道路選址提供科學依據和技術支持。地形數據示例見表2，其中：地點A：為山頂；地點B：為山腳；地點C：為山腰；地點D：為山谷。

2.2 地形參數提取

地形參數是地形分析的重要內容之一，是一種數值化的地形特征描述。對地形特征的分析、對地形條件的評估，以及對道路路線的確定，在提取地形參數方面都具有重要作用。常用的地形參數有坡度，、坡向，、標高等級，、地形曲率等各種地形參數。坡度對于道路選址具有重要的參考價值，坡面是地形的基本特征之一，可以直觀地反映地表的陡峭程度。坡向是確定道路走向和梯度有重要影響的地表向下坡方向。高程等級是根據地形高程劃分的等級，可以對地形起伏變化進行較好的刻畫。地形曲率是對地形復雜程度的評估具有一定參考價值的一種描述地形曲線形狀、能反映地形起伏程度和曲線形狀的參數。地形參數提取是一項重要的道路選址優化步驟，為后續的道路選址提供科學依據和支撐，通過提取地形參數對地形特征進行全面了解。

3 道路網絡構建

3.1 道路網絡模型設計

道路網絡模型設計是道路選線優化的核心環節之一，將直接決定道路選址方案的合理性和可行性，必須考慮復雜山區地形特征環境條件等各方面因素。具體地說，在設計道路網絡時需要根據地形資料和環境條件確定道路的走向和路徑，并考慮地形的起伏變化植被覆蓋情況和水文地質條件等因素來避開地質災害隱患區和生態敏感區，保證道路的安全性與穩定性。然后需要對道路的幾何參數進行合理設計，比如例如：道路寬度坡度彎道半徑等，以滿足車輛行駛的要求并考慮施工條件和環境影響，使道路的幾何形態得到合理的設計。還應注意道路網絡的功能分區，有主干路、支路、聯絡道等，保證道路網絡的連貫性與完整性，。進行道路網絡模型設計是道路選址優化的關鍵環節，設計合理的方案能夠為后續道路的選址與建設提供科學依據和技術支持，。如圖1所示的為GIS空間分析選線模型圖。

3.2 道路節點及連通性分析

道路節點及連通性分析在復雜山區道路選址中具有重要意義，對于道路網絡中的節點，需要確定其具體位置和功能。通常，節點可以是交叉口、連接兩條以上道路的路口、公路與鐵路的交匯會處等。通過對道路網絡進行拓撲建模，可以清晰地識別出各個節點的位置和類型，并進一步分析其運輸流量和重要性。連通性分析是道路網絡設計的關鍵環節之一。在復雜山區地形條件下，道路的連通性對于運輸的暢通和安全至關重要。需要確保各個節點之間的連通性良好，以滿足運輸的需求。在連通性分析中，通常會考慮道路的通行能力、交叉口的設計、道路的寬度和坡度等因素，以確保道路網絡的完整性和穩定性。還需要考慮到地形因素、環境約束和運輸需求等因素，綜合考慮各種因素的影響，進一步優化道路網絡的設計方案。通過對道路節點及連通性的深入分析和優化，能夠為復雜山區道路選址提供科學依據和技術支持，確保道路網絡的安全、高效和可持續發展。

4 道路選線優化算法

4.1 多條件權衡算法

復雜山區道路選線優化中，多條件權衡算法被廣泛應用于對各方面因素進行綜合考慮，如地形特征對環境約束運輸需求等，以求得出最優道路選址方案。多條件權衡算法要求確定各種因素的權重，一般采取專家經驗法分層分析法等方法進行權重的確定。將各種因素轉化為數學模型建立優化目標函數，以達到最小化或最大化目標函數的目的，通過數學優化的方法求出最優解。在優化過程中，需要考慮到各種因素之間的相互影響以及相互制約的關系，保證選址方案的的合理性和可行性。也要注意避免算法出現局部最優解的情況。

4.2 約束條件處理

對復雜山區道路選線優化中涉及的各種約束條件，如地形限制，、環境保護，、土地利用等進行綜合分析和歸納整理，以使選址方案的制定訂和實施具有合理依據，這是一項十分必要的工作。對約束條件進行數學建模，建立相應的約束方程組，再與優化目標函數相結合，以建立混合整數規劃模型或多目標規劃模型來求得最優的選址方案，從而保證道路選線的合理性和可行性。通過這一方式的采用，既能保證選址方案的可行性，又能最大限度地滿足各種約束條件。對復雜山區道路選址問題進行求解時，需要綜合考慮約束條件的相互影響和制約關系，對各類約束條件之間產生的矛盾和沖突進行合理的處理，從而保證所選的選址方案具有較高的可行性和穩定性。并且需要運用靈活的優化方法和求解算法，例如遺傳算法和蟻群算法等來應對上述挑戰。

5結語

文章以GIS技術為依托，對復雜山區道路選線進行優化的研究。它以地形分析為基礎進行道路網絡建設與多條件權衡算法的結合運用；對地形特點環境約束與運輸需求進行綜合考量；以科學的方法提高道路選址的精確性，從而對山區運輸運輸的發展起到重要的支撐作用。但復雜山區道路的選址仍面臨諸多挑戰；文章的研究希望能對相關領域的學者與工程師有所借鑒，以促進復雜山區運輸建設有進一步的進步與開發。

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