地理信息系统在道路选线中的应用研究

【摘 要】道路选线是一个与多个专业相关联的综合性规划设计工作，所涉及的范围之广，影响因素之多，决定了这是一复杂的工作。确定最优的公路布线区域和最优的公路布线方案是这一工作最主要的目标。针对现有的通用道路选线设计方法工作周期长、效率低，耗费大量资源等缺点，以及现行技术不能满足现代道路设计需求，引入了地理信息系统（GIS）的相关理论、技术方法和分析手段，从以GIS技术为基础的道路选线设计和基于多个目标的非线性道路选线两个方面，探讨了现代道路选线设计的最优化模型构建问题，对现代道路选线设计过程中出现的问题进行比较分析研究，比选出一种最合理的道路选线办法。为现代道路工程设计提供了更为科学合理的技术手段。

【关键词】道路工程；道路选线；地理信息系统；优化模型

引言：

在以往的道路选线工程中，通常是指选线工作人员在道路的起终点之间依据道路功能性质、使用目的、等级、标准，然后结合沿线地形地貌、气候、土壤条件和水文等情况，在大比例尺地形图上（一般比例尺为1∶500～1∶2000）选出较为可行的几个路线方案，通过考虑经济、生态、技术等多个方面的比较论证分析，从而比选出最理想路线的工作。选线工作人员的实践经验以及技术知识水准在相当大的程度上决定了这种选线手段的优劣，而且耗费大量的人工，所以，传统的选线方法已经无法适应现代道路设计的发展。因此，在道路选线设计过程中，首先构建相关道路选线的模型，然后对其进行优化处理以及进行必要研究，从而在整体设计上提高公路选线设计的科学合理性，对公路使用水平的提高具有明显的意义[1]。

因此，本篇文章所要探讨的主要问题是怎样对传统道路选线设计的方法进行改良，所以，道路设计工程人员引进了GIS技术平台，对在现代道路选线设计过程中可能出现的一些问题进行剖析比较研究，提出一种符合现代公路选线的方法。这种方法功能全面并且是全新的。目前，已经有相关学者在公路选线优化设计中引进了地理信息系统，并作了相关的研究。周鑫鑫[2]提出利用RS与GIS技术平台的空间分析功能对城市道路交通网进行精确、高效、动态的评价。王冲，丁沃沃[3]提出利用GIS技术平台中的路径成本工具对城市主要骨架路网与支路网进行研究设计。胡巍[4]针对GIS技术平台难以解决的符合现行规范的道路纵坡设计的问题，提出利用EZ profiler插件将GIS平台与CAD平台相结合，以设计出符合道路纵坡要求的山区道路。

一、地理信息系统

作为一个集计算机科学、工程地质学、信息统计科学、测绘科学，以及管理科学等相关学科为一体的新兴学科——地理信息系统[5]（Geographic Information System简称GIS），GIS技术依靠计算机图形学、地理空间数据库、多媒体等最新技术，把表征各类地理信息要素特点以及分布的数据、图形等信息录入计算机，在其软件、硬件的支持下对地理信息数据进行分析整理，同时可以同步准确地搜集、修正和更新地理空间数据，进而为选线工作人员提供一定的数据支持。GIS技术，是一项新的资源管理信息系统，其理论与技术从被研发到推广，历经了四五十年的发展，已经融入、被应用到社会生活的各个领域内。由于道路信息具有空间特征，因此GIS技术特别适用于对道路不同信息的分析处理上，已成为现代道路建设管理的重要手段之一。

二、基于GIS技术的道路选线

（一）基于GIS技术的道路选线流程

GIS技术系统的主要功能不仅仅是对图形的管理，其对空间数据的分析能力才是最主要的功能。多种多样的空间数据分析功能能够为道路选线工作者在选取合理的线路上提供众多的数据比选依靠。对搜集的空间数据进行全面的系统分析，有利于道路选线工作者从某些宽广的角度上掌握当地地形地貌，使用科学合理的方式以作出最符合所建地区道路要求的决策。GIS系统在道路选线设计过程中，是将搜集的大量地形数据导入系统平台作为基础条件，GIS系统平台能够自动地生成数字地形模型（DTM）、地面正射影像图（DOM），对道路选线人员充分了解整个道路沿线地区有很大帮助，然后对影响道路选线设计各种因素进行详细的分析。基于道路设计的标准，对路线的大控制点进行恰当的分布，依靠人工和软件的交换系统通过比选后得到最为合理的线路，并将最终的状态显示在DTM上。基于GIS技术的道路选线流程[6]如图1所示。

（二）以GIS技术为基础的道路选线模型

现在，在道路选线设计中以GIS平台为基础，可以提高选线人员在选线设计中的经济效益和工作效率，并且为解决人与自然环境矛盾问题提供了大量的技术支持。通常，以GIS技术平台为基础构建的主要道路选线模型有以下两种[7]-[9]：

1）基于单个因素条件下的构建道路选线设计模型。为了避免公路在建设过程中受到工人的施工问题、当地自然环境等不利要素的影响。因此，有必要对与道路选线设计有关的图形资料，如待建道路的地形图和周边地质图进行数字化处理，而后依靠地理信息系统平台建立多种因素间的空间数据关系，从而找出各部分资料之间的关联，确定出各个影响因素对道路选线设计工程中的的影响。

2）基于多个要素条件下的构建道路选线设计模型。

利用GIS分析了影响道路选线设计的诸多因素，并依托GIS平台的空间数据处理和分析功能，建立了路线选线缓冲区模型的缓冲模型。首先，将影响道路选线设计的各种因素进行空间上的叠加，并系统的处理道路缓冲区的模型。其次，结合道路缓冲模型和基于单个因素道路选线模型，并且对其一定的叠加计算分析，以确定影响道路选线设计的各种因素。最后，对新建道路的变坡点位置、交点位置和坡度大小进行统一，计算得出缓和曲线和圆曲线的最小半径，确定道路的填方和开挖方向，为后续的选线设计进行综合分析提供依据。 （下转第276页）

（上接第274页）

为了建立更加合理的路线选择模型，需要引进GIS技术平台，通过利用对地形特征数据可以充分处理的分析功能，以此来对道路选线设计的各种影响因素的数据文件进行修改或删减处理，从而分析并比较所建立公路选线多个方案的合理性。同时，由于GIS技術在输出与工程因素有关的结果方面具有很大的灵活性。所以，还可以根据其他多方面因素，绘制出道路影响因素和道路横截面的属性表，为确定最合理道路选线设计方案提供依据。

（三）基于多因素目标非线性的道路选线设计优化模型[10]

由于进行道路选线设计不仅仅和应用的技术相关联，同时还和环境、地理、地貌等复杂因素有密切关系。因此，在确定道路选线设计方案时，如果能够构造多因素目标非线性优化函数，将提高道路选线设计的科学与合理性。

1）构造备选方案

一般地，备选方案主要根据方案网络图构造的，确认选定路线方案，构建备选方案的网络图，同时标记出所建道路的起点与终点。在建立道路网络图的过程中，使用如下相关公式：

D=（Ω，A，H，R）

其中，D为有向线路；Ω为顶点集，Ω包括Ω1，Ω2，…，Ωn；Ω1表示道路起点，Ωn道路终点；A为弧集；H为弧权集；R为顶点权集。

通过该函数，可以将道路设计过程中需要的所有备选方案均可以得出。

2）建立优化模型

一般地，构造目标函数，形式具体如下：

min F（x）=（f1（x），f2（x），…，fp（x））

其中，min F（x）为在道路选线设计所有可能出现因素中影响最小的因素；f1（x），f2（x），…，fp（x）分别与道路选线设计中经济、技术和环境等因素相对应的指标。

道路选线人员可以通过建立此模型，以及对多个目标非线性的道路选线设计模型进行科学合理的比选，最终确定出最优选线方案。

三、结语

道路的基本骨架是路线，而道路选线设计由最初的仅仅依靠纸质地形图纸上定线，实地勘测放线、选线的方式发展为引入GIS技术平台综合考虑环境、地形地貌、水文、生态以及旧道路网络等诸多因素的多个目标空间分析过程，同时在整个道路选线设计过程中可以实现完全的数字化，缩小工程量，提高工程质量。全面研究最佳的优化模型，可以使其发挥最佳功能，从整个工程要求上提升公路选线设计的科学合理性，使城市公路的设计和交通网格规划产生更广泛的经济、社会、生态效益，经过四五十年的实践应用，其理论应用水平在工程实践中不断的完备，引进GIS技术平台在道路工程中进行路线设计是一种必然的发展趋势。

【参考文献】

[1]孔金玲.基于GIS技术的公路选线多方案综合评价[J].武汉测绘科技大学学报，1999，（3）.

[2]周鑫鑫.基于RS与GIS的城市道路评价技术研究[D].郑州：郑州大学，2009.

[3]王冲，丁沃沃.基于Arc GIS的复杂地形规划问题研究——道路布线和分地块高程确定[J].城市建筑，2010（10）：122-124.

[4]胡巍.GIS在城市竖向设计中的应用——道路纵断面设计与土方工程量计算[J].华中建筑，2009，27（5）：143-147.

[5]陈俊，宫鹏.实用地理信息系统[M].

北京：科学出版社，1998：12—15.

[6]曹健，何东坡，王森岭.GIS技术在道路选线中的应用[J].测绘与空间地理信息，2005（6）：103-104.

[7]黄雄.基于GIS空间分析的道路选线技术研究[D].长沙：长沙理工大学，2006.

[8]孙建国，程耀东，闺浩文.基于GIS的道路选线方法与趋势[J].测绘与空间地理信息，2004，27（6）：53—54，61

[9]杨宏志，韩跃杰，李芬，许金良.基于GIS和遗传算法的公路智能选线[J].长安大学学报（自然科学版），2009（3）

[10]趙学焘，王磊.GIS在公路路线设计中的应用[J].城市建设理论研究（电子版），2013（17）.