GIS技术在道路选线中的应用研究

张媛　张永福

摘 要：针对现阶段一般道路选线方法工作周期长、效率较低和耗费大量人力物力等缺陷，引入地理信息系统的相关理论、方法和技术分析手段，利用Google Earth、ArcGIS等系列软件，对道路选线过程中出现的相关问题进行对比分析研究，选取一种最优的道路选线方法。基于GIS的道路选线方法，不仅为道路空间分析的方案策划、数据获取、前期预设计提供了广泛的空间信息技术的应用平台，也为大区域的空间工程项目建设提供了合理的数据组织基础，为道路工程设计提供了一个更为科学的技术设计手段。

关键词：地理信息系统；道路选线；空间分析；工程应用

中图分类号 TP393 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2013）08-05-03

地理信息系统（Geographical Information System，GIS）是计算机科学、地理学、测量学和地图学等多门学科的交叉，它是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统[1]。传统的道路选线方法是选线人员通过搜集和分析线路区域内有关技术经济资料，在大比例尺地形图上选出几个可能的线路方案。纸上定线之后，进行实地勘测，经过反复比较确定一个较为经济、合理的路线方案。这种选线方法在很大程度上取决于选线人员的实际经验和技术水平，且费时费力[2]，因此不能满足现代化道路选线工程设计的需要。

现一般采用CAD技术进行道路选线设计，虽然可以完成路线平、纵、横设计计算，土石方计算和调配，纵、横断面图绘制等任务[3]，但在道路选线设计中必须要考虑地质、水文、环境等因素的影响。本文以此作为切入点，引入GIS技术，利用现阶段常用的GIS软件（Google Earth，ArcGIS系列软件），对道路选线过程中出现的若干问题进行分析研究，将地质、水文等空间属性纳入到选线设计考虑因素中，使得道路选线工作在质量上得到了大大提高，而且也工作效率得到了显著提高。

1 研究方法

利用GIS技术进行道路选线的方法较为灵活多样，从基本空间分析方法的角度可将它们分为基于数字高程模型的线路设计方法；基于叠置分析的线路优化选取方法；基于空间分析与模拟的综合选线方法[4]，基于GIS支持下的道路选线流程图见图1。

1.1 基于数字高程模型的线路设计方法 基于数字高程模型的线路设计方法主要应用于利用GIS技术进行道路选线发展的初期。地形因素始终是道路选线中优先考虑的重要因素。在GIS中利用数字高程模型进行道路选线设计，是传统人工地形选线在GIS中的延伸。数据的来源可通过航测、遥感、纸质地图扫描矢量化以及野外数字化采集等方法得到。现阶段Google Earth软件提供了全球近1～2a的地形数据和影像资料，对于一些缺少勘测设计资料的设计项目，可以借助Google Earth二次开发功能，提取选线区域的地形数据和影像资料，作为预可行阶段中确定线路基本走向和初始平面设计线的依据，从而减少野外勘测工作，显著降低勘测设计的成本。

图1 GIS支持下的道路选线流程

单纯的基于GIS数字高程模型的选线模型，并没有考虑地质、水文、交通需求、环境影响等因素，没有很好利用和发挥地理信息系统的特长，设计的线路也往往不能满足实际的选线工作，需要与其他模型与方法结合使用。

1.2 基于叠置分析的线路优化选取方法 基于叠置分析的线路优化选取方法主要用来对已经拟订的多条初选线路方案进行综合评价与优化。基本思路是根据设计道路的类型、技术等级和具体要求，将线路设计方案综合优化的评价指标体系层次化；在GIS中，按照公路等级对初选线路做一定距离的缓冲区图层，在多层地理数据的支持下，将线路缓冲区图层与其他要素图层做叠置分析，提取并计算指标信息，再利用一定的数学方法（如层次分析法、模糊数学等）获取各方案的理论评价值，为优化决策提供依据。

1.3 基于空间分析与模拟的综合选线方法 道路选线由最初的地形选线到后来的地形与地质选线相结合再发展为综合考虑地形、地质、生态及已有道路管线网络等因素的多目标空间决策过程，体现了重视道路本身乃至交通运输、区域社会经济可持续发展的核心思想。基于空间分析与模拟的综合选线方法是指充分利用GIS的空间分析、空间模拟、空间决策支持功能与技术，将道路选线各环节步骤在完备的空间数据和空问可视化基础上归于一体，试图实现GIS选线自动化和集成化的一类方法。

2 应用实例

纵贯“死亡之海”的阿拉尔至和田公路是自治区重点工程项目，是自治区规划中穿越塔克拉玛干大沙漠的第二条沙漠公路。阿拉尔至和田沙漠公路起点在阿拉尔12团2连生产道与阿拉尔—图木舒克道路交叉处，终点位于新的G315线玉龙喀什河大桥东岸桥头，公路等级二级，设计行车速度80km/h，公路建成后从阿克苏到和田车程可以缩短1/2。阿拉尔至和田沙漠公路建成对两地区间经济发展，尤其对全国重点贫困地区和田的经济发展和社会进步将起到极大的促进作用，也将有利于地区间经济发展和经济互补，对于加快南北疆的沟通与交流、促进南疆地区资源优势向经济优势转换有重要意义。

2.1 Google Earth获取高程数据 在工程设计中，从Google Earth获取高程数据通常用于3个方面的用途，提取线路的纵断面地形、横断面地形或是沿线区域的数字地面模型，可以通过结合GIS平台软件进行相关的生产与设计。Google Earth共享了受许可的航空图片、卫星图片及经纬度高程信息，数据涵盖全球[5]。现已有文章提出从Google Earth上提取高程数据，并提供程序下载，从而快速、灵活的获取Google Earth上的高程数据，利用提供的开放的API端口实现批量、便捷的获取高程信息，为建立DEM等各种应用提供支持。

2.2 ArcGIS空间分析 在公路可行性研究中，不仅需要搜集工程沿线的政治、经济、人口、发展规划、交通状况等内容，同时对沿线的地形、地貌、工程地质、气象、水文等地理信息要进行深入的调查。这些信息除了具有信息量大、动态、不确定、复杂、非线性、时变等特征外，还具有明显的地理特征，这就决定了研究公路问题离不开地理信息，不仅需要文字和图形描述信息，同时还要对信息的文字和图形进行描述。在以往的调查中，这些信息是相互独立的，当涉及多种信息时，设计者必须穿梭于各种信息之间，因而浪费大量的时间，致使效率降低。而在做好卫星影像图以后，就能利用GIS有效地组织和管理各种繁杂的信息，使设计者能对各种信息进行可视化管理，使设计者不再沉迷于各种信息的收集和整理，而致力于公路路线的合理性、技术性、经济性、服务性，从而为决策者对工程总体方案的选择提供科学的参考依据。研究中根据前期准备的遥感影像数据及其他综合数据在ArcGIS中进行叠加分析，输入控制点，选择三套方案进行后期进一步比对分析（见图2）。

利用ArcGIS地统计学工具分别对三套研究方案进行空间叠加分析，主要考虑覆盖地物、地质、水文、地形（见图3）、坡度、坡向（见图4）等相关要素，确定最终一个最优路线进行实地勘察，从而进行下一道程序的设计。

最终综合考虑各方面的因素，方案一距离最短，跨越地带地质条件较差，沙漠流动性较强，后续防风固沙工作较为困难，方案三地质条件较为优越，沙漠流动性较小，但水文条件较差，整条线路需要修建涵洞数量较大，项目投资明显增加，方案二可以很好的综合了方案一和方案三的优势，水文、地质等因素均较为适宜，因此最终选定方案二为最优方案，从而进入后续实地踏勘阶段进行进一步的分析与设计。

3 结论与展望

道路选线由最初的仅依靠纸质地形图画线，实地勘测选线的方式发展为引入GIS技术综合考虑地形、地质、水文、生态及已有道路网络等因素的多目标空间决策过程，并且在整个过程中可以实现完全数字化，效率更高，质量更好。通过实例分析可以得出：GIS技术因其空间数据和属性数据的完美结合、强大的空间模拟和空间分析功能而被吸纳到道路选线工作中，应用GIS技术进行道路选线具有巨大的优势，无论是对道路选线所用资料的管理还是对其选线成果的修改都是十分方便的，这将极大的提高工作效率，因此我们完全有理由相信，随着理论水平和技术水平的不断完善与提高，利用GIS技术可以进一步满足道路工程选线自动化和决策支持系统的需求。

参考文献

[1]陈俊，宫鹏. 实用地理信息系统[M]. 北京：科学出版社，1998：12-15.

[2]慕慧，杨少伟. 多层次模糊评价法在公路路线方案比选中的应用[J]. 郑州大学学报：工学版，2009，30（3）：134-138.

[3]韩元利. 基于GIS的数字铁路选线在工程设计中的应用[J]. 铁道工程学报，2010（8）：29-33.

[4]孙建国，程耀东，闫浩文. 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.

[5]刘瑞敏，李华，王思锴，等. 基于Google Earth的地铁亦庄线GPS控制网布设[J]. 测绘通报，2008（11）：47-49.

（责编：徐焕斗）