基于GIS技术的公路选线方法探讨

钱 晨

（新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830002）

0 引言

公路的选线过程是一个涉及多影响因素、多目标的综合优化过程。选线设计手段不断发展进步，从传统的纯手工设计发展到基于AutoCAD平台的线路软件设计。近年来，越来越多的专家学者将GIS引进到选线设计领域中来，利用GIS强大的决策功能，空间分析功能，辅助线路设计。GIS公路选线方法备受重视，因此对GIS公路选线方法的研究显得尤为重要。

遥感是对遥远目标的感知，遥感技术指的是利用航天、航空飞行器，借助多彩红外、光谱等电磁波对地球地表的扫描和观测，从而得到能够反映地表特征的影像图。在勘察设计中会出现多个路线方案选择，路线方案选择的是否恰当，直接影响项目的道路功效是否完善及投资的大小。传统评价的方法有两种：一是专家会议法，这种方法由专家利用其经验进行分析，不能客观进行评价；另一种是层次分析法（Analytical Hierarchy Process，简称AHP），该方法最大的不足是判断矩阵由决策和专家主观判定。为解决这一问题，必须采用一种科学的方法，对各种路线方案做出科学评价，从而选出最优设计方案。

1 公路线路选线原则

1.1 景观协调考虑。要结合沿线地貌、地质、植被条件，路线布设顺势而为，线形走向尽可能与河流、山川势相吻合，尽量接近自然，达到再造景观与自然景观的和谐统一。

1.2 贯彻“舒适、安全、环保、和谐”的设计理念，坚持“不破坏就是最大的保护”的原则。

1.3 运行车速检验。根据地形、地质条件，合理运用工程技术标准，采用适宜技术指标，确保整体结构的连续、均衡。

1.4 线形指标掌握。根据地形、地质条件，在充分保证行车安全，少占农田、环境保护的前提下，不片面追求高指标，以保持线形连续、行驶顺畅、环境优美、景观协调。

2 GIS公路选线方法

地理信息系统（Geographic Information system，简称GIS）是地理学、计算机科学、地图学和测量学等学科的交叉，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。

2.1 GIS的数据特点

在计算机中，GIS是用数字语言来描述地理实体的。在GIS中的数据可以分为两种类型：空间特征数据和属性特征数据。空间特征数据表示空间实体的位置或现在所处的地理位置以及拓扑关系和几何特征。而表示和地理对象的空间位置无关的信息，称为属性特征数据，以数字符号等来表示。

2.2 GIS的主要功能

GIS的主要功能主要包括以下方面：

a）制图功能 GIS的综合制图功能包括专题图制作，在地图上显示出地理要素；

b）数据的操作与处理功能 地理信息系统属于空间型数据库管理系统，但它同样具备一般数据库管理系统所具备的数据处理功能；

c）空间叠置分析 空间叠加就是将两个或多个图层以相同的空间位置重叠在一起，经过图形和属性运算，产生新的空间区域的过程；

d）缓冲区分析 缓冲区是以某类图形元素为基点拓展一定的宽度而形成新区域；

e）网络分析 对地理网络进行模型化和地理分析，是地理信息系统中网络分析的重要功能。

2.3 公路线路设计任务

线路设计的首要任务是依据线路使用性质和任务，按既定线路方案和技术标准，并结合实际的地质、地形条件，确定线路平面位置，这个过程被称为平面选线。线路的大致走向确定后，综合考虑选择合适的线路横、纵、平设计，并对线路的参数进行进一步设计，并优化调整局部段。

2.4 基于GIS的公路选线方法

GIS不仅是一个图库管理系统，而且它还具有空间分析的功能，包括数字地形模型分析、影像分析、地理变量多元分析等。GIS系统空间分析方法适用于处理公路线路、铁路设计等所需地形、水文、地物等各方面数据。

2.4.1 勘测设计数据采集

选线设计是建立在勘测数据的基础之上，公路勘测信息数据具有数据量大、种类繁多的特点。通过GIS可以实现对野外勘测获取数据进行相应数据录入、数据编辑、质量控制、数据管理和检索统计等操作。

2.4.2 平面、纵断面图形交互设计

图形交互设计功能主要满足纵断面、线路平面的辅助设计需求。根据线路平面交互设计需求，设计人员可以根据需要完成移动增加或删除曲线交点、交点位置、改变曲线半径等功能。基于GIS的纵断面、平面交互设计过程中，对控制线路走向的重点设施或特殊地质、不良地质必须绕避的控制点，系统发出警告信息会提示设计人员；信息数据库会将设计的成果数据自动进行保存，生成接口数据，供相关专业使用。

3 应用遥感技术动态设计

公路选线动态设计具体分3个部分：管理部分、现状分析和对下阶段的预测分析、调整。

3.1 管理部分

这部分是动态设计的核心，因为只有将数据分析结果尽快的传送给决策者，决策者才能准确地判定，给出合理选线方案。

3.2 现状分析和对下阶段的预测

利用遥感图像结果，根据设计原则，判断公路线路选择的可行性，并预测其工程造价、安全性、政策性以及可持续发展等。具体实施的步骤如下：首先分析彩红外航空照和片卫星影像数据，然后对遥感图像进行恢复处理。

3.3 调整设计方案

根据遥感图像调整得到的设计方案，综合分析是否达到要求，并以此为依据进行优化调整。这一环节是动态设计过程中的重要环节，这样往复循环，最终给出最优公路选线的设计方案。

4 DEA改进模型在公路选线综合评价中的应用

4.1 DEA方法的基本思想

DEA（Data Envelopment Analysis，数据包络分析）是一种直接利用输入和输出数据，建立非参数的模型，从而进行经济分析和综合评价研究的一种方法。DEA方法是使用数学规划模型评价具有多个输入和多个输出的部门或单位间的相对有效性。它利用最优化概念确定指标的权重，对于不同评价方案，权重的分配不尽相同；此外，对于输入和输出指标之间的复杂联系，可以没有确定的表达式，不仅简化了问题，而且使评价结果变得客观公正。

4.2 评价实例

4.2.1 确定原则

根据《公路工程技术标准》(JT GB01—2003)。

4.2.2 输入指标

A1为路线建设成本定量指标；A2为施工方案的定性指标，该项指标包括技术规范和施工方法等。

4.2.3 输出指标

B1为路线项目20年的经济效益，B2为路线环境影响，B3为路线所在地的社会经济效益，B4为路线自身风险（见表1）。

表1 不同方案比较研究

对于上述方案，分别建立基于虚拟决策单元的DEA模型并计算，可以得到各方案的评价效率值（见表2）。

表2 不同路线方案的计算对比

5 结语

综合了GIS、遥感动态设计方法的公路选线理念，结合改进DEA模型在公路选线中进行综合评价，为实现智能选线自动化提供了可能。信息的处理、空间数据挖掘、数据库的建立，为选线中全面的考虑各方面因素提供了基础。用于路线方案评选的方法还有价值工程综合评价法、多层次分析法等，可以进行综合应用，以达到最优的设计效果。但是由于道路选线是非常复杂的综合性问题，需要考虑的因素很多，需要进一步研究建立更加合理统一的数学模型来求解，保证路线方案多个目标协调统一。

[1]侯建军.应用遥感技术动态设计公路选线[J].工业科技，2011，（3）：35-36.

[2]刘劲松，赵力.基于GIS公路选线方法探讨[J].科技信息，2011，（1）：335.

[3]陈重光，贺国.DEA改进模型在公路选线综合评价中的应用[J].交通科技济，2011，（3）：102-103.

[4]Winston,W.L.运筹学概率模型应用范例与解法[M].4版.李乃文，译.北京：清华大学出版社，2006.