GIS 在公路路线设计中的应用探讨

李泓韦

（中咨华科交通建设技术有限公司,北京 100024）

0 引言

随着经济的发展，公路工程的建设里程逐年增加，对路线设计方案的质量要求也越来越严格。如果路线方案选择不当，可能会影响后期公路行车安全性，严重的可能造成交通安全事故。传统公路路线设计是基于规范，对设计人员的综合知识和经验要求高，但设计效率较低。为了解决这一问题，有学者提出将地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）用于路线设计中。GIS 技术是一门新兴交叉学科，其基本表达形式为二维或三维电子地图，用于计算、分析、管理地理坐标信息，在我国应用尚不完善[1]。因此，进一步研究GIS在公路路线设计中的应用意义重大。

1 公路选线步骤及GIS 基本理论分析

1.1 公路选线步骤

公路选线大致可分为全面布局、逐段安排、定线三个阶段，具体步骤总结见表1[2]。

表1 公路不同选线阶段内容

1.2 GIS 基本理论

（1）GIS 功能。根据相关研究成果，GIS 具有数据采集、制图、地形分析、空间分析等功能，具体阐述如下：①数据采集功能。这是GIS 最基本的功能，可以将空间中的地物要素按既定规定转化成坐标及代码，输入到计算机软件；②制图功能。GIS 可以制作各种专题图或全要素图，将各种地理要素显示在地图上，并赋予数值范围，用户可以结合分析需求来导出相应地图；③地形分析。利用GIS 可计算地形坡度、坡向、等高线、填挖方体积等，为公路路线设计提供依据。

（2）GIS 数据结构。在GIS 中，数据类型包括栅格数据和矢量数据两类。栅格数据是将地理空间划分为若干个大小相同的矩形网格，并给每个网格分别赋予相应的参数，来表达空间实体（取决于所在栅格的行和列），直观性好，建模方法简单。一般情况下，栅格尺寸越小，空间分辨率越大，但是数据处理效率越低，对计算机性能的要求较高，反之亦然。

矢量数据是利用离散坐标来表达地理要素的空间分布特点，即以坐标点（x、y、z）来描述抽象的空间实体的点、线、面及相互组合。由此可知，矢量数据越多，对地理数据的表达越精确，但是矢量数据的获取难度大，在实际项目中的应用不多。

（3）GIS 平台选择。GIS 发展迅速，国内外平台可达数百个，比如Mapinfo、ArcGIS、GeoMedia、MapGuide、GeoStar、MapGIS 等。每个GIS 平台的特点、适用条件等有很大差异，要结合项目实际情况选择。从功能和适用性来看，ArcGIS 平台的应用效果最好。因此，该文基于ArcGIS平台来阐述GIS在公路路线设计中的具体应用。

1.3 GIS 应用优势分析

相对于传统设计方法，GIS 能综合使得地貌、地质等因素可视化，便于设计人员的分析，且设计人员可以将路线方案直接显示在数据高程模型上。同时，还可以利用GIS 中的空间分析模型来分析各个因素对路线平、纵线形指标的影响程度，并自动计算、绘制出横断面图，改善工作效率[3]。

2 基于GIS 的公路选线综合优化模型建立

2.1 基础数据获取

全面、精确的基础数据是公路路线设计的基础条件，也是线形合理的重要保证。该文利用ArcGIS10.0 平台内置的空间数据分析模块，阐述公路沿线土地利用数据的获取方法。

（1）信息提取和处理。信息提取应坚持“先易后难、突出重点”的原则，可采用直接解译法、图像处理法等。为了便于分析，信息获取后要对其进行处理：一是基于红、绿、蓝三种基础色调，使影像叠合，生成彩色合成图像；二是利用反差增强、边缘增强、比值增强等方法对影像进行增强处理；三是选择多个控制点来纠正影像，直至与实际误差满足工程建设需求；四是将分段提取的数据进行拼接。

（2）解译精度。GIS 数据的解译误差宜小于1 个相元，相当于实地30 m；最小图斑面积宜＞6×6 个相元，相当于实地面积32 400 m2。

（3）地物处理。大量工程实践表明，GIS 所提取的部分地物数据可能与实际有差别，需进行单独处理。比如水工建筑物的TM 影像图分辨率不能满足要求，在路线设计时需借助土地利用详查数据；再比如公路沿线的沟渠面积，不宜直接从GIS 图像中量取，需根据现场踏勘数据来统计。

2.2 路线优化模型建立

（1）数字高程模型和数字分析模型。数字高程模型（DEM模型）是用来模拟公路所在区域地面高程的模型，见式（1），且坡度、坡向等地貌特性也可在DEM 模型中表示。随着计算机硬件水平的快速进步，DEM 模型所包含的地形地貌内容越来越广泛[4]。

式中，xi、yi——平面坐标；zi——平面点（xi、yi）所对应的高程。

DEM 模型的本质是利用数学中的内插法将三维立体实物转化到二维平面图纸，常用的插值方法有分块内插法和逐点内插法，前者包括线性内插、多项式内插、最小二乘法等，后者包括加权平均值法、最小二乘法等。

数字分析模型由DTM 模型转换而来，该文使用的数字分析模型包括坡度模型、地质模型、地物模型等，其中坡度模型由DTM 模型计算得到，地质模型和地物模型是先对地质、地物条件赋值，再用赋值DTM 模型中的高程。

（2）成本路径分析。两个相邻栅格的连接成本C取决于连接方向，可按式（2）计算：

式中，cost1—— 栅格1 的成本；cost2—— 栅格2的成本。

在实际项目中，先从GIS 模型的第1 个单元开始，沿着累计成本最小的路径绘制栅格连接方向，以获取最优路线方案。

（3）廊道分析。廊道分析要借助成本距离工具，创建2 个成本累积栅格，1 个成本累积栅格对应1 个像元。如果从廊道栅格中选择值＜阈值的全部像元，则生成的阈值可视作最小成本廊道。

3 基于GIS 的公路选线实例分析

3.1 工程概况

（1）建设标准。研究对象为高速公路项目，其设计速度100 km/h，设计荷载为公路—I 级，横断面为双向四车道，路基宽25.5 m，路面类型为沥青混凝土路面，厚68 cm。路线最大纵坡5%，最小坡长控制在200 m，一般最小平曲线半径取400 m，极限平曲线最小半径取250 m。

（2）气象水文条件。路线所在区域属亚热带大陆性季风气候，年温差和日温差较大，年最高气温、最低气温、平均气温分别为26.8 ℃、-5.6 ℃、17.7 ℃。同时，年降雨量较大，约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。公路走廊带地形复杂，地势起伏大，总体呈“东北高、西南低”的趋势，区域内多为构造侵蚀地貌和溶蚀地貌。利用GIS 平台对公路所在区域的地形数据进行渲染处理，如图1 所示。

图1 公路所在区域的GIS 模型

3.2 路线设计思路

公路路线设计的目标是确定最佳线形，但是“最佳”的含义并不是完全固定的，可以是路线空间距离最短，也可以是公路造价最低、工期最短等。为了解决这一问题，该文综合考虑地质、坡度、高程、地物等方面，通过最佳路径算法来获取公路的最佳路线，具体设计思路如图2所示[5]。

图2 GIS 用于公路路线设计的思路

3.3 路线设计方案对比

基于GIS 平台中的成本路径和廊道分析结果，该高速公路初步选定了3 条路线方案，分别命名为A1 线、A2 线、A3 线。不同路线方案的定性对比如下：

（1）建设条件。3 条路线方案的地形和地质条件相差不大，但A1 线靠近省道，运输条件较便利。

（2）建设里程。A2 线建设里程最短，A1 线次之，A3 线最长。

（3）占地拆迁。A1 线的征地拆迁面积和征拆难度最小，A2 线的征地面积大，且耕地占用占比高，A2 线穿过某镇的工厂，如果拆迁会对当地经济产生不利影响，且拆迁协调难度较大。

（4）环境保护。A1 线、A2 线、A3 线均穿过水源敏感地，需设置油水分离池对路面污水进行处理。同时，A2 线穿过学校，行车噪声会影响学校正常教学活动。

3.4 GIS 应用效果评价

（1）评价指标体系。为了验证GIS 技术在公路路线设计方案中的应用效果，该文利用层次分析法选择若干个评价指标。需注意，公路路线设计方案的评价要同时选择定性指标和定量指标，两者相互补充，才能更好地评价GIS 技术应用效果。基于科学性、经济性原则，该文建议从技术、经济、环境三个方面来评价GIS 技术的应用效果，具体指标体系见表2[6]。

表2 公路路线方案评价指标体系

（2）评价结果计算。在计算路线方案综合评分前，需邀请多名专家得出各个评价指标的权重和分数，再通过“加权法”计算路线方案的评分S，见式（3）。为了提高计算结果的准确性，评分要去掉1 个极大值和1 个极小值，再取其他数据的平均值作为某一评价指标的权重。结合相关研究成果，按评分S将GIS 在路线方案中的应用效果划分为好、较好、一般、较差、差五个等级，对应的评分范围分别是S＞90、80＜S＜90、70＜S＜80、60 ＜S＜70、S＜60。

式中，wi——第i个评价指标的权重；Si——第i个评价指标的评分。

以一级指标为例，按上述方法得到该高速公路A1 线、A2 线、A3 线的技术指标、经济指标、环境指标权重分别为0.55、0.30、0.15，评分见图3。

图3 路线方案一级评价指标的评分

将路线方案各个评价指标评分和权重代入式（3），A1 线、A2 线、A3 线的评分S分别为85.2、80.5、81.2，均大于80 分。说明GIS 技术在公路路线设计方案中的应用效果较好。

4 结论

该文研究了GIS 技术的基本理论、路线优化模型及其应用效果，得到了以下几个结论：

（1）公路路线设计是一个层层深入、不断推进的过程，应用GIS 技术后可大幅度地提高工作效率。

（2）基于GIS 技术开展公路路线方案优化要先获取准确的基础数据，并基于数字高程模型和数字分析模型开展成本路径和廊道分析。

（3）为了验证GIS 技术在路线设计方案中的应用效果，可从技术、经济、环境三个方面建立评价指标体系，利用加权法计算出综合评分。