張媛　張永福

摘 要：針對(duì)現(xiàn)階段一般道路選線方法工作周期長、效率較低和耗費(fèi)大量人力物力等缺陷，引入地理信息系統(tǒng)的相關(guān)理論、方法和技術(shù)分析手段，利用Google Earth、ArcGIS等系列軟件，對(duì)道路選線過程中出現(xiàn)的相關(guān)問題進(jìn)行對(duì)比分析研究，選取一種最優(yōu)的道路選線方法。基于GIS的道路選線方法，不僅為道路空間分析的方案策劃、數(shù)據(jù)獲取、前期預(yù)設(shè)計(jì)提供了廣泛的空間信息技術(shù)的應(yīng)用平臺(tái)，也為大區(qū)域的空間工程項(xiàng)目建設(shè)提供了合理的數(shù)據(jù)組織基礎(chǔ)，為道路工程設(shè)計(jì)提供了一個(gè)更為科學(xué)的技術(shù)設(shè)計(jì)手段。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；道路選線；空間分析；工程應(yīng)用

中圖分類號(hào) TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2013）08-05-03

地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System，GIS）是計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理學(xué)、測(cè)量學(xué)和地圖學(xué)等多門學(xué)科的交叉，它是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，采用地理模型分析方法適時(shí)提供多種空間的和動(dòng)態(tài)的地理信息，為地理研究和地理決策服務(wù)的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)[1]。傳統(tǒng)的道路選線方法是選線人員通過搜集和分析線路區(qū)域內(nèi)有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)資料，在大比例尺地形圖上選出幾個(gè)可能的線路方案。紙上定線之后，進(jìn)行實(shí)地勘測(cè)，經(jīng)過反復(fù)比較確定一個(gè)較為經(jīng)濟(jì)、合理的路線方案。這種選線方法在很大程度上取決于選線人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力[2]，因此不能滿足現(xiàn)代化道路選線工程設(shè)計(jì)的需要。

現(xiàn)一般采用CAD技術(shù)進(jìn)行道路選線設(shè)計(jì)，雖然可以完成路線平、縱、橫設(shè)計(jì)計(jì)算，土石方計(jì)算和調(diào)配，縱、橫斷面圖繪制等任務(wù)[3]，但在道路選線設(shè)計(jì)中必須要考慮地質(zhì)、水文、環(huán)境等因素的影響。本文以此作為切入點(diǎn)，引入GIS技術(shù)，利用現(xiàn)階段常用的GIS軟件（Google Earth，ArcGIS系列軟件），對(duì)道路選線過程中出現(xiàn)的若干問題進(jìn)行分析研究，將地質(zhì)、水文等空間屬性納入到選線設(shè)計(jì)考慮因素中，使得道路選線工作在質(zhì)量上得到了大大提高，而且也工作效率得到了顯著提高。

1 研究方法

利用GIS技術(shù)進(jìn)行道路選線的方法較為靈活多樣，從基本空間分析方法的角度可將它們分為基于數(shù)字高程模型的線路設(shè)計(jì)方法；基于疊置分析的線路優(yōu)化選取方法；基于空間分析與模擬的綜合選線方法[4]，基于GIS支持下的道路選線流程圖見圖1。

1.1 基于數(shù)字高程模型的線路設(shè)計(jì)方法 基于數(shù)字高程模型的線路設(shè)計(jì)方法主要應(yīng)用于利用GIS技術(shù)進(jìn)行道路選線發(fā)展的初期。地形因素始終是道路選線中優(yōu)先考慮的重要因素。在GIS中利用數(shù)字高程模型進(jìn)行道路選線設(shè)計(jì)，是傳統(tǒng)人工地形選線在GIS中的延伸。數(shù)據(jù)的來源可通過航測(cè)、遙感、紙質(zhì)地圖掃描矢量化以及野外數(shù)字化采集等方法得到。現(xiàn)階段Google Earth軟件提供了全球近1～2a的地形數(shù)據(jù)和影像資料，對(duì)于一些缺少勘測(cè)設(shè)計(jì)資料的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，可以借助Google Earth二次開發(fā)功能，提取選線區(qū)域的地形數(shù)據(jù)和影像資料，作為預(yù)可行階段中確定線路基本走向和初始平面設(shè)計(jì)線的依據(jù)，從而減少野外勘測(cè)工作，顯著降低勘測(cè)設(shè)計(jì)的成本。

圖1 GIS支持下的道路選線流程

單純的基于GIS數(shù)字高程模型的選線模型，并沒有考慮地質(zhì)、水文、交通需求、環(huán)境影響等因素，沒有很好利用和發(fā)揮地理信息系統(tǒng)的特長，設(shè)計(jì)的線路也往往不能滿足實(shí)際的選線工作，需要與其他模型與方法結(jié)合使用。

1.2 基于疊置分析的線路優(yōu)化選取方法 基于疊置分析的線路優(yōu)化選取方法主要用來對(duì)已經(jīng)擬訂的多條初選線路方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)與優(yōu)化?；舅悸肥歉鶕?jù)設(shè)計(jì)道路的類型、技術(shù)等級(jí)和具體要求，將線路設(shè)計(jì)方案綜合優(yōu)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系層次化；在GIS中，按照公路等級(jí)對(duì)初選線路做一定距離的緩沖區(qū)圖層，在多層地理數(shù)據(jù)的支持下，將線路緩沖區(qū)圖層與其他要素圖層做疊置分析，提取并計(jì)算指標(biāo)信息，再利用一定的數(shù)學(xué)方法（如層次分析法、模糊數(shù)學(xué)等）獲取各方案的理論評(píng)價(jià)值，為優(yōu)化決策提供依據(jù)。

1.3 基于空間分析與模擬的綜合選線方法 道路選線由最初的地形選線到后來的地形與地質(zhì)選線相結(jié)合再發(fā)展為綜合考慮地形、地質(zhì)、生態(tài)及已有道路管線網(wǎng)絡(luò)等因素的多目標(biāo)空間決策過程，體現(xiàn)了重視道路本身乃至交通運(yùn)輸、區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的核心思想。基于空間分析與模擬的綜合選線方法是指充分利用GIS的空間分析、空間模擬、空間決策支持功能與技術(shù)，將道路選線各環(huán)節(jié)步驟在完備的空間數(shù)據(jù)和空問可視化基礎(chǔ)上歸于一體，試圖實(shí)現(xiàn)GIS選線自動(dòng)化和集成化的一類方法。

2 應(yīng)用實(shí)例

縱貫“死亡之海”的阿拉爾至和田公路是自治區(qū)重點(diǎn)工程項(xiàng)目，是自治區(qū)規(guī)劃中穿越塔克拉瑪干大沙漠的第二條沙漠公路。阿拉爾至和田沙漠公路起點(diǎn)在阿拉爾12團(tuán)2連生產(chǎn)道與阿拉爾—圖木舒克道路交叉處，終點(diǎn)位于新的G315線玉龍喀什河大橋東岸橋頭，公路等級(jí)二級(jí)，設(shè)計(jì)行車速度80km/h，公路建成后從阿克蘇到和田車程可以縮短1/2。阿拉爾至和田沙漠公路建成對(duì)兩地區(qū)間經(jīng)濟(jì)發(fā)展，尤其對(duì)全國重點(diǎn)貧困地區(qū)和田的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步將起到極大的促進(jìn)作用，也將有利于地區(qū)間經(jīng)濟(jì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)互補(bǔ)，對(duì)于加快南北疆的溝通與交流、促進(jìn)南疆地區(qū)資源優(yōu)勢(shì)向經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)換有重要意義。

2.1 Google Earth獲取高程數(shù)據(jù) 在工程設(shè)計(jì)中，從Google Earth獲取高程數(shù)據(jù)通常用于3個(gè)方面的用途，提取線路的縱斷面地形、橫斷面地形或是沿線區(qū)域的數(shù)字地面模型，可以通過結(jié)合GIS平臺(tái)軟件進(jìn)行相關(guān)的生產(chǎn)與設(shè)計(jì)。Google Earth共享了受許可的航空?qǐng)D片、衛(wèi)星圖片及經(jīng)緯度高程信息，數(shù)據(jù)涵蓋全球[5]?，F(xiàn)已有文章提出從Google Earth上提取高程數(shù)據(jù)，并提供程序下載，從而快速、靈活的獲取Google Earth上的高程數(shù)據(jù)，利用提供的開放的API端口實(shí)現(xiàn)批量、便捷的獲取高程信息，為建立DEM等各種應(yīng)用提供支持。

2.2 ArcGIS空間分析 在公路可行性研究中，不僅需要搜集工程沿線的政治、經(jīng)濟(jì)、人口、發(fā)展規(guī)劃、交通狀況等內(nèi)容，同時(shí)對(duì)沿線的地形、地貌、工程地質(zhì)、氣象、水文等地理信息要進(jìn)行深入的調(diào)查。這些信息除了具有信息量大、動(dòng)態(tài)、不確定、復(fù)雜、非線性、時(shí)變等特征外，還具有明顯的地理特征，這就決定了研究公路問題離不開地理信息，不僅需要文字和圖形描述信息，同時(shí)還要對(duì)信息的文字和圖形進(jìn)行描述。在以往的調(diào)查中，這些信息是相互獨(dú)立的，當(dāng)涉及多種信息時(shí)，設(shè)計(jì)者必須穿梭于各種信息之間，因而浪費(fèi)大量的時(shí)間，致使效率降低。而在做好衛(wèi)星影像圖以后，就能利用GIS有效地組織和管理各種繁雜的信息，使設(shè)計(jì)者能對(duì)各種信息進(jìn)行可視化管理，使設(shè)計(jì)者不再沉迷于各種信息的收集和整理，而致力于公路路線的合理性、技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、服務(wù)性，從而為決策者對(duì)工程總體方案的選擇提供科學(xué)的參考依據(jù)。研究中根據(jù)前期準(zhǔn)備的遙感影像數(shù)據(jù)及其他綜合數(shù)據(jù)在ArcGIS中進(jìn)行疊加分析，輸入控制點(diǎn)，選擇三套方案進(jìn)行后期進(jìn)一步比對(duì)分析（見圖2）。

利用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)學(xué)工具分別對(duì)三套研究方案進(jìn)行空間疊加分析，主要考慮覆蓋地物、地質(zhì)、水文、地形（見圖3）、坡度、坡向（見圖4）等相關(guān)要素，確定最終一個(gè)最優(yōu)路線進(jìn)行實(shí)地勘察，從而進(jìn)行下一道程序的設(shè)計(jì)。

最終綜合考慮各方面的因素，方案一距離最短，跨越地帶地質(zhì)條件較差，沙漠流動(dòng)性較強(qiáng)，后續(xù)防風(fēng)固沙工作較為困難，方案三地質(zhì)條件較為優(yōu)越，沙漠流動(dòng)性較小，但水文條件較差，整條線路需要修建涵洞數(shù)量較大，項(xiàng)目投資明顯增加，方案二可以很好的綜合了方案一和方案三的優(yōu)勢(shì)，水文、地質(zhì)等因素均較為適宜，因此最終選定方案二為最優(yōu)方案，從而進(jìn)入后續(xù)實(shí)地踏勘階段進(jìn)行進(jìn)一步的分析與設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論與展望

道路選線由最初的僅依靠紙質(zhì)地形圖畫線，實(shí)地勘測(cè)選線的方式發(fā)展為引入GIS技術(shù)綜合考慮地形、地質(zhì)、水文、生態(tài)及已有道路網(wǎng)絡(luò)等因素的多目標(biāo)空間決策過程，并且在整個(gè)過程中可以實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化，效率更高，質(zhì)量更好。通過實(shí)例分析可以得出：GIS技術(shù)因其空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的完美結(jié)合、強(qiáng)大的空間模擬和空間分析功能而被吸納到道路選線工作中，應(yīng)用GIS技術(shù)進(jìn)行道路選線具有巨大的優(yōu)勢(shì)，無論是對(duì)道路選線所用資料的管理還是對(duì)其選線成果的修改都是十分方便的，這將極大的提高工作效率，因此我們完全有理由相信，隨著理論水平和技術(shù)水平的不斷完善與提高，利用GIS技術(shù)可以進(jìn)一步滿足道路工程選線自動(dòng)化和決策支持系統(tǒng)的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]陳俊，宮鵬. 實(shí)用地理信息系統(tǒng)[M]. 北京：科學(xué)出版社，1998：12-15.

[2]慕慧，楊少偉. 多層次模糊評(píng)價(jià)法在公路路線方案比選中的應(yīng)用[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2009，30（3）：134-138.

[3]韓元利. 基于GIS的數(shù)字鐵路選線在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2010（8）：29-33.

[4]孫建國，程耀東，閆浩文. 基于GIS的道路選線方法與趨勢(shì)[J]. 測(cè)繪與空間地理信息，2004，27（6）：53-54，61.

[5]劉瑞敏，李華，王思鍇，等. 基于Google Earth的地鐵亦莊線GPS控制網(wǎng)布設(shè)[J]. 測(cè)繪通報(bào)，2008（11）：47-49.

（責(zé)編：徐煥斗）