基于GIS技術(shù)的公路選線方法探討

錢 晨

（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830002）

0 引言

公路的選線過程是一個(gè)涉及多影響因素、多目標(biāo)的綜合優(yōu)化過程。選線設(shè)計(jì)手段不斷發(fā)展進(jìn)步，從傳統(tǒng)的純手工設(shè)計(jì)發(fā)展到基于AutoCAD平臺的線路軟件設(shè)計(jì)。近年來，越來越多的專家學(xué)者將GIS引進(jìn)到選線設(shè)計(jì)領(lǐng)域中來，利用GIS強(qiáng)大的決策功能，空間分析功能，輔助線路設(shè)計(jì)。GIS公路選線方法備受重視，因此對GIS公路選線方法的研究顯得尤為重要。

遙感是對遙遠(yuǎn)目標(biāo)的感知，遙感技術(shù)指的是利用航天、航空飛行器，借助多彩紅外、光譜等電磁波對地球地表的掃描和觀測，從而得到能夠反映地表特征的影像圖。在勘察設(shè)計(jì)中會出現(xiàn)多個(gè)路線方案選擇，路線方案選擇的是否恰當(dāng)，直接影響項(xiàng)目的道路功效是否完善及投資的大小。傳統(tǒng)評價(jià)的方法有兩種：一是專家會議法，這種方法由專家利用其經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，不能客觀進(jìn)行評價(jià)；另一種是層次分析法（Analytical Hierarchy Process，簡稱AHP），該方法最大的不足是判斷矩陣由決策和專家主觀判定。為解決這一問題，必須采用一種科學(xué)的方法，對各種路線方案做出科學(xué)評價(jià)，從而選出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

1 公路線路選線原則

1.1 景觀協(xié)調(diào)考慮。要結(jié)合沿線地貌、地質(zhì)、植被條件，路線布設(shè)順勢而為，線形走向盡可能與河流、山川勢相吻合，盡量接近自然，達(dá)到再造景觀與自然景觀的和諧統(tǒng)一。

1.2 貫徹“舒適、安全、環(huán)保、和諧”的設(shè)計(jì)理念，堅(jiān)持“不破壞就是最大的保護(hù)”的原則。

1.3 運(yùn)行車速檢驗(yàn)。根據(jù)地形、地質(zhì)條件，合理運(yùn)用工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用適宜技術(shù)指標(biāo)，確保整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)、均衡。

1.4 線形指標(biāo)掌握。根據(jù)地形、地質(zhì)條件，在充分保證行車安全，少占農(nóng)田、環(huán)境保護(hù)的前提下，不片面追求高指標(biāo)，以保持線形連續(xù)、行駛順暢、環(huán)境優(yōu)美、景觀協(xié)調(diào)。

2 GIS公路選線方法

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information system，簡稱GIS）是地理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、地圖學(xué)和測量學(xué)等學(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)。

2.1 GIS的數(shù)據(jù)特點(diǎn)

在計(jì)算機(jī)中，GIS是用數(shù)字語言來描述地理實(shí)體的。在GIS中的數(shù)據(jù)可以分為兩種類型：空間特征數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù)。空間特征數(shù)據(jù)表示空間實(shí)體的位置或現(xiàn)在所處的地理位置以及拓?fù)潢P(guān)系和幾何特征。而表示和地理對象的空間位置無關(guān)的信息，稱為屬性特征數(shù)據(jù)，以數(shù)字符號等來表示。

2.2 GIS的主要功能

GIS的主要功能主要包括以下方面：

a）制圖功能 GIS的綜合制圖功能包括專題圖制作，在地圖上顯示出地理要素；

b）數(shù)據(jù)的操作與處理功能 地理信息系統(tǒng)屬于空間型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，但它同樣具備一般數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所具備的數(shù)據(jù)處理功能；

c）空間疊置分析 空間疊加就是將兩個(gè)或多個(gè)圖層以相同的空間位置重疊在一起，經(jīng)過圖形和屬性運(yùn)算，產(chǎn)生新的空間區(qū)域的過程；

d）緩沖區(qū)分析 緩沖區(qū)是以某類圖形元素為基點(diǎn)拓展一定的寬度而形成新區(qū)域；

e）網(wǎng)絡(luò)分析 對地理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模型化和地理分析，是地理信息系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)分析的重要功能。

2.3 公路線路設(shè)計(jì)任務(wù)

線路設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是依據(jù)線路使用性質(zhì)和任務(wù)，按既定線路方案和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)、地形條件，確定線路平面位置，這個(gè)過程被稱為平面選線。線路的大致走向確定后，綜合考慮選擇合適的線路橫、縱、平設(shè)計(jì)，并對線路的參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)，并優(yōu)化調(diào)整局部段。

2.4 基于GIS的公路選線方法

GIS不僅是一個(gè)圖庫管理系統(tǒng)，而且它還具有空間分析的功能，包括數(shù)字地形模型分析、影像分析、地理變量多元分析等。GIS系統(tǒng)空間分析方法適用于處理公路線路、鐵路設(shè)計(jì)等所需地形、水文、地物等各方面數(shù)據(jù)。

2.4.1 勘測設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集

選線設(shè)計(jì)是建立在勘測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，公路勘測信息數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、種類繁多的特點(diǎn)。通過GIS可以實(shí)現(xiàn)對野外勘測獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)編輯、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)管理和檢索統(tǒng)計(jì)等操作。

2.4.2 平面、縱斷面圖形交互設(shè)計(jì)

圖形交互設(shè)計(jì)功能主要滿足縱斷面、線路平面的輔助設(shè)計(jì)需求。根據(jù)線路平面交互設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)需要完成移動增加或刪除曲線交點(diǎn)、交點(diǎn)位置、改變曲線半徑等功能?；贕IS的縱斷面、平面交互設(shè)計(jì)過程中，對控制線路走向的重點(diǎn)設(shè)施或特殊地質(zhì)、不良地質(zhì)必須繞避的控制點(diǎn)，系統(tǒng)發(fā)出警告信息會提示設(shè)計(jì)人員；信息數(shù)據(jù)庫會將設(shè)計(jì)的成果數(shù)據(jù)自動進(jìn)行保存，生成接口數(shù)據(jù)，供相關(guān)專業(yè)使用。

3 應(yīng)用遙感技術(shù)動態(tài)設(shè)計(jì)

公路選線動態(tài)設(shè)計(jì)具體分3個(gè)部分：管理部分、現(xiàn)狀分析和對下階段的預(yù)測分析、調(diào)整。

3.1 管理部分

這部分是動態(tài)設(shè)計(jì)的核心，因?yàn)橹挥袑?shù)據(jù)分析結(jié)果盡快的傳送給決策者，決策者才能準(zhǔn)確地判定，給出合理選線方案。

3.2 現(xiàn)狀分析和對下階段的預(yù)測

利用遙感圖像結(jié)果，根據(jù)設(shè)計(jì)原則，判斷公路線路選擇的可行性，并預(yù)測其工程造價(jià)、安全性、政策性以及可持續(xù)發(fā)展等。具體實(shí)施的步驟如下：首先分析彩紅外航空照和片衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，然后對遙感圖像進(jìn)行恢復(fù)處理。

3.3 調(diào)整設(shè)計(jì)方案

根據(jù)遙感圖像調(diào)整得到的設(shè)計(jì)方案，綜合分析是否達(dá)到要求，并以此為依據(jù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。這一環(huán)節(jié)是動態(tài)設(shè)計(jì)過程中的重要環(huán)節(jié)，這樣往復(fù)循環(huán)，最終給出最優(yōu)公路選線的設(shè)計(jì)方案。

4 DEA改進(jìn)模型在公路選線綜合評價(jià)中的應(yīng)用

4.1 DEA方法的基本思想

DEA（Data Envelopment Analysis，數(shù)據(jù)包絡(luò)分析）是一種直接利用輸入和輸出數(shù)據(jù)，建立非參數(shù)的模型，從而進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析和綜合評價(jià)研究的一種方法。DEA方法是使用數(shù)學(xué)規(guī)劃模型評價(jià)具有多個(gè)輸入和多個(gè)輸出的部門或單位間的相對有效性。它利用最優(yōu)化概念確定指標(biāo)的權(quán)重，對于不同評價(jià)方案，權(quán)重的分配不盡相同；此外，對于輸入和輸出指標(biāo)之間的復(fù)雜聯(lián)系，可以沒有確定的表達(dá)式，不僅簡化了問題，而且使評價(jià)結(jié)果變得客觀公正。

4.2 評價(jià)實(shí)例

4.2.1 確定原則

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JT GB01—2003)。

4.2.2 輸入指標(biāo)

A1為路線建設(shè)成本定量指標(biāo)；A2為施工方案的定性指標(biāo)，該項(xiàng)指標(biāo)包括技術(shù)規(guī)范和施工方法等。

4.2.3 輸出指標(biāo)

B1為路線項(xiàng)目20年的經(jīng)濟(jì)效益，B2為路線環(huán)境影響，B3為路線所在地的社會經(jīng)濟(jì)效益，B4為路線自身風(fēng)險(xiǎn)（見表1）。

表1 不同方案比較研究

對于上述方案，分別建立基于虛擬決策單元的DEA模型并計(jì)算，可以得到各方案的評價(jià)效率值（見表2）。

表2 不同路線方案的計(jì)算對比

5 結(jié)語

綜合了GIS、遙感動態(tài)設(shè)計(jì)方法的公路選線理念，結(jié)合改進(jìn)DEA模型在公路選線中進(jìn)行綜合評價(jià)，為實(shí)現(xiàn)智能選線自動化提供了可能。信息的處理、空間數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)庫的建立，為選線中全面的考慮各方面因素提供了基礎(chǔ)。用于路線方案評選的方法還有價(jià)值工程綜合評價(jià)法、多層次分析法等，可以進(jìn)行綜合應(yīng)用，以達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)效果。但是由于道路選線是非常復(fù)雜的綜合性問題，需要考慮的因素很多，需要進(jìn)一步研究建立更加合理統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型來求解，保證路線方案多個(gè)目標(biāo)協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

[1]侯建軍.應(yīng)用遙感技術(shù)動態(tài)設(shè)計(jì)公路選線[J].工業(yè)科技，2011，（3）：35-36.

[2]劉勁松，趙力.基于GIS公路選線方法探討[J].科技信息，2011，（1）：335.

[3]陳重光，賀國.DEA改進(jìn)模型在公路選線綜合評價(jià)中的應(yīng)用[J].交通科技濟(jì)，2011，（3）：102-103.

[4]Winston,W.L.運(yùn)籌學(xué)概率模型應(yīng)用范例與解法[M].4版.李乃文，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2006.