GIS在公路路線設(shè)計中的應(yīng)用分析

趙曉棟

（石家莊市公路橋梁建設(shè)集團有限公司，河北石家莊 050000）

0 引言

當(dāng)前，國內(nèi)交通行業(yè)的發(fā)展正逐漸向信息技術(shù)方面靠攏，最為明顯的是，公路路線的設(shè)計已經(jīng)從傳統(tǒng)人工勘探、繪圖、設(shè)計的形式，轉(zhuǎn)變?yōu)镚IS 信息技術(shù)智能化設(shè)計的方式。利用GIS 設(shè)計公路路線不僅可以提升公路選線設(shè)計、平面設(shè)計、橫縱界面設(shè)計的準(zhǔn)確性，還可以有效提升公路的設(shè)計水平，因此，加強GIS 在公路路線設(shè)計中的應(yīng)用，對公路建設(shè)的發(fā)展意義重大。

1 工程概況

某公路工程設(shè)計全長48.6km，設(shè)計行車速度110m/h，公路整體走向自東向西，共包含服務(wù)區(qū)2 處，大小橋梁13 座，為確保該公路路線設(shè)計的科學(xué)性，避免公路施工受地形干擾，經(jīng)研究決定采用GIS 對公路的路線合理設(shè)計，設(shè)計內(nèi)容主要包括公路選線設(shè)計、路線平面設(shè)計、路線縱、橫斷面設(shè)計等。

2 GIS在公路路線設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 GIS系統(tǒng)組成及功能

2.1.1 GIS系統(tǒng)組成

GIS主要由硬件和軟件兩部分組成，可以基于地理空間數(shù)據(jù)庫，提供不同的地理信息、動態(tài)信息、空間信息，再對得到的地理坐標(biāo)信息、位置信息進行準(zhǔn)確分析計算。同時，GIS還可以綜合處理信息，利用電子地圖的形式采集、模擬、處理、檢索、分析表達地理空間數(shù)據(jù)。因此，GIS可以通過以上方式準(zhǔn)確地設(shè)計公路路線。

2.1.2 GIS功能

（1）制圖功能：GIS 技術(shù)中最常用的功能即制圖功能，使用GIS 制圖功能可使公路路線以圖形方式呈現(xiàn)于計算機，設(shè)計人員通過圖形能夠明確路線設(shè)計中的各個要素。同時利用GIS 制圖功能為圖形中的相關(guān)參數(shù)給予一定的數(shù)值范圍，使圖形能夠表現(xiàn)出更加細(xì)節(jié)的層次。此外，GIS 制圖功能還可以為設(shè)計人員提供要素圖，將公路路線的各個要素分層呈現(xiàn)，以便設(shè)計過程中明確不同要素及活動位置[1]。

（2）數(shù)據(jù)處理：GIS技術(shù)主要是對空間數(shù)據(jù)庫進行管理，同時可以實現(xiàn)對普通數(shù)據(jù)庫的管理，在數(shù)據(jù)庫管理工作中的主要任務(wù)是存儲路線設(shè)計中的相關(guān)參數(shù)。因此，為滿足設(shè)計人員對數(shù)據(jù)的要求，GIS具備對數(shù)據(jù)實施不同操作和處理的功能，可以多種形式將參數(shù)提供給設(shè)計人員，如表格、統(tǒng)計圖、報告、數(shù)據(jù)等，以滿足設(shè)計人員的要求。

（3）空間疊加：GIS的空間疊加功能是將兩個或多個圖層在相同的位置、空間疊合在一起，利用圖形和屬性的運算，使其產(chǎn)生新的空間區(qū)域能力。空間疊加過程中每個圖層為一個疊加層，每個疊加層都附帶一個綜合運算的屬性并反映公路路線某一專題的信息，兩個圖層重合后可通過柵格數(shù)據(jù)或矢量圖數(shù)據(jù)的方式開展綜合運算。其中，矢量圖數(shù)據(jù)的計算精度比柵格數(shù)據(jù)精度更高。因此，常用的方式為矢量圖數(shù)據(jù)，通過綜合屬性計算得到的數(shù)據(jù)，可以為設(shè)計人員提供更好的設(shè)計思路。

（4）緩沖區(qū)：GIS 中的緩沖區(qū)是指以路線設(shè)計中的某一圖形元素為基礎(chǔ)，向外擴展一定寬度所得到的區(qū)域。緩沖區(qū)的存在是路線設(shè)計中為達到某種目的而開展空間分析的一部分，緩沖區(qū)所分析的數(shù)據(jù)均來源于其他圖形數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，如空間疊加中獲得的矢量數(shù)據(jù)或柵格數(shù)據(jù)，緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的計算結(jié)果也可以為路線的設(shè)計提供參考[2]。

（5）網(wǎng)絡(luò)分析：GIS 網(wǎng)絡(luò)分析是對地理網(wǎng)絡(luò)進行地理分析與模型化的過程，公路路線設(shè)計中網(wǎng)絡(luò)分析屬于最重要的基本模型。在GIS 網(wǎng)絡(luò)模型中，網(wǎng)絡(luò)主要由各個現(xiàn)狀要素連接而成，其主要作用是實現(xiàn)資源的運送，資源在運送過程中可能運送速度會減緩、資源發(fā)生消耗。因此，需要在GIS 網(wǎng)絡(luò)模型中設(shè)置合理其分析形式，保證資源的運送效率，GIS 網(wǎng)絡(luò)分析形式分為三種，即網(wǎng)絡(luò)符合預(yù)測、線路優(yōu)化、資源分配，其主要結(jié)構(gòu)均為矢量數(shù)據(jù)，利用GIS 的網(wǎng)絡(luò)分析形式可以合理保證資源的運送，實現(xiàn)路線的網(wǎng)絡(luò)模型化。

（6）地形分析：GIS的地形分析功能可以實現(xiàn)對路線周圍地形環(huán)境的認(rèn)知，根據(jù)地形條件的復(fù)雜程度，GIS地形分析大體分為兩類，分別為對地形基本因子的計算分析以及對復(fù)雜地形的分析。地形分析中的主要內(nèi)容包括地形特征提取、水系特征提取、通視分析等，通過GIS地形分析功能，可以為地形模型的呈現(xiàn)提供數(shù)據(jù)參考。

（7）三維信息：三維信息即三維模型，三維模型是二維模型不斷立體擴展所得到的成果。三維模型的出現(xiàn)可以更好地幫助路線設(shè)計人員了解公路的設(shè)計概況，以前公路路線設(shè)計中常用的方式為地形圖紙，屬于二維信息，只能間接表達設(shè)計理念，現(xiàn)階段采用的GIS 技術(shù)具有三維信息功能，可提供兩種模型對公路進行三維描述，分別為數(shù)字地形模型與數(shù)字高程模型。數(shù)字地形模型是對路線范圍內(nèi)空間數(shù)據(jù)的描述，數(shù)字高程模型是對路線范圍內(nèi)地形模型的描述，通過GIS 三維信息的功能，可以更好地實現(xiàn)公路路線的建模，為路線的設(shè)計提供參考[3]。

2.2 GIS設(shè)計公路路線

2.2.1 公路選線設(shè)計

（1）公路選線設(shè)計中，主要利用GIS 的計算機系統(tǒng)及圖庫管理功能，通過計算機系統(tǒng)的分析，可以得知公路選擇路線時的具體空間數(shù)據(jù)，設(shè)計人員利用得到的空間數(shù)據(jù)可以綜合分析選線的合理性并給出設(shè)計思路；通過圖庫管理功能，可以對公路選線設(shè)計進行有限元分析并初步建立公路圖形，結(jié)合對圖形及數(shù)據(jù)的分析，設(shè)計人員可以明確公路選線設(shè)計中需要的空間、距離等參數(shù)，對公路的選線設(shè)計時，可以更加直觀地分析研究，以便設(shè)計人員綜合布局公路路線并設(shè)計詳細(xì)的施工方案。

（2）利用GIS 進行公路選線設(shè)計中，設(shè)計單位需要先組織勘探人員對公路建設(shè)場地的環(huán)境進行調(diào)查，提供每條公路路線走向、沿線地圖、地質(zhì)條件、氣候變化、城市規(guī)劃等基本信息，為路線的設(shè)計提供基礎(chǔ)依據(jù)，GIS 根據(jù)得到的基礎(chǔ)信息能夠?qū)仿肪€初步建模，直觀地表達設(shè)計理念，同時對可能影響公路路線設(shè)計的因素加以分析和總結(jié)，最后結(jié)合要求與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計出最佳路線并顯示于DTM中。

2.2.2 路線平面設(shè)計

（1）公路選線完成后開始路線的平面設(shè)計，公路的平面線性主要利用直線、圓曲線、緩和曲線三種組成，其中圓曲線的設(shè)計主要位于公路轉(zhuǎn)彎處，圓曲線的半徑R可利用公式計算得出，如式（1）：

式（1）中：R為圓曲線的半徑；v為設(shè)計行車速度（km/h）；μ為橫向力系數(shù)；i為超高率，利用公式計算式，μ與i的取值盡可能選取最小值，此時得到的圓曲線半徑R為最大值，可以保證路線設(shè)計的合理性[4]。

（2）路線直線的設(shè)計主要位于公路路線的直線段，緩和曲線的設(shè)計位于直線與圓曲線之間，利用緩和曲線可保證公路曲線段與車輛行駛的重心軌跡吻合，在路線平面設(shè)計時公路曲線段的設(shè)計形式為回旋型，以保證車輛行駛的特性，設(shè)計中的緩和曲線的各要素，在圓曲線半徑R、直線轉(zhuǎn)角、緩和曲線長度確定后，利用公式計算得出。

（3）路線平面設(shè)計中主要利用GIS 技術(shù)的計算機系統(tǒng)，通過計算機技術(shù)的輔助，平面設(shè)計過程中可快速準(zhǔn)確地對曲線的各個要素進行計算，并直觀地呈現(xiàn)于計算機，設(shè)計人員以直接觀察確定平面設(shè)計的各個要素，并對不同參數(shù)的平面設(shè)計進行對比分析，就能夠確定最佳的路線平面設(shè)計。

2.2.3 路線縱斷面設(shè)計

（1）公路路線設(shè)計中除平面設(shè)計外，還包括路線橫、縱斷面的設(shè)計，其中路線縱斷面設(shè)計主要是對路線縱斷面上豎曲線半徑、路線坡長、坡度等參數(shù)的確定。豎曲線的位置在公路路線變坡點，其設(shè)計形式為二次拋物線，豎曲線半徑R的計算通過公式得出，確定豎曲線半徑R、變坡腳w后，可利用該參數(shù)計算其余各個要素，包括豎曲線的外距E、切線長度T、長度L等，根據(jù)計算得知的參數(shù)可獲得路線縱斷面設(shè)計圖[5]。

（2）路線縱斷面設(shè)計中應(yīng)用GIS 技術(shù)，可根據(jù)路線中各個平曲線點的坐標(biāo)、高程，得知路線的線狀縱斷面，設(shè)計人員再利用GIS 的計算機系統(tǒng)，對縱斷面進行拉坡處理，直至獲得最為合理的縱斷面圖?？v斷面設(shè)計中如某一坡點發(fā)生變化時，會造成其他變坡點的增加減少，甚至坡長也會發(fā)生變化，此時GIS 系統(tǒng)中的ARC/INFO 會給出提示內(nèi)容，設(shè)計人員可根據(jù)提示信息進行縱斷面的修改，直至設(shè)計合理為止。

2.2.4 路線橫斷面設(shè)計

（1）路線橫斷面設(shè)計時先繪制公路的橫向截面，再結(jié)合設(shè)計要求與標(biāo)準(zhǔn)開展路線結(jié)構(gòu)性的斷面設(shè)計。橫斷面設(shè)計中的主要參數(shù)包括公路邊坡、邊溝的尺寸位置，公路路基的寬度、深度、長度等，路線橫斷面的設(shè)計工作復(fù)雜，設(shè)計周期長，設(shè)計過程中設(shè)計人員需要反復(fù)勘測繪制，以保證橫斷面設(shè)計的合理性。而利用GIS 技術(shù)開展橫斷面的設(shè)計，能夠有效地提升設(shè)計人員的工作效率，保證設(shè)計的準(zhǔn)確度與合理性[6]。

（2）GIS 技術(shù)設(shè)計橫斷面的原理為：先計算得知的橫斷面相關(guān)參數(shù)并輸入GIS 系統(tǒng)中，利用GIS 的計算機系統(tǒng)，可對獲取的數(shù)據(jù)進行自動核算分析，同時將橫斷面的設(shè)計以圖形結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出來。設(shè)計人員通過對橫斷面模型的分析對比，能夠明確橫斷面設(shè)計中的不足之處，通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)的形式，實現(xiàn)對橫斷面設(shè)計結(jié)構(gòu)的修改與處理，最終可以獲得滿足設(shè)計要求與標(biāo)準(zhǔn)的路線橫斷面。

2.3 設(shè)計中的注意事項

2.3.1 注意路線長度

公路路線設(shè)計中，直線段的設(shè)計方向明確、設(shè)計簡單，設(shè)計過程中受設(shè)計人員的青睞。但如果直線段的設(shè)計長度過長，駕駛?cè)藛T在行駛過程中容易產(chǎn)生疲勞駕駛，駕駛過程中會因為疲勞駕駛而影響駕駛?cè)藛T的應(yīng)急反應(yīng)能力，從而引發(fā)安全事故。因此，在公路路線直線段設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)注意綜合考慮公路周圍的環(huán)境，公路的行車速度等因素，合理控制路線長度，路線的長度可通過公式計算得出，如式（2）：

式（2）中：S為直線段的設(shè)計長度（km）；v為公路路線的設(shè)計行車速度（km/h）；δv為實際行車速度與設(shè)計行車速度之間的差值，區(qū)間為15～25km/h。在路線設(shè)計中可利用公式計算控制直線段設(shè)計長度，從而避免安全事故的發(fā)生[7]。

2.3.2 注意保護耕地

公路路線設(shè)計中要注意對耕地資源的保護。我國人口基數(shù)大，耕地資源作為民生發(fā)展的關(guān)鍵資源，對國內(nèi)的經(jīng)濟發(fā)展意義重大，而且耕地資源屬于不可再生資源，其稀有性更為明顯。因此，在路線設(shè)計過程中要盡量降低對耕地資源的占用，盡可能將耕地資源的征用控制在最小范圍，為社會的可持續(xù)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

2.3.3 注意縱坡的安全

公路路線設(shè)計中勢必存在縱坡，如縱坡坡度的設(shè)計過陡，將影響行車的安全。因此，在公路路線設(shè)計中，要注意對路線平均縱坡的合理設(shè)計，在設(shè)計公路路線前要明確公路沿線的地形條件及安全情況，設(shè)計過程中在不違反公路路線設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的情況下，有側(cè)重點地開展平均縱坡設(shè)計工作，以降低公路路線設(shè)計的安全隱患[8]。

2.3.4 注意保護自然環(huán)境

保護自然生態(tài)環(huán)境一直是我國經(jīng)濟建設(shè)的準(zhǔn)則之一，只有自然與人類和平共處，才能實現(xiàn)人類的文明發(fā)展，保證發(fā)展的多樣性與豐富性。因此，在公路路線設(shè)計工作中，要注意對自然環(huán)境的保護，設(shè)計前充分對路線周圍的環(huán)境進行調(diào)查，設(shè)計中將對環(huán)境的影響降至最低，盡可能不去占用自然環(huán)境資源，從而實現(xiàn)對環(huán)境的保護。

3 結(jié)語

利用GIS 開展公路路線的設(shè)計，不僅可以促進路線設(shè)計自動化的實現(xiàn)，對公路路線設(shè)計中的進一步發(fā)展具有巨大的推動力，還可以確保設(shè)計參數(shù)的精準(zhǔn)性，從根本上提升公路質(zhì)量。但是為保證GIS 設(shè)計的合理運用，設(shè)計過程中要注意根據(jù)工程實際情況開展設(shè)計工作，以實現(xiàn)對當(dāng)?shù)丨h(huán)境、資源的保護。