（道路与铁道工程专业论文）基于GIS平台道路初步设计的相关技术研究.pdf

摘要 摘要 在路线的初步设计中，传统的经济调查分析是勘察设计人员通过野外实地测量，人 工调查等在现场确定经济调查的相关数据，这一过程历时时间较长，占用了初步设计的 大量时间。本文以绥满公路虎峰岭段为例，将g i s 平台引入到路线的初步设计当中，主 要研究了如何利用g i s 的手段和方法来提取经济调查分析的相关数据，将这一过程放在 计算机中完成，缩短初步设计的时间。 一切的设计都要有数据基础的支持，本文研究了服务于道路初步设计的g i s 数据的 加工、处理及多种质量控制方法，以确保数据的准确，完整，使其为后面的空间分析和 数据提取提供良好的基础。 本文采用了地理信息系统强大的空间分析功能，引入了两种分析方法，即缓冲区分 析和叠置分析，利用这两种分析方法的联合使用获得的数据进行分析和比较。 最后，利用空间分析的数据提取设计线的地面高程和形成初步设计过程的经济调 查表，为方案的确定提供依据。并通过层次分析法检验其结果。验证方法的可行性。 关键词路线初步设计；g i s ；质量控制；经济调查；空间分析 a b s t r a c t t h er o u t ed e s i g ni st h ep r e c o n d i t i o no fh i g h w a yc o n s t r u c t i o na n dt h eb a s eo ft h e e n g i n e e r i n gq u a l i t y t h et r a d i t i o n a lm e t h o do fr o u t es e l e c t i o no fr o a di st h a tt h ep e r s o n sa r e c a r r y i n gt h r o u g has u r v e yo nt h es p o tb yc o n n e c t i n ga n da n a l y z i n gt h ec o r r e l a t i v et e c h n o l o g y a n de c o n o m yd a t ai nt h ea r e a s a f t e rt h e ys e l e c ts e v e r a lp o s s i b l el a yo u t - l i n es e l e c t i o ns c h e m e i nt h el a r g es c a l er e l i e fm a p t h e nt h e ym a k ec e r t a i nam o r ee c o n o m i ca n dr e a s o n a b l er o u t e s c h e m eb yr e p e t i t i o n sc o m p a r i n g t h em e t h o do fr o u t es e l e c t i o no fr o a dl i e so nt h ep e r s o n s p r a c t i c a le x p e r i e n c ea n dt e c h n i c a ll e v e lo nt h el a r g es c a l e i tw a s t e st i m ea n ds t r e n g t h ，s oi ti sa s i g n i f i c a n tw o r k t om a k ec 宅r t a l r lt h er o u t es c h e m er a p i d l ya n da c c u r a t e l y t h i sd i s s e r t a t i o ni m p o r t st h eg i st or o u t ep r e l i m i n a r yd e s i g n ，i tm a k e su s eo ft h eg i s s s t r o n ga n a l y s i sf u n c t i o nt od e a lw i t hi s s u e t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t sh o wt om a k ec e r t a i n r e a s o n a b l er o u t es c h e m ef m a l l yi ng i s ss u s t a i n a l lt h ed e s i g n sn e e dd a mb a s i c ss u p p o r t ，t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t st h eh i g h w a yr o u t e d e s i g ng i sd a t a sp r o c e s s i n ga n dd i s p o s i n ga n ds e v e r a lq u a l i t yc o n t r o lo fd a t a , s oa st om a k e c e r t a i nt h ed a t a sa c c u r a c ya n di n t e g r i t y , i tw i l ln o ta f f e c tt h ed e s i g n t h em a x i m a ld i f f e r e n c eo ft h eg i sd a t aa n dc a dd a t ai si t sa t t r i b u t ef u n c t i o n ，i nt h e c o u r s eo ft h es c h e m ea n a l y s i s ，t h ea t t r i b u t ed a t ar e p r e s e n t si n f i n i t ee f f e c t s of o u n daa t t r i b u t e d a t a b a s ei n c l u d i n gt h ed e s i g nc o i l r s ei sq u i t ei m p o r t a n t t h ed i s s e r t a t i o nh a ss i m u l a t e dl i n es e l e c t i n gm e t h o df o rr o u t es c h e m e ，i m p o r t e dt w o a n a l y s i sm e t h o d s ，b u f f e ra n a l y s i sa n do v e r l a p p i n ga n a l y s i s ，t h e nm a k eu s eo ft h ed a t af r o mt h e t w oa n a l y s i sm e t h o d sp r o g r e s ss c h e m e sc o m p a r a t i v ea n a l y s i s f i n a l l y , a d o p t i n ga n a l y s i sd a t af o r mp r e l i m i n a r yd e s i g n ss c h e m ec o m p a r a t i v et a b l e ， c o m b i n i n gg i s sc o n v e n i e n tq u e r ya n ds c a nf u n c t i o n ，m a k e c e r t a i nt h er o u t es c h e m e k e y w o r d s r o u t e p r e l i m i n a r yd e s i g n ；g i s ； q u a l i t yc o n t r o l ；e c o n o m y i n v e s t i g a t i o n ；s p a c ea n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘i 垦挂些盘鲎或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明荠表示谢意。 学位论文作者签名：缀龅签字日期：矽矽年月吾i 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盔a 垦盎些盘鲎有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权盘a 垦盎些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：兹蛳 翮签名：彳昏鸭 签字日期：聊年月7 日 签字日期：朋) 年苦月叫日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 1 绪论 1 绪论 1 1 将g i s 平台引入初步设计的意义 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是对空间信息进行采集、存 储、管理、查询、分析、显示和制图等处理的综合性技术。其本质上是一种空间可视化 的辅助决策系统。g i s 在分析处理问题中能够方便地接受多种数据来源( 包括g p s 数 据、摄影测量与遥感数据等) ，同时，使用空间数据和属性数据，重视空间分析模型的设计与 集成，具有空间定性、定量、定位综合分析的功能。多种空间数据结构( 矢量、栅格、t i n ) 及其转换功能，准确的空间与属性数据( 地形、地质、水文、城市、已有道路、管线、 植被等) 和数据操作方法，并在此基础上越来越丰富。g i s 是图形处理技术、可视技术及 数据库等技术的有机结合，并以其混合数据结构和强大的地理空间分析功能而独树一 帜。g 1 s 不仅仅是一个图库管理系统，更重要的是它具有空间分析功能，包括数字地形模 型分析、空间特征的几何分析、网络分析、影像分析和地理变量的多元分析等。这些空 间分析功能为用户提供了解决多种问题的有效手段，可以帮助人们从宏观的、科学的角度 来认识世界，作出正确的决策。 出于政治、经济和军事方面的需要，美国最早提出了“信息高速公路”“空间数据 基础设施”和“数字地球”的发展战略。今天，政府g i s 已经广泛应用于道路规划、交 通管理、城市建设、环境保护和文化教育等各个领域。我国地理信息系统方面的工作自 8 0 年代初开始，9 0 年代进入快速发展阶段。g i s 的应用也日趋深化和广泛，在环境、 资源、石油、电力、土地、交通、公安、航空、市政管理、城市规划等领域成为常备的 工作系统。其应用在公路上仍限于对各等级公路数据库的建立和路网规划等。 道路选线是一个影响因素多、技术复杂的重要环节业。】，它涉及到政治、经济、国 防、技术、环境等诸多因素的影响。从路线基本走向的确定到路线方案选择和具体定 线，所考虑因素的侧重点又不相同，在各种因素综合作用下要选出一条最佳路线，技术 上是非常复杂且困难的。但是，路线方案又直接影响到建设项目的质量、投资及运营效 益，影响到道路本身路基、路面、桥涵等组成实体功能的正常发挥和安全使用，因此， 选线工作是相当重要的环节，需要进一步研究的问题。选线工作的进步依赖于新技术的 发展，最终的目标就是选线自动化。 在路线初步设计的过程中引入地理信息系统的有关理论、方法和技术分析手段，对 信息进行加工处理，将影响路线方案的各种因素形象化地展现在我们面前。从而增强路 线方案选择的效率、科学性，对于提高决策结果的经济效益、社会效益和环境效益，将 具有十分重要的意义。 东北林业大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 在2 0 世纪6 0 年代初，由于当时电子计算机还不具备实用的图形处理功能“1 ，整个 设计过程大多是由人工手动完成，计算机在设计中的应用，仅局限于解决单纯的计算问 题。许多国家首先将其应用于大量的重复计算工作，如平面和纵断面的几何线形计算横 断面设计和路基土石方工程量的计算，以及输出设计数据表等。由于计算机的高速运 行，使得设计时间大为缩短。从而节省了大量时间，提高了生产效率，并为多方案比选 及路线线形的优化创造了条件。 2 0 世纪7 0 年代，随着大容量、高速度电子计算机的出现，使数字地面模型的实现 有了可能。为加速数字地面模型原始数据的采集和输入，地形图数字化以及航测精密光 学立体测图仪从航测像片采集地形图模型原始数据成为数字地面模型地形原始数据的主 要来源，数字地面模型在公路设计中的应用，使公路油画技术从纵断面优化拓展到平面 优化和空间( - - 维) 线形优化。其代表性应用软件有英国的n o a n 程序，美国普度大 学的g c a r s 程序，前联邦德国的e p o s 1 程序。在空间优化方面有美国麻省理工学院 的公路路线三维空间优化程序p o t l o g 等。 2 0 世纪8 0 年代，公路c a d 系统的发展更加成熟，并逐步走向系统化、集成化、 商品化。很多国家已建立了由航测设备、计算机( 包括计算机主机、绘图机、数字化仪 等硬件) 和专用公路设计软件包形成的集成系统，并作为商品软件推向市场，在公路工 程设计中发挥了极大的效用。如美国l o u i sb e r e g e r 公司的e s p a d d 系统、英国的 m o s s 系统、德国西门予公司的s i c a d 系统等。这些系统往往包含从数据采集、建立 数字地面模型、优化设计以及进行公路设计的全套计算、绘图和表格编制的完整过程， 并都有成功的图形环境作为支撑，在人机交互、可视化技术等方面有了很大的发展。 2 0 世纪9 0 年代以来，以微机为代表的计算机技术迅猛发展，给计算机的普及创造 了良好的条件，随着计算机内存及速度的大幅度提高，各种界面友好、功能强大、资源 丰富的操作系统，具有高交互性能的仿真三维图形支撑系统及面向对象的语言编译系统 的不断推出，伴随着多媒体技术、网络技术、可视化技术的发展，进一步促进了道路 c a d 系统软件水平的提高，软件友好性、适应性、可视化及交互性进一步增强。通过 市场竞争，国外一些优秀的道路c a d 系统脱颖而出，逐步向国际化发展，以满足多元 化的设计标准。目前进入中国市场，并应用广泛的主要有德国的c a r d 1 、英国的 m o s s 、美国的i n r o a d s 等道路设计系统。 c a r d 即c o m p u t e ra i d e dr o a dd e s i g n 的缩写。c a r d 1 为公路、铁路和管线等线 路工程提供了一整套实用高效的勘测设计一体化解决方案，使用该系统可完成从测量和 数据采集开始，经数据的传输和处理、数字地面模型的建立、中线设计、纵断面地面线 内插、纵断面和横断面设计、土石方计算、动态三维透视图，直到交付使用的施工图纸 和文件等路线设计的全部工作。该系统以分块建立的三角网数字地面模型为基础，特别 适用于采用全站仪进行地面速测的情况，同时也可以接受航测、地形图数字化等多种数 1 绪论 据源。 m o s s ( m o d e l i n gs y s t e m ) ”1 是具有国际影响力的大型土木工程分析软件，主要可 以实现以下工作：数据输入和分析；提供完整的选县定线功能：自动进行超高设计；附 加车道、停车带或交叉口的加宽设计；自动进行交叉口设计；边坡设计；横断面的动态 编辑；土石方计算；图纸输出和可视化。形成从测量数据的采集到初步设计、再到详细 设计及图纸输出的一体化系统。新一代的m o s s 软件m x r o a d ，以将图形平台由原来自 有平台扩充到a u t o c a d 及m i c r o s t a i o n 通用的图形系统，并可脱离c a d 平台独立在 w i n d o w sn t 环境下运行。并可使用户使用v i s u a lb a s i cv i s u a lc + + 及0 b j e c ta r x 等开 发工具进行二次开发，极大地增强了其实用性。 i n r o a d s 软件具备如下一些主要功能：可以接收由全站仪电子手簿的数据以及来自 航片、扫描文件、立体摄像、a s c i i 文件和其他数学化手段等获得的数据；可以建立三 维的交通基础设施的设计，数学地面模型可以用三角网或等高线来显示；在定线设计中 可以根据交点或是曲线要素设置各种类型的道路线形；对设计成果可以通过设计图表和 规范数据等多种手段进行校核；交互式的交叉口设计，以及各阶段的设计图形的高度可 视化；提供多种形式的标准横断面和模式，可按所需标准进行超高计算并生成图表，可 以产生土石方计算表、土石方累计曲线和土石方运输图表。 国外这些道路设计软件的共同特点是：建立在功能强大的三维数字地面模型及结构 物模型的基础上，有比较完善的测量数据采集与处理子系统，能完成除构造物设计之外 的路线设计全过程。 我国自1 9 7 9 年起，同济大学、西安公路学院、西南交通大学、北方交通大学、重 庆交通学院与重庆公路研究所、交通部第二公路勘察设计院等单位先后对公路的纵断面 优化技术、平面及空间线形优化技术进行了研究，开发可各自的优化设计程序。 路线c a d 系统( h i c a d ) 的开发始于1 9 8 6 年，由交通部公路规划设计院等6 家 单位的3 0 多位工程技术人员和教师组成的攻关队伍，经过3 年的努力完成。该系统覆 盖了地形数据采集一建立数字地面模型一人机交互地进行路线平、纵、横设计，优化设 计和人工构造物的设计一图和表的屏幕编辑，并最终完成图纸的绘制以及工程造价分析 等成套c a d 技术。 进入2 0 世纪9 0 年代，随着g p s 、航测、全站仪等测量新技术在公路领域的应用， 高效、准确获得设计所需的大范围内的地形原始数据已成为可能，公路c a d 逐步走向 测设一体化集成系统方面发展。结合实际工程设计，对航测、数模技术在公路路线施工 图设计中的应用进行了深入研究，提出了采用航测、数模技术进行公路路线施工图设计 的新方法以及相应的作业程序，并提出了覆盖地形数据采集与处理、路线设计与优化， 至设计成果输出的公路设计全过程的基于航测、数模技术的公路测设一体化系统， 该系统由航测数据的转换与原始数据的查错，原始数据的改错与质量控制，原始数据预 处理，散点数模的建立及路线计算机辅助设计与绘图等主要部分组成。该系统在国内首 次将航测数模技术应用于公路路线施工图设计，产生了显著的效益。 东北林业大学硕士学位论文 从1 9 9 6 年开始由交通部组织实施的国家“九五”重点科技攻关项目( ( g p s 、航测 遥感及公路c a d 集成技术由交通部第二公路勘察设计院、交通部公路研究所合作靠 法完成。该集成系统由全球卫星定位( g p s ) 测量系统、数字摄影测量系统、公路数字 地面模型、遥感地质图像及判释、公路路线及立交设计集成c a d 系统、桥梁设计集成 c a d 系统等几大部分组成。 除上面具体介绍的一些系统外，在国内公路方面有代表性的程序有：2 0 世纪8 0 年 代中期南京工学院早期开发的公路初步设计程序系统( g l c b s j ) ) ) 和公路技术设计 程序系统( g l c b s j ) ；长安大学开发的公路路线微机辅助设计程序系统；交通部第 二公路勘察设计院推出的微机路线辅助设计系统；同济大学于1 9 9 0 年推出的微机 道路设计系统( t j r d ) ；东南大学和交通部第二公路勘察设计院各自推出的立体交叉 设计软件：中交公路规划设计院于1 9 9 6 年推出的微机道路设计集成系统 ( r i c a d ) ；东南大学与交通部第一公路勘察设计院西安海德公司推出的具有自主图形 平台的公路工程辅助设计系统( h i g h w a ye n g i n e e r i n ga i d e dd e s i g ns y s t e m ，简称 加狐d ) ；全国众多的省交通设计院也相继推出了各自的路线设计系统。 1 9 6 3 年，加拿大测量学家r t o m l i n s o n 首先提出地理信息系统这一术语之后，随着 技术的进步、社会的需求、有关组织机构的建立，g i s 里“星火燎原”之势在全世界迅速 发展起来。概括起来，g i s 的发展可分为以下几个阶段。6 0 年代开拓期，注重空间数据 的处理，确立了g i s 基本概念和方法，解决了技术上的一些问题；7 0 年代巩固期，注 重地理信息的管理，出现了商品化的g i s ，改善了g i s 的应用性能；8 0 年代发展期，注 重空间决策支持分析，g i s 应用领域扩大，从资源管理、环境规划管理、应急反应、景 观生态规划、工程、计算机科学等，技术显著进步：9 0 年代用户期，注重实用化、集成 化、工程化，g i s 成为诸多机构和个人必备的工作系统，g i s 深入到各行各业。 地理信息系统自7 0 年代末引入中国后，发展极为迅速，目前已深入到各个应用领 域，并逐渐成为一个对经济社会发展起着很大作用的高新技术产业。在交通行业，公路 的规划、设计、管理以其鲜明的地学特征与g i s 有着天然的联系。将g i s 技术应用于我 国的公路建设和管理中，是高效建设我国公路国道主干线的一项重要的基础工程，是推 进公路建设、管理现代化的重要手段之一。 g i s 技术在公路中的应用主要有以下几个方面n 7 3 ：g i s 在管理中的应用；g i s 在 公路统计管理中的应用；g i s 在公路规划中的应用；g l s 在公路设计中的应用；g i s 在 公路运输管理中的应用；g i s 的道路安全管理系统；公路养护管理信息系统等。较为通 用流行的g i s 平台软件有：美国e s r i 公司的a r c i n f o 系列产品、i n t e r g r a p h 公司 的m g e 和g e o m e d i a 系列产品、m a p i n f o 公司的m a p i n f o 系列产品、西门子公司的 s i c a d 产品、c a l i p e r 公司的t r a n s e a d 产品等。国产基础g i s 软件有武汉测绘科技大 学的g e o s t a r 、武汉地质大学的m a p g i s 、深圳雅都图形软件公司的g r o w 等产品。 1 3 存在的问题及研究内容 在路线的初步设计中，地面高程的采集有两种方法；一是设计人员在大比例地形图 上进行人工点绘，量取道路中线的地面高程，这种方法在很大程度上取决于设计人员的 操作水平，精度很难保证，误差较大；二是通过勘察设计人员进行现场测量来获取地面 高程，这种方法相对来说可以获得准确的地面高程，但是，野外的逐点勘测占用了大量 的时间和入力物力，影响了后续工作的进度。 在初步设计当中，还需要形成经济调查分析表，为方案的比较分析提供依据，但是 传统的经济调查分析是勘察设计人员通过野外实地测量，人工调查等在现场确定经调的 各数据，虽然数据的结果相对来说非常准确，但对于初步设计来说，并不需要这么高的 精度，这一过程历时时间较长，占用了初步设计的大量时间。 本文针对传统初步设计中存在的问题，将g i s 平台应用于初步设计的全过程。首先 在路线的平、纵、横设计中，利用g i s 平台进行平面选线设计及纵断面和横断面设计的 地面高程提取，并将提取到的高程导入c a d 辅助设计软件进行纵、横断面设计，提取 出相关的技术指标；其次还利用g i s 系统强大的属性数据库功能和空间分析功能( 缓冲 区分析和叠置分析的联合使用) 在g i s 平台上提取初步设计相关的经济指标，并形成经 济调查分析表，使之成为方案确定的有利证据；最后比较方案的技术指标和经济指标， 并利用层次分析法分析比较结果来验证利用g i s 方法应用于初步设计的可行性。 本文研究的主要内容 本文是在路线初步设计的过程中，在g i s 平台上进行空间分析和经调数据提取，主 要进行以下几部分内容； ( 1 ) 、公路g i s 数据的采集及加工。 ( 2 ) 、根据公路初步设计的要求，对g i s 数据进行质量控制及精度分析，以确保数据 的准确、全面、规范。 ( 3 ) 、根据选定的g i s 平台，选取一个试验区域进行路线的初步设计。 “) 、联合使用g e o s t a r 和c a d 提取路线初步设计过程中的技术指标。 ( 5 ) 、采用g i s 方法，通过空间分析方法提取初步设计经济指标。 、采用g i s 空间分析方法提取数据，形成初步设计过程中的经调表。 、利用层次分析法，验证用g i s 提取经调数据的方法的可行性。 2 初步设计中g i s 数据的处理 2 1 初步设计试验段选取 2 1 1 工程概况 本文以绥满公路虎峰岭段为试验段，进行路线的初步设计。绥满公路为黑龙江绥化 至满洲里高速公路，是贯穿全省东西部的重要的国道主干线，也是中国东北地区公路主 骨架的重要组成部分。公路沿线为中、低山地区，地势较高，海拔4 0 0 6 0 0 m 。公路自 然区划为1 1 1 区。 2 1 2 技术标准 采用山岭重丘区高速公路标准，路线设计以公路路线设计规范和公路工程技 术标准为依据，在满足技术标准的前提下，路线布设应综合考虑与周围地物的关系， 尽量少占农田、林地、少拆迁、多利用旧路，并注意保护沿线环境，减少对周围环境的 不利影响。 2 。2 数据的采集和加工 2 2 1 数据来源 若要将路线的初步设计放到g i s 平台上进行处理，首要任务是获得完整的g i s 数 据，因此，需要根据路线初步设计的需求来采集g i s 数据。 本文处理g i s 数据是为了服务于路线的初步设计，需要获取公路路线两侧一定范围 内的公路带状图，考虑各种地物及其他公路等因素对公路的影响，其公路带状图为公路 两侧1 5 0 2 0 0 m 范围。通常g i s 数据的来源主要有以下几个途径：是利用现有的栅格 地形图进行矢量化处理；是利用c a d 图纸导入g i s 平台进行加工处理；是利用 g p s 测量所得数据导入g i s 平台进行应用。 由于虎峰岭段已有c a d 数据较为详细，因此综合考虑，采用第二种方法为主要的 数据采集手段。同时采用航片和s p o t 5 图片作为有益的补充，因此，本例的数据源主要 有以下几种格式： ( 1 ) 、公路勘察设计部门获得的公路带状c a d 数据。 ( 2 ) 、虎峰岭段1 ：1 0 0 0 0 航片。 ( 3 ) 、多幅s p o t 5 图片。 s p o t 5 图片来自于s p o t 5 号卫星，它是s p o t 卫星家族的一颗最耀眼的明星，己于 2 0 0 1 年底发射升空，2 0 0 2 年初正式运营。它有着前几颗卫星所不可比拟的优势：如分 辨率几乎提高了一个数量级，最高可达2 5 米；以前后模式实时获取立体像对；在运营 性能上也有了大大的提高；在数据压缩、存储和传输等一系列方面都有了显著的提高。 2 初步设计中g i s 数据的处理 并可获得立体像对，进行立体观测，为高精度的基础地理信息数据采集提供了可靠保 障，也为遥感影像解译标志的建立和遥感影像信息模型的开发与研究提供了有利条件。 本例中，由于位置地处山区，根据地物的分布，共采用了7 幅s p o t 5 图片，包括： l 5 2 g 0 7 5 0 4 8 、l 5 2 g 0 7 5 0 4 9 、l 5 2 g 0 7 6 0 4 9 、l 5 2 g 0 7 7 0 4 9 、l 5 2 g 0 7 7 0 5 0 、l 5 2 g 0 7 8 0 5 0 、 l 5 2 g 0 7 8 0 5 l 。 考虑到公路设计的需要。鉴于本文中已建成公路与建设中公路同时存在，将其地物 归类时，需建立了一个合理方案，因此除了针对公路建立交通、等级公路、等外公路、 大车路层外，还需建立建设中高速公路，建设中高速公路附属设施层，根据这些图层将 此c a d 数据进行加工处理。 2 。2 2 数据的加工 将公路带状c a d 数据导入g i s 平台后，由于c a d 数据的图层分类，绘图特点与 g i s 平台的不同，导致直接导入的数据存在数据分类杂乱、缺少属性等问题，因此，还 不能直接使用，需要进行加工处理。 综合各种数据处理软件的功能及本项工作的需要，采用了北京吉威数源的 g e o w a y 数据处理平台来进行数据加工。将c a d 数据导入g e o w a y 中主要进行如下 几个步骤： ， ( 1 ) 、制作对照表文件。c a d 当中也有图层的分类和编号，因此，只要将c a d 的图 层编号与g e o w a y 中目标图层地物类的编码一一对应，在导入c a d 的d x f 文件时， 引用对照表文件即可实现数据导入。但是仍有一些图层较为混乱，无法进行对照，因 此，需要建立一个新图层为“其他层”。将所有杂乱的部分导入“其他层”进行筛选处 理。 ( 2 ) 、删除多余的符号化显示。在c a d 制图中存在着许多制图符号的显示，比如草 地、池塘、铁路线、桥梁等等，都要将其转化成只有点、线、面三种形式的图形。而对 于房屋、街区等的填充显示，则直接将其删除即可。 ( 3 ) 、根据设计的需要，将其地物归类时，建立了个合理方案，主要包括以下几个 图层。城市街区、池塘、大车路、等级公路、等外公路、地貌和土质、管线及其附属设 施、等高线、建设中高速公路、建设中高速公路附属设施、交通、面状居民地、平面控 制点、水系陡坎、水系面、水系线、植被、注记。根据这些图层将此c a d 数据进行加 工处理。 ( 4 ) 、属性表的建立。这一过程可以穿插至上一步骤同时进行，主要是将地物的属性 添加到属性表中。比方说旧路应建立包括名称、代码、长度等属性，并填加值，长度可 采用固有属性导出；又如植被需建立代码、名称、面积、周长属性，其中代码是地物类 标准码，名称可根据c a d 图中的填充符号来确定，后二者可直接采用固有属性导出。 ( 5 ) 、图形检查。图形捡查是避免系统出现错误的个重要过程，特别是当数据来源 是c a d 数据时，相对于矢量化地形图，其存在的问题更多。常规的检查包括重线检 东北林业大学硕士学位论文 查、伪节点检查、图形自相交打折等，都要将其进行修改到正确。 这里特别指出对等高线( 计曲线、首曲线) 的检查尤为重要，因为等高线层的错误 会影响为公路构建的d e m ，并影响公路的位置控制，因此，一定要仔细检查每根等高 线线形有无重叠、打折或断开，及其高程值是否正确，有无漏线等，同时还要注意在连 接断线过程中，是否在边角处有等高线应切断却错误连接的现象，最后，最好对等高线 进行抽稀处理，以减少不必要节点数，加快运行速度。 ( 6 ) 、属性的检查。属性检查的目的是防止发生漏添、错添属性值，因此检查是可以 分别检查属性的内容是否正确，如果出现漏添则会显示属性内容为“无添加值”。另外 也可根据属性的特点检查属性值的唯一性。( 注：有些属性值是具有唯一性的，但有些 并不具备) ( 7 ) 、构造拓扑。空间关系指空间对象之间具有空问特性的关系，通常分为三大类，即 度量关系、顺序关系和拓扑关系。两个空间对象间的拓扑关系n 1 是指在拓扑变换( 旋 转、平移、缩放等) 下保持不变的空间关系，如空间对象的相邻和连通关系。拓扑空间关 系是一种对空间结构进行明确定义的数学方法。拓扑的构造可以更明确的表示地物之间 的关系，除了地理信息系统常用的将“池塘”、“水系面”、“面状居民地”和“植被”需 要构造拓扑外，基于公路分析的需要，还要将“等级公路”、“等外公路”及“城市街 区”构造拓扑面。这里需要一提的是，除了要构面外，由于还要进行里程、长度等的分 析，故还要增加一层道路中线，而对于“大车路”、“小路”和“乡村路”等其他交通线 路。由于其等级太低，对面的分析影响不大，故不进行构面处理，只保留道路中心线即 可。 g e o w a y 支持多种数据格式的导出，如a r c g i s 的s h p 格式、a r c i n f o 的c o v e r e g e 格 式、g e o s t a r 的交换格式e 0 0 等等。因本系统将采用武汉吉奥的g e o s t a r 作为操作平台， 故导出格式选择e 0 0 。注意的是在导出时将地物类属性归于层属性，除等高线层导出高 程值和c o d e 码外，其余各层均只导出c o d e 属性，不导出高程值。( 注：由于原始c a d 中其他层存在误填高程值，故在导出时做统一处理) 2 - 3 数据的质量控制 在数据采集、加工、处理的过程中，由于图纸变形、手工输入等原因，导致数据产 生一些误差，影响路线初步设计的准确性，因此，需要在数据加工处理后进行数据的质 量控制。 空间数据的误差可分为源误差、处理误差和应用误差三种类型n 1 。源误差是指数据 的采集和录入过程中产生的误差，处理误差是指数据加工、处理过程中产生的误差，应 用误差是指数据使用过程中产生的误差，理论上讲，源误差会远远大于处理误差。因 此，控制源误差更为重要。 2 3 1 传统的控制数据质量的方法 ( 1 ) 、利用平差理论，建立平差模型“。 2 初步设计中g i s 数据的处理 ( 2 ) 、从地图数字化过程限差和数据层面属性编码规范起，运用“宏”技术n “”】，目 的是为了减少键盘输入的工作量，就可以大大地减少了错误产生的概率。 ( 3 ) 、将采集的g i s 数据用绘图仪输出形成理论尺寸的样图c 1 3 3 然后与原图进行比 较。 ( 4 ) 、抽测一定数量点的坐标和线的长度，然后将数据库中相应点的坐标和线的长度 与实际测得数据进行比较。 ( 5 ) 、采用g i s 软件检查图形的重叠，自相交、打折等及属性内容的检查n “。 ( 6 ) 、利用空间数据的地理特征要素自身的相关性来分析数据质量“”。 以上几种方法对于公路g i s 数据的检查来说，还存在着一些缺陷，不能满足公路设 计的要求。本例中，采用的c a d 数据进行加工、处理，转化为g i s 数据，表面上看， 没有了图纸矢量化过程中由于纸张几何变形，坐标转换和比例尺变换所产生的源误差， 数据质量会提高，但实际上由于c a d 图纸来源于公路设计部门，而目前公路设计部门 对公路带状地形图的获得采用的是将栅格地形图依比例尺放大后，利用c a d 平台进行 手工的描绘，不但源误差不会减少，反而容易产生一些个别的错误。基于公路的要求， 针对该路段的处理，总结以下几种方法来进行基于路线设计的g i s 数据的质量控制方 法。 2 3 2 针对道路初步设计的质量控制方法 ( 1 ) 、本例的数据来源是c a d 数据，而另外一种有益的补充就是航片。将航片作为 背景图片，对已有的矢量数据进行修改、校正。如果不采用c a d 数据而是直接利用航 片进行矢量化跟踪，则有很多地物是无法分辨的。对于前面提到的c a d 数据导入 g i s ，因为没有看到实际情况，因此，发生偏差的情况时常存在。而将航片作为背景图 片，则即起到了修正c a d 数据错误的作用，又保留了a 蛐数据中对于一些航片中无法 识别的数据的描述，使二者的优点充分发挥，起到了相得益彰的作用，特别是针对道路 而言，一般来说，道路由于其线形特点，在航片中表现还是很清晰的，因此，更有利于此 项操作的进行。经过此过程的校正，避免了许多错误和不足。 图2 1 c a d 数据 图2 2 航片 ( 2 ) 、公路本身有自己的线形要求，特别是高等级公路以曲线相连居多，若在路线当 中出现打折或过小的转弯半径( 一般1 5 0 m ) 则此处数据一定有错误。 ( 3 ) 、公路两侧有一定宽度的公路用地范围，由于选用的路段主要为下山路段以填方 为主，根据计算，取8 m 为平均公路用地范围( 图上从路外侧边缘线向外8 m ，且该数 据只应用于高速、一级及二级公路。对于其它公路由于其对路线设计的影响较小，且等 级较低，存在的误差并不能直接影响结果，故只需直观观察是否有建筑物与之相交即 可) 做缓冲区，缓冲区范围内是不应该有建筑物、电力管线等，如果出现则意味着或者 是建筑物、电力管线等出错，或者是路线的位置出错，应该翻阅原始栅格图进行查对。 “) 、公路由于路线纵坡的要求，任意量取实际距离5 0 0 m ，其穿越的等高线不应超 过5 条，目的是为了控制其平均纵坡小于5 ，若其穿越的等高线超过了5 条，而此处 有高架桥( 对于填方路段) 或隧道( 对于挖方路段) 则是允许的，若没有此类构造物， 则意味着公路或等高线二者中有错误的数据。高速公路需相应的降低至3 。 ( 5 ) 、公路经过河流处会设置桥梁，穿过大片农田、果树林或村庄时，会每隔一段距 离设置通道且全线由于排水要求每隔一段距离会设置过水涵洞，如果缺少这些标识，则 需查找设计文件或进行现场调查来补充。 ( 6 ) 、对于已建成公路，可采用现场采集公路特征断面g p s 数据导入g i s 平台修正 已有线形。当然，在利用g p s 数据进行修正线形时，在特征断面处要以g p s 数据为基 准，其他位置，若与特征断面处直接连接出现视觉上的扭曲或打折等现象，则以两相邻 特征断面间做平滑曲线为准。 2 4 数据的精度分析 ， 为了验证经过质量控制后数据的可靠性，因此采用实地g p s 点数据与同一位置矢 量数据点进行对比。为了衡量区域内的点误差，可用抽样的方法n “”1 ，抽取4 个特征地 物点位的g p s 测得坐标值与实际坐标对比，其平均误差不大于2 0 e m ，因此，认为可以 满足初步设计的精度要求。 2 5 本章小结 f 要利用g i s 来解决道路初步设计当中的任何问题，先决条件就是如何获得完整、准 2 初步设计中g i s 数据的处理 确的g i s 矢量数据，通常的矢量地形图并不能满足道路初步设计的要求，如存在许多冗 余的地理地貌信息，缺少设计必需的属性信息等。因此，本章谈到在处理应用于仞步设 计的矢量地形图应如何进行数据的采集、加工及质量控制。通过多种手段，结合道路的 初步设计要求来获取完整、准确的g i s 数据，为后面的空间分析及数据提取基础保证。 本章主要得到了以下几个结论： 、在数据采集和加工的过程中，联合使用包括c a d 数据、航片和s p o t 5 图片来 共同获取g i s 数据； 、提出了与传统质量控制方法不同的、针对道路初步设计的质量控制方法。 3 初步设计技术指标的提取 3 1 数据格式的转换 本文采用的主要源数据是c a d 数据，采用g e o s t a r 作为数据的加工处理软件，采 用g e o s t a r 作为操作平台，各种软件都有自己的数据格式，例如：c a d 的d w g 格式、 g e o w a y 的g w p 格式、g e o s t a r 的g s d 格式，因此，必须经过一个数据的转换过程， 最终转换为g i s 数据，加载到g i s 平台上进行应用。这其中有几点需要说明： 、将c a d 的d w g 转换为c a d 的d x f 格式是因为d x f 是a u t o c a d 的交换格式， 对于所有的g i s 软件都只能读取d x f 格式； 、将g e o w a y 的g w p 格式转换为e 0 0 格式是因为e 0 0 格式是g i s 的通用交换 格式，因此，需要利用e 0 0 数据导入g c o s t a r 平台，并且，即便是不采用g e o s t a r 作为 操作平台，而采用其它g i s 平台，e 0 0 格式仍然具有通用性； 、e 0 0 是图层格式，而g e o s t a r 能读取的是矢量数据库，因此，可以通过g e o s t a r 提供的配套软件g e o l m a g e d b 来建立一个a c c e s s 的数据源，并将e 0 0 格式的图层文件 添加到数据源里，这样，a c c e s s 的数据源文件就可以直接被g e o s t a r 所读取。数据格式 的具体转换格式如下： 3 2 路线平面设计 本文选择虎峰岭试验段的一段作为设计试验段进行路线的设计与分析。在选择试验 段的过程中主要考虑以下几点因素“”。”：一是长度控制在2 k m 左右，以便进行数据 的处理；二是选择的路段地物种类丰富且不复杂，对于经常能够影响路线选择的耕地、 林地、管线、水系、电杆、民房和旧路等都要涵概；三是避开大填大挖路段，避免设置 高架桥或开挖隧道以削弱其它因素对方案的影响；四是避免进入乡镇内，受到城市道路 影响口“2 2 。 3 2 1 路线平面设计过程 3 初步设计技术指标的提取 在选线时按照以下几个步骤进行： ( 1 ) 、在g c o s t a r 平台上，新建一个工程文件，保存工程名为“绥满公路”，在工程文 件当中的数据集选项的“矢量数据”节点选择“加载矢量数据”； ( 2 ) 、g e o s t a r 提供了多种矢量数据库的选择功能，包括o r a c l e 数据、s q ls e r v e r 数据、a c c e s s 数据、a r c s d f 数据和文件数据源。因本文已将所有数据转化为a c c e s s 数 据格式，因此，加载数据时选择此项，并将其全部的点、线、面图层都加载进去； ( 3 ) 、加载完数据后，将所有图层在当前二维视图打开； ( 4 ) 、打开编辑功能，选择开始编辑，将目标图层选择为“高速公路”，选择画曲线 功能； ( 5 ) 、选择几个控制点，尽可能切着等高线方向，以曲线连接起终点和控制点； ( 6 ) 、试算圆曲线和缓和曲线； 公路的平面线形一般由直线、圆曲线和缓和曲线组成。圆曲线半径r 可根据设计车 速v 、横向力系数| l 、超高率i 、用公式r - - - v 2 ( 1 2 7 ( i t + i ) ) 计算出。当p 、i 取得设计最 大值时，r 有最小值。这就是公路上圆曲线的最小半径在公路设计时，只要地形条件许 可都尽量使用较大的曲线半径，只有在某些特别困难的场合，才能考虑使用最小半径。 缓和曲线插设于直线和圆曲线之间，能使公路曲线