（道路与铁道工程专业论文）基于GIS的公路路线方案评价方法的研究.pdf

东南大学硕士学位论文摘要 摘要 传统的公路路线优选仅把路线的几何指标作为主要考虑因素，然而，由于没有考虑如环境影响、 用地等影响因素，而具有明显的缺陷。为了解决以上提到的问题，本文进行了基于g i s 的公路路线 方案评价方法的研究，应用g i s 技术的空间分析功能提取公路路线的影响信息：在此基础上，利 用多层次多目标模糊优选模型实现公路路线多因素的综合分析，达到公路综合选线的目的。 本文第一章通过对国内外公路路线方案评价的发展历程、现状和存在的问题分析，提出了本 文的研究内容和开发手段。 本文第二章，首先分析了公路路线评价的众多评价指标的层次结构，然后讨论了g i s 的工具软 件a r c i n f o 的数据处理、空间分析功能。接着进行了公路路线方案评价数据库的设计。再后，分析 了各单个评价指标的影响因素，提出了各评价指标的单因素评价模型。 本文的第三章，主要是对本文的多目标多层次模糊优选的模型进行了讨论，并将其应用于公路 路线的多方案评价。 本文的第四章在分析了m o 的各种功能基础上，通过v b + m o 开发了公路路线多方案评价的 程序提高了公路路线方案评价的合理性和效率。 本文的最后一章，总结了本文的研究成果，提出了以后研究的方向。 关键词：路线方案、评价、优化、g i s 、空间分析 查堕查兰堡圭主垡兰苎 塑茎 a b s t r a c t t r a d i t i o n a lh i g h w a yr o u t eo p t i m i z a t i o nt a k e so n l yg e o m e t r i ci n f o r m a t i o na sm a i na f f e c t i n gf a c t o r s h o w e v e r , t h a tm e t h o di sd e f i n i t e l yd e f e c t i v ed u et on o tc o n s i d e r i n gs o m ea t t r i b u t e sl i k ee n v i r o n m e n t a l i m p a c t ，l a n du s ea n de t c t 0s o l v et h em e n t i o n e dp r o b l e m sa b o v e t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fa g i s - b a s e da s s e s s m e n tm e t h o do nh i g h w a yr o u t es e l e c t i o n ，t h a tc o v e r st h ei n f l u e n c ef a c t o r sa n a l y s i s ，t h e s p a t i a la n a l y s i sf u n c t i o n so fg i s ，t h em u l t i - f a c t o r ss y n t h e t i ca n a l y s i s ，t h ef u z z yo p t i m a ld e c i s i o nt h e o r y , t h em o d e l o f m u l t i - h i e r a r c h ya n dm u l t i - o b j e c t i v es y s t e ma n dt h eg o a lf u n c t i o no f s y n t h e t i ch i g h w a y r o u t e s s e l e c t i o n o nt h er e v i e wo ft h ed e v e l o p m e n t h i s t o r yo f t h ea s s e s s m e n tm e t h o d so nh i g h w a yr o u t es e l e c t i o n ，t h e a u t h o rp o i n t so u tt h ee x i s t i n gp r o b l e m so f t h ec u r r e n tm e t h o d sa n dc o n s e q u e n t l y , p u tf o r w a r dt h er e s e a r c h c o n t e n ta n dt h ed e v e l o p m e n tm e t h o do f t h i sp a p e ri nt h ef i r s tc h a p t e r t h es e c o n dc h a p t e ra n a l y s e st h ea p p r o p r i a t es y s t e ms t r u c t u r eo ft h ea s s e s s m e n tf a c t o r sf o rh i g h w a y r o u t e ss e l e c t i o n ，d i s c u s s e st h ed a t em a k i n ga n d s p a t i a la n a l y s i so f a r c l n f o w h i c hi sam o s t w i d e l yu s e dg i s s o f t w a r e ，a n dt h e nd e s i g n st h ea s s e s s m e n td a t a b a s ef o rt h es e l e c t i o no fh i g h w a ym u t e s ，a n df i n a l l yp u t s u pf o r w a r ds i n g l ea s s e s s m e n tm o d e lo f e a c ha s s e s s m e n tc r i t e r i at h r o u g ha n a l y z i n gi m p a c tf a c t o r so f e a c h a s s e s s m e n tc r i t e r i a i nt h et h i r dc h a p t e r , t h ef t m z yo p t i m a ld e c i s i o nm o d e lo f m u l t i - h i e r a r c h ya n dm u l t i 。o b j e c t i v es y s t e mi s d i s c u s s e da n da p p l i e dt ot h ea s s e s s m e n to f h i g h w a y sm u l t i - r o u t es e l e c t i o n t a k i n gf u l la d v a n t a g eo f t h ee x i s t i n gf u n c t i o n so f t h em ep r o v i d e db ya r c l n f o ，t h ea u t h o rp r a c t i c a l l y d e v e l o p e dt h ep r o g r a m o ft h ea s s e s s m e n to fh i g h w a yr o u t e s ，w h i c hi sc o n t r i b u t e dt o i m p r o v et h e r a t i o n a l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h ea s s e s s m e n to fh i g h w a y sm u l t i r o u t e s e l e c t i o n t h ew h o l ep r o g r e s si s e x p l i c a t e di nt h ec h a p t e r f o u r i nt h ee n d ，t h ea u t h o rc o n c l u d e sa l lt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta c h i e v e m e n t sa n dm e a n w h i l e ， p o i n t so u tt h ef u r t h e rw o r k s t ob ec o m p l e t e d k e y w o r d s ：r o u t es e l e c t i o n ；a s s e s s m e n t ；h i g h w a ya l i g n m e n t ；f u z z y ；o p t i m i z a t i o n ；g i s ；s p a t i a l a n a l y s i s i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 社日 期：! 兰：! ：兰 东南大学硕士论文 第一章绪论 第一节概述 第一章绪论 近年来，由于计算机的硬件和道路设计软件的迅猛发展，我国的公路c a d 技术己取得了丰硕 的成果。国内的公路设计软件具有代表性的有西安海德( h e a d ) 、纬地( h i n t c a d ) 、金思路 ( b i d r o a d ) 、捷力( g l p m ) 、中交规划设计院r i c a d 、李方广华公司的e i c a d 和东南大学的d i c a d 及a h c a d 等，这些软件的开发研究主要侧重于对道路几何设计常用功能或对勘测、设计两阶段的 工作进行综合、集成。然而，与设计软件的蓬勃发展形成鲜明对比的是。对公路项目早期如工程可 行性研究、初步设计阶段路线方案比选的研究却很少目前，尚没有成熟、实用的路线方案比选软 件。究其原因，大概是因为公路路线方案比选、评价涉及沿线的诸多因素有些因素还不能定量比 较；即使是定量因素，还存在着不同的评价尺度问题；即使有些具有一定功能的路线方案比选程序， 也仅以地形、几何和公路工程自身的信息为主要考虑因素，而对环境、土地、水文、地质等属性数 据无法考虑，所以，很难优选出合理的最佳路线。然而，选择最佳路线却是公路工程项目最重要的 工作之一，因为，一旦路线选定，在后续的设计阶段很难更改，如果路线方案不合理，造成的损失 是巨大的，且很难挽回。国内在这方面有深刻的教训。 但是，随着地理信息系统g i s ( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 技术的不断完善，借助于g i s 软件强大的空间分析能力、属性数据的管理能力以及二次开发功能，使得公路路线多方案评价软件 的研究与开发成为可能。 1 1 1 我国g i s 技术研究及交通中的应用 g i s 是一门集地理空间数据处理与计算机技术于一体的边缘学科领域，它是以地理空间数据库 为基础，采用地理模型分析方法运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和分析具有空间内涵 属性的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的技术系统。 当前，计算机技术和航测遥感、g p s 技术的发展为g i s 的进步和实际应用提供了先进的技术手 段。在交通领域的应用上，发达国家普遍利用g i s 技术建立交通信息数据库和公路数据库，通过多 种分析、评价模型，为交通规划提供决策依据。 我国g i s 发展始于8 0 年代初，较发达国家晚了1 5 年左右中间经历了引进、吸收、培训、科 研开发、虑用试点等多个发展阶段目前己逐步在国内众多领域形成了开发与应用g i s 的可喜局面。 在公路交通领域，我国将公路数据库作为国家数据库群中优先开发的数据库之一。1 9 9 1 年5 月， 陕西省交通厅按交通部要求，引入g i s 技术开发地市级( 三级) 公路数据库- 经过三年研究试验，成 功完成系统建立二 ：作，并通过部级鉴定。1 9 9 4 年起，北京市实施了交通部行业联合科技攻关计划， 进行北京市公路管理地理信息系统的研究。上海市公路管理处从1 9 9 9 年开始利用静态g p s 和动 态g p s 差分技术相结合的方式完成了l ：2 0 0 0 的公路电子地图的制作，并以此为依托，开发了部分 公路g i s 应用。2 0 0 0 年。江苏省交通科学研究院与江苏省测绘局台作，在1 ：2 5 万电子地图的基础 上开发了w e b g i s 的“江苏省国道省道地理信息系统”。目前江苏省公路局正在开发基于g i s 的公 路养护管理系统。 值得一提的是武汉捷力软件开发有限公司在自主开发的g i s 平台基础上开发了公路路线平纵面 辅助系统【1 1 ( g i p m6 0f o rw i n d o w s ) 。该系统共分四大部分：数据处理、e d m 模型、平面设计、成 果输出。数据处理：对设计所需的各种数据能方便快捷地输入，并进行计算处理t 对不符合要求的 数据能够自动提示。e d m 模型：通过e d m 模型形成三角网和等高线的图形，使平面设计可建立在 数字地面模型上。平面设计：在短时间内通过动态设计和静态设计功能，可殴计出合理的平面设计 2 方式，系统可在设计界西显示出地形图，以便于设计选线。成果输出：系统以缀台方式设计了十多 种绘图参数，用户可根据自己的意图生成任意比例和不同格式的平面图，根据用户需要平面图可以 按不同的尺寸分张成图或生成连续的带状图。纵断面优化设计：可按优化原理拟出一条合理的设计 坡底线，然后用少量的修改即可设计出符合规范的纵断面设计图，也可直接人工交互纵断面设计。 纵断面绘图输出：纵断面路线各阶段的设计图可自动生成，二：= 十多种绘图参数能实现控制纵横向例， 字体、宽高比、换轴等。平纵面共用同一个数据库，平面数据对纵断面有效，纵断面中修改的数据 对平面也有效。不需要做两次的重复工作，比如说平面资料、构造物等资料。从这四大功能上看， g l p m 软件也是重公路设计轻路线方案评价，由于是自主开发的g i s 平台，功能上也没有专业g i s 软件强大，所以没有真正发挥g i s 的空间分析功能，在路线方案评价的功能并不突出。 今后如何进一步利用g i s 强大的空间分析功能，解决公路规划、可行性研究、路线方案选定等 多目标空间决策问题，充分挖掘已建成公路数据库丰富的信息资源，增强公路基本建设决策的科学 性，提高决策结果的经济效益、环境效益和社会综合效益。这将是一项意义深远而又十分艰巨的研 究任务。 1 1 2 公路路线方案评价的研究现状 目前，国内公路路线方案评价方法的研究可谓方兴未艾，百家争鸣，处于一个迅速发展的阶段。 研究公路及铁路路线方案评价系统，都离不开两个方面，一个是用于评价的评价指标特征值的获取， 评价指标特征值获取的合理性和科学性对评价各路线方案具有重要作用；另一个是评价的模型，即 在有了各种评价指标的基础上如何来合理地评价各个路线方案。因此，可以从以上两个方面来研究 公路路线方案的评价。 评价指标特征值的获取。从科学性的角度来说，应该尽量量化。定量指标的定性评比本身就带 有主观臆断性。分析国内的各种公路路线方案评价系统，发现主要有以下几种评价指标特征值的获 取方法： 专家打分法，对于某个指标由专家对各方案打分“j ： 等级评定法，先对评价体系给出评价等级表，按等级表评定各方案每个指标的等级【3 1 ； 两两二元比较法，一般是评价模型为层次分析法所采取的评价指标特征值确定方式1 4 j p 】； g i s 软件提取指标，通过g i s 软件( 如a r c i n f o 等) 提取评价指标特征值州1 7 j 。 以上四种评价指标特征值的获取方法中，前三种带有较大的主观臆断性，第四种虽有较大进步， 但要使用g i s 软件的空间分析功能，必须有完备的大量空间信息的数据库，以及各种评价指标的图 层。从评价指标特征值的获取方法上看，国内的道路路线多方案评价正在从定性分析向定量分析转 化。评价指标体系也从以前单一从工程经济方面向技术指标、工程经济、社会和环境影响等多方面 发展。 必须说明，评价指标特征值的获取是为整个评价模型服务的。雨对评价系统的优劣起决定作用 是评价系统所采用的评价模型。对各种模型的深入理解有助于为本论文选取最佳的评价模型。 彭超志提出了多目标综合评价方法口】。把公路路线方案评价体系分为经济评价评估、环境影响 评估、方案通过的县( 市) 个数、方案通过的总人口数、方案通过地区的现有经济强度、方案所需 的投资总额等六个方面，整个评价体系总分为1 0 0 分，每个方面给出不同的权值，即： 4 = q 。1 0 0 q = 1 爿。= 1 0 0 ( f = 1 234 ，5 ，6 ) ( 1 1 ) ( 12 ) ( 1 3 ) 式中：4 为多目标综合评价体系第f 方面所占权值；a ，为多目标综合评价体系各方面对综合评 3 委善奎兰霎圭要娄= 一 苎二兰堑鲨 价结果影响的程度；i 为多目标综合评价体系包括的各方面。 构造如下的多目标决策函数： ，( r ) = a ，( f - 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) ( 1 4 ) x r r = 臼，b ，c 方案 v = m a x f ( x )( 1 5 ) 式中：a 。为z 方案多目标综台评价体系中第i 方面的实际得分；v 为最优目标函数。 根据不同方集多目标综合评价结果，其累计积分最高的方案作为最优方案。这种评价模型比较 粗糙，首先评价体系划分太笼统，评价指标还应划的更细；其次，评价体系各方面权重的取值合理 性有待推敲。但这种评价模型较简单，在评价基础资料不完备，评价精度要求不高的情况下不失为 一个简便的评价方法。 不少研究者在路线方案评价中都采用了层次分析法【4 1 【5 】【6 】【7 l ( a n a l y t i c h i e r o r c h yp r o c e s s ，以下 简称a h p ) ，a h p 是由美国t l ，s a a t y 教授提出的一种系统分析方法。这种分析方法适用于结构 较为复杂、决策准则较多且有些准则不易量化的决策问题。这一方法基于对问题的全面考虑，将定 性与定量分析相结合，将决策者的经验予以量化，是比较实用的决策方法之一。 a h p 在复杂的多目标决策问题中被广泛应用。其基本过程如f ： 1 ) 对所分析的问题( 路线最佳方案) 建立层次模型。层次模型分为目标层、准则层、方案层。 目标层是层次模型的最高层。准则层是层次模型的中间层，也是评价指标层，可以把评价指标分成 几层，方案层是评价指标的最低层是几个参评的方案。 2 ) 构造判断矩阵。按层次分析模型自下而上的层次顺序，根据同一层次相应元素中两两因素 对于上层次某个目标的相对比重，构成判断矩阵a 。a 中各元素的取值为相应两个因素( 如z ，x ) 对目标的影响之比，可按s a a t y 提出的标度来定，见表1 1 。假如方案层有p 个方案，指标层有g 个指标，准则层有c 个准则，而目标层只有1 个目标，则公路选线方案综合评价系统可构成g + c 十1 个判断矩阵。 表1 1两元素对比标度 x i i x ) 相等较强强很强绝对强 口 13579 3 ) 层次单排序及其一致性检验。层次单排序是要解算同一层次中相应元素对于上层次中某因 素相对重要性的排序权值。设 。是判断矩阵a 的最大特征值，w 是与五。对应的矩阵a 的特征 向量，则w 经归一化后，即为层次单排序的排序权值。权值是否合理，要进行一致性检验。判断矩 阵a 是一个正互反矩阵。数学上可以证明：如果n 阶正互反矩阵a 是一致阵，则a 的最大特征值 。= n 。因此，可用五和n 构成矩阵a 的一致性指标c i ，c b ( 。一n ) ( n 一1 ) 通常用随机一 致性比率c r 检验判断矩阵a 的一致性程度c r = c i r i 。其中，r i 是s a a t y 采用随机抽样的方法 得出的平均随机一致性指标，见表1 2 。当c r 0 1 时，认为判断矩阵是可接受的，或认为具有满意 的一致性，层次单排序的结果是合理的。否则，应调整、修改相应判断矩阵a 中元素的值，直到 c r 0 1 为止。 4 查重查兰型兰 兰二至竺堡 矩阵阶数n1234 56789 r io 0o 5 8o 91 1 21 2 4 1 3 21 4 l1 4 5 4 ) 层次总排序及其一致性检验。在层次单排序的基础上，计算同一层所有因素对于目标层相 对重要性的排序权值，称为层次总排序。该过程是由最高层到最低层逐层进行的。设上一层a 包含 m 个因素a z ，a ，a 。，它的层次总排序的权值为a ，a ：，a 。；下一层b 包含n 个因素1 3 - ，b z ，b n 。b 层中的某个因素b 。对于a 层中某个因素a j 的层次单排序的权值为b “( 若b ，与 a j 无联系，则记b u = 07 ，则b 层因素b 层次总排序权值为： b ，= q b f( f = l ，2 ”) ( 1 67 j = l 57 层次总排序也要进行一致性检验。设b 层中的某些因素对a 层中某一因素气层次单排序 的一致性指标为c i j t 平均随机一致性指标为趾，则b 层层次总排序的随机一致性比率为： c r = 日，c 1 ，口，r 1 ，( 1 7 7 j = l，j = l 同样，当c r 0 1 时，认为层次总排序具有满意的一致性。层次总排序的结果，就是用a h p 对 公路选线方案综合分析的结果。方案层p 的总排序权值，实质上表示各方案经综合评价后的优劣程 度。 a h p 应用于公路路线多方案评价具有许多优点。首先，a h p 能将复杂评价问题分解成多层多个 简单的指标，而对某个单一指标的评价显然比较容易。其次，a h p 适用于解决有许多评价标准，但 又没有共同的尺度来衡量的决策问题。另外，回答成对比较系数时。采用同等、稍微、相当、非常、 极端等模糊分类，可以减轻决策者的负担。实际上，要严格回答没有明确尺度的因素间的比较系数 是不可能的。a h p 可用于解决因素之间关系不明确，定量分析困难的问题。最后，a h p 可阻解决那 些没有数据或者很难得到数据但又必须作出决策的问题。 尽管a h p 有上述优点，但也存在一些缺点。第一，a h p 的实际应用中广泛使用的是s a a f y 教授 首次提出的卜_ 9 标度。这种标度虽然简便易用，但其在定量人们的判断时准确性存在问题。由于标 度是定量人们定性判断的一种尺度，是反映人们判断意识的一种定量表现，因此它并不仅仅是赋予每 个重要程度的定性表现一个简单的定量数值，而更重要的是其定量值也应符合各个定性的重要程度 之间的相互关系。这是评价标度合理与否的关键之处。第二，判断矩阵是否具有满意的一致性是一 个很重要的问题因为它直接影响到由此判断矩阵得出的排序向量是否能真实地反映比较方案之问 的客观排序。第三，当判断矩阵出现不一致时，如何调整判断矩阵除了一次次尝试外没有较好的 解决办法。第四，有时会出现逆序现象。即当增加一个新方案或某原有方案在某些评价条件发生变 化而进行重新评价时经常出现在第一次评价中相同的两个排序方案，在第二次评价中排序相反了。 第四，不适合多方案综合评价，这是由于当判断矩阵的维数n 7 时，在一致性指标小于0 ，1 的情况一f ， 矩阵一致性未通过率超过3 0 p 】。第五，检验判断矩阵是否具有一致性的判断标准：c r 0 1 缺乏科 学依据，判断矩阵的一致性与人类思维的一致性有显著差异。 也有研究者提出采用模糊决策理论来评价公路路线的方案”j 1 w l i 。模糊数学诞生于1 9 6 5 年，它 的创始人是美国自动控制专家查德( l a z a d e h ) 教授。三十多年来。模糊数学理论发展迅速，应 用“泛。模糊数学理论应用于决策科学的研究正方兴未艾，目前虽然尚未形成理论体系，但在向深 度和广度发展。所用模糊评价模型众多，真是l i 者见仁，智者见智。对于应于模糊决策理论来进行 公路路线的多方案评比，将在第三章中详细论述。 无论评价模型如何变化，一般经过以下几个步骤的： 1 ) 因素分类及建立因素集 u ，= 妙n ，u f 2 ，u 。) ，i = 1 ，2 m( 1 9 ) 其中u u 表示第i 类的第j 个因素，j = l n ，i = l ，2 i t l 。当因素分层较多时还可以以 此再分下去。 2 ) 建立权重集 这时考虑权重，既要考虑各类因素的权重，又要考虑每一类中各因素的权重所以需要建立两 个方面的权重集。 3 ) 建立方案集 由于方案集是各种可能的评价方案组成的集合。因此不论因素分为多少类，方案集只有一个。 4 ) 一级模糊综合评判 此处，所得的级模糊综合评判，就是指按每一类中的各个因素进行综合评判。评判对象为方 案集中的各个方案。经此，每一类因素得到一个隶属度矩阵。 5 ) 二级模糊综合评判 一级评判仅是对每一类中 的各个因素进行综合。还需要 考虑各类因素的综合影响，这 就需要在各类之间进行综合评 判，即再进行一次评判，称为 二级模糊综合评判。 6 ) 应用优选模型得到最 优方案 与a h p 相比，应用模糊决 策理论的最大优点是不需要进 行一致性检验。另外，在模糊 决策理论里评价指标的权重与 指标特征值分别考虑，使得路 线方案评价更加合理。 1 1 3 国外基于g i s 公 路路线方案评价的研究现 状 德国早在兴建勃兰登堡的 o r a n i e n b u r g 市的绕城公路时， g i s 主要用于该项目中必需的 环境协调研究及路线方案的规 划。整个工作包括三个阶段；1 ) 区域调查，2 ) 不同路线方案的 比选，3 ) 最忧方案的确定。 美国在g i s 应于公路路线 方案评价中研究比较广泛。 k a s t e l i c 和z u r a l 9 9 2 年开发了 图1 1路线方案的评价的流程图 6 颦掣婴掣l 一 整二! 丝 一套在危险材料运输线路中选择晟小风险线路的g i s 模型。他们的模型，是根据现有路网的几丽n 特征( 道路宽度、半径和坡度) 、以及 要运输的危险材料的分类来确定条最 优路线。z u r a 和l i p a r 在起点到终点之 间，根据人口、动物区系、植物区系、 土质、水质、空气、气候特征，使用g i s 的空间分析功能来确定最小环境影响的 路线走廊。伊利诺斯州交通运输部门 h a l l 等人使用g i s 来显示被建议公路规 划的相关重要的环境主题。此外， b e n t l e y 和b o g g s 实现了一种根据二个 3 t x n 标准：软土影响和公路征地费用的选线 研究。l a m m 等人( 1 9 9 4 ) 在公路规划 中使用基于g i s 的主题地图来确定最小 环境影响的走廊。g i l b r o o k ( 1 9 9 8 ) 用 一个g i s 工具集曾用来寻找通过乔治亚 州北部的a p p a l a c h i a n 山区南部地区的 一条可行的道路走廊。在这种应用中， 图1 2 基因算法选线示意图 g i s 被用来量化所有可能走廊的环境和工程所需考虑的影响。s a l a hs a d e k 1 等人运用a r c v i e w 和 a u t o c i v l 研究了公路路线方案优选，评价流程如图1 1 所示，整个评价模型分成行政边界、现存道 路、现存设施、地表、土地使用、地形、河溪、地质、土壤、和地下水位等几个图层。其中用a u t o c i v l 进行路基土石方的计算，a r c v i e w 进行空间分析。并应用于黎巴嫩贝鲁特城市地区公路路线的优选， 取得了较好的成果。j y h c h e m gj o n g l j “等人提出了基于基因算法和g i s 的公路初步设计，如图1 2 所示。首先在起终点之间以直线相连，然后按相同的间距以垂线分成n 段，在每一条垂直割线上以 较小的距离分成许多间点，从路线的起点开始，与第一条垂直割线的间点相连组成基因的原始种群， 按区域决策费用、路线长度决策费用、道路使用者决策费用建立起基因算法优胜劣汰的准则，以适 者生存的方式计算到整条路线上的最优方案，最后以曲线连接各段直线。这的确是自动化选线的一 种方式，但由于自动选线过程中涉及因素较多，目前尚在发展之中。这也是路线优化的研究发展方 向。本文只是研究在给定各种路线方案的基础上，对各方案加以评价。 第二节立题背景与意义 t 2 1 立题背景 交通部制定的公路、水运交通科技发展“九而”计划和到2 叭。年长期规划指出：“在大规 模地进行国道主干线系统的建设中，公路规划、可行性研究、勘察设计和现代化的公路管理是做好 系统建设的技术关键。目前影响我国公路设计测设水平和效率的重要因素，依然是没有突破传统的 设计模式和方法，技术含量低，特别是高科技含量不足；为进一步提高规划、设计的效率、质量与 科学性，迫切需要利用计算机技术、电子信息技术和光电技术等高新技术改选规划、设计的传统技 术构成实现公路勘测设计自动化”。尽管我国公路交通部门在“七五”、“八五”期间，对公路航测 电算技术进行了大量研究和试验，开发完成了若干公路路线c a d 系统，但这些c a d 系统功能主要 表现在提高人工拟定路线平、纵设计方案之后的计算、绘图、制表等确定性过程的作业效率和成果 质量上，而在原始设计参数拟定、路线方案选择、设计成果评价与优化等方面，则缺乏对设计者人 机交互式的适时决策支持，对公路勘测设计前期的公路规划、可行性研究，现行c a d 系统则更显 得力不从心。 随着可持续发展战略在我国现代化建设中的全面实施，以及我国公路建设的持续、快速发展， 7 查堕查堂堡圭堕苎 釜二兰堕堡 现代运输系统的最佳设计已不仅仅是要求运行时间最短、工程投资最省或者营运费用最少，而是要 求方面因投资而在运输方面获得良好的经济效益，另一方面则能有效的与其它社会和环境因素相 协调。在这种现代设计思想指导下，公路规划设计中的路线方案选定，除综合考虑地形、地质、水 文等自然条件外，还必须顾及交通量、工程投资及公路使用期内全部使用者费用、环境影响、以及 国家、地方有关用地规划与政策。所有这些尤其是涉及环境影响与道路美学的种种问题，实际上是 很难用明确的数学模型及数学公式给出唯确定的解。 要解决公路可行性研究、公路路线方案比选这类涉及工程、环境、经济等诸因素，而又对公路 投资综合效益有很大影响的空间多目标决策问题，必需从理论依据、决策方法、数据采集、空间模 型分析、支撑平台及3s 技术集成上进行深入探索，这研究课题本身将是一项极为复杂庞大的系 统工程。 1 2 2 课题研究意义 在当前我国增加公路交通基本建设投资，加快高等级公路建设进度的大好形势和机遇下，要合 理利用资金，提离公路建设投资的综合效益，必须在公路可行性研究、路线方案选定这些影响公路 投资综合效益的关键环节上，采用计算机技术，从理论分析和技术手段上进行大力研究探索。本课 题研究对于摆脱目前公路路线方案选定仍不同程度依赖于设计者经验和主观判断的局限性，增强路 线设计方案决策的科学性、规范性，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。同时通过本系统与现行路线c a d 系统、公路数据库的系统集成、将十分有助于充分 挖掘利用和充实己建公路数据库的信息资源，突破现行公路路线c a d 系统框架体系，改革其传统 设计模式和方法。 第三节课题主要研究内容和拟取得的成果 i 3 i 研究内容 本课题的主要研究内容如下： 1 、对各种影响路线方案评价的因素的分类、分层，建立各种单因素地图以便可用于g i s 分析， 同时对各种影响因素建立单因素分析模型： 2 、对路线方案评价数据库进行了初步的探索，提出可用于g i s 分析的数据库。 3 、研究路线方案的综合评价模型。由于路线评比中触及的定量及非定量因素较多，且各因素 间相互有联系。因此纵观国内外路线综合评价模型，没有统一的，通用的模型。国内现行评价模型 首要的考虑问题是_ t 程经济。如今，在公路路线方案评价中越来越注重路线方案的社会和环境因素 的影响。因此，通过1 1 2 的分析，寻找一个较合理的评价模型，是本课题的关键。 4 、结合公路路线方案评价的一些要求，深入研究v i s u a lb a s i c6 0 的开发软件和g i s 软件的二 次开发的各种功能，进行公路路线方案评价软件的开发。 1 3 2 开发手段 a r c i n f o 是美国环境系统研究所( e s r i ) 的代表性产品，它是当今世界上较完整的g i s 系统。 可以采用点、线、面方式和面向对象方式来描述地理世界，采用拓扑数据结构来表达空间关系。具 备医域分割和动态分段技术，满足了多种高级空间分析的要求。支持各种通用的开发集成环境，如 v b 、v c + + 等。其二次开发组件m a p o b j e c t s 价格便宜，且可以完成对选取特征进行属性的更新和查 询及基本统计功能。此外也能实现空间分析功能。与a r c i n f o 相比m a p l n f o 简单易学，价格相对低 廉，但系统数据模型没有拓扑关系，很多空间分析难以进行。其二次开发组件m a p x 不能实现很多 的空间分析功能。另外，由于v b 简单易学。交互性好可以用来开发m a p o j e c t s 。因此，本文选用 甚 东南大学硕士论文 第一章绪论 a r c f l n f o 软件和m a p o b j e c t s 和v b 6 0 作为开发工具。 1 3 3 拟取得的成果 l 、进行公路路线评价指标体系的研究，得到较完善的评体指标体系。 2 、对各指标建立基于g i s 的单因素评价模型，并提出评价的各因素图层的制作。 3 、无论是国内，还是国外的基于g i s 公路路线方案评价的研究者，都没有很好地整合评价指标特 征值的分析和评价模型的计算，都只是把g i s 软件作为评价指标特征值的分析工具，与评价模型相 分离。作者将在研究了以上两个方面的理论后，应用g i s 软件的二次开发工具，开发出一款公路路 线多方案优选的软件，能够在本软件中实现从评价指标特征值的分析，提取，到运用评价模型综合 评价，得到最优方案一系列的过程。实现公路路线多方案评价的自动化过程。 9 东南大学硕士论文 第二章g i s 应用于公路路线方案评价 第二章g i s 应用于公路路线方案评价 第一节评价指标体系 2 ，1 1 公路路线多方案评价考虑的评价因素 公路路线多方案评价是按照一定的评判准则与方法，对被评判对象从其某一方面或多方面的综 合状况做出优劣评定。公路路线的方案评价一般都发生在公路建设项目的丁可阶段。近年来，公路 勘测和设计水平不断提高，业主公路建设资金的相对充足，在初步设计阶段也会选择两个或两个以 上的方案进行同深度的勘测和设计方案比选。在工可阶段做的方案比较考虑的指标因素较粗，各 指标的数量以佶算为主，而在初步设计阶段由于获得较多的勘测数据，各种评价指标的数据精确 度较高。公路等级的高低对评价的要求也是大相径庭。高速公路、一级公路和有特殊要求的公路建 设项目在工可阶段，应作环境影响评价。丽一般的低等级道路只要进行工程经济评价即可。 本文是g i s 应用于公路路线方案评价方面的研究，主要是针对初步设计阶段，已经获得了各种 评价指标的勘测数据的基础上对各方案进行优劣评价。公路路线方案的评价一般从社会、经济、技 术和环境等四个方面展开。社会评价是分析公路对规划区内的社会发展方面的作用和影响。社会评 价的难点在于评价指标的选择与定量计算分析。经济评价是以规划公路的整体的经济效益分析它 是评价工作的主要内容，包括公路建设过程中与之相关各种分项或单项工程的评价。技术评价主要 是从技术方面分析其功效，揭示路线方案实施后的使用质量，判断路线方案的合理性和技术可行性， 从某种意义上讲，路线方案的技术水平的高低，将对公路实旌后的社会与经济效盏起决定作用，因 此技术评价也是公路路线方案评价的一个重要方面。随着我国公路建设的大力发展，人民生活水平 的提高，人们对生存环境的要求也越来越高。要实现交通基础设施建设与环境保护协调发展，就必须 实现综合决策，坚持可持续发展。在联合国环发大会后，可持续发展战略己被大家普遍认可，并成为解 决环境与发展问题的基本原则和指导方针。 函毫 。1 藤鼹豳 图2 i 公路路线多方案评价指标体系 l o 东南大学硕士论文 第二章g i s 应用于公路路线方案评价 分析许多研究者的评价指标体系结合g i s 的特点拟定以下的评价指标( 见图2 1 ) 。一般各种 路线方案评价之前，根据路网规划的结果，都确定好了公路的等级、宽度，路面的结构等标准，而 对路面工程影响最大的是路线长度，故在图2 1 中不再把公路等级、宽度、路面结构放入评价指标 体系中。由于桥梁对不同等级道路影响的重要性并不相同，一般说来，路线等级越高，桥梁的影响 因素相对越小，且桥梁本身的由于桥型及跨径不同，也很难统一起米进行比较，本文中没有考虑桥 梁的评价指标，这也是以后有待深入研究之处。尽管作者尽量考虑各种对路线方案评价有影响的评 价指标，但由于路线方案评价的复杂性，以及不同工程项目评价指标的差异性，要获得一个通用的， 包括所有评价指标的评价体系是困难的。 第二节路线评价专题图层的制作 2 2 1 a r c l n f o 的空间数据 数据是一个g i s 应用系统的最基础的组成部分。空间数据是g i s 的操作对象，是现实世界经过 模型抽象的实质性内容。一个g i s 应用系统必须建立在准确合理的地理数据基础上。数据来源包括 室内数字化和野外采集，以及从其他数据的转换。数据包括空间数据和属性数据，空间数据的表达 可以采用栅格和矢量两种形式。空间数据表现了地理空间实体的位置、大小、形状、方向以及几何 拓扑关系。栅格数据形式是指地理实体使用网格单元的行列作为位置标识符，行与列的数目取决于 栅格的分辨率和实体的特征，是g i s 多种空间图形数据形式之一。栅格数据被广泛地使用在遥感像 片、数字摄影图像以及各种网格化的数据形式。矢量数据描述地理要素的空间特点是通过离散的位 置坐标来表示的。与栅格数据相比，矢量数据能提供精确的位置信息，能更精确地定义位置、长度 和大小。另外，矢量数据存储是以隐式关系以晟小的存储空间存储复杂的数据。 在g i s 中描述地理实体的要素有点( p o i n t s ) 、线( l i n e s ) 、面( p o l y g o n s ) 等。点用来表示那 些实体太小在地图上无法按比例描述的地理要素。如电线杆等；线用来表示那些线状或网络状的地 理要素，如道路，涵洞等：面用来表示那些由一个封闭的多边形包围的区域状的地理要素，如耕地、 河塘、房屋建筑等。在矢量结构中，地理实体用点、线、面来表达，其位置由二维平面直角坐标系 中的坐标来定义。矢量数据结构中的实体用一系列x 、y 坐标来确定它们的位置，地图空间的每一 位置都有惟一的坐标值。 我们不仅需要得出空间实体的空间坐标、长度、面积、高度和体积等描述地物空间尺度的数量 特征，而且还需要得到地物之间的空间联系。图形数据的拓扑结构就是用来描述空间实体的空间联 系。为了轻而易举地实现较复杂的空间分析，应该给计算机提供尽可能多的精确空间关系信息。拓 扑数据模型能够使计算机识别各图形部分闻的实际关系。虽然拓扑数据结构效率很高，但计算机处 理速度的加快和存储设备容量的扩大降低了明确定义拓扑信息的必要性。s h a p e f i l e 是一种新的非拓 扑数据结构，它在数据集中存储地理实体几何信息和属性信息，每个实体的几何特征作为s h a p e 存 储，由一组矢量坐标组成，并与属性相连。s h a p e f i l e 通常比与之对应的拓扑数据结构处理速度要慢， 但在画图和编辑方面速度较快，在处理交迭的和不连续的图形时，减少了存储空间，使文件易于读 写。 2 2 2 评价图层的制作 现在许多公路设计院都采用a u t o c a d 进行公路的计算机辅助设计，且许多勘测设计资料都是 以a u t o c a d 支持的d w g 格式的电子地图。由丁+ 本课题在进行公路路线方案评价时采用的是e s r i 公司的a r c l n f o 软件来实现数据处理的。由于软件a u t o c a d 与a r c l n f o 所能兼容的数据格式不一样， 这就涉及到了数据的转换。a u t o c a d 一般以d x f 格式进行数据交换，其数据格式也已成为了大多 数绘图软件进行数据交换的标准格式之一。a u t o c a d 的文件由多种绘图实体组成，其实体采用坐标 描述，实体间不具备拓扑描述信息。在与a r c i n f o 进行数据转换时，每一种绘图实体都会转换为相 查翌奎兰堡主堡苎 茎三皇鱼竖生旦王坌堕堕丝查塞堡堕 应的叠合层( c o v e r a g e ) 要素( f e a t u r e ) 。可以使用a r c t o o l b o x 中的数据转换工具f c o n v e r s i o nt o o l s ) 来进行d x f 格式的数据向c o v e r a g