（道路与铁道工程专业论文）基于GIS的铁路选线设计应用分析.pdf

摘要 摘要 当前，多数设计单位在实际的勘测设计工作中仍然较普遍的使用单一 c a d 系统。c a d 系统虽然能够满足工程设计中绘制标准工程图时所需的 多种线型、线宽、比例等要求，但是却缺少对信息分析的功能，基本不具 有空间分析能力，设计方案的优劣取舍在很大程度上取决于设计人员的实 际经验和技术水平，在决策支持上仍需完善。 2 0 0 2 年，石家庄铁道学院王明生教授等人研发的”基于g i s 的铁路线 路设计系统”，获省部级奖励。该系统提出将地理信息系统技术应用于铁 路勘测设计系统的思路。该系统能够满足利用c a d 系统进行线路设计的 要求。同时该系统对基于g i s 的铁路线路设计应用分析模型进行了初步分 析，并开发了地质层应用分析程序，但在对铁路线路应用分析模型进一步 分析和空间分析功能实现方面尚待完善。 本文正是针对上述问题，在考察国内外铁路线路设计应用分析模型发 展现状和存在问题以及g i s 空间分析技术的特点和应用现状的基础上，对 线路的设计指标和评价指标进行了深入分析。归纳总结出在铁路选线设计 综合评价中，首先，应对那些能直接从设计信息中获取指标值的指标进行 量化；然后，结合g i s 的空问分析方法完成与线路附近村镇、居民区、 工矿企业的配合度、地质条件、占用耕地情况、拆迁情况、环境影响等评 价指标的量化工作；最后，再对定性描述指标项的属性信息具体描述的思 路。 同时，进一步完善了应用分析模型，列出g i s 的空间分析方法与线路 附近村镇、居民区、工矿企业的配合度、地质条件、占用耕地情况、拆迁 情况、环境影响等评价指标相关的因子量化的关系模型。并总结出利用 g i s 空间分析技术获得线路评价指标的相关因子后，如何实现相应指标的 量化过程。最后在支撑系统的技术支持下，建立了基于g i s 技术的铁路选 线设计应用分析系统，该系统能够精确的实现对铁路线路进行缓冲区分析 和叠置分析，能对影响因素中不同类型的数据，与线路缓冲区进行空间叠 摘婴 置分析，并将分析结果提取出来，所提取的结果经过简单的分析处理即可 量化某些原来难以量化的指标因素，提高辅助选线系统的定量分析能力。 关键词：应用分析模型，指标量化，空i 、b j 分析，缓冲区分析，叠置分析 g i s a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，m o s td e s i g n e r ss t i l lu s es i n g l ec a ds y s t e m si np r a c t i c a l s u r v e ya n dd e s i g n a l t h o u g hc a ds y s t e m sc a ns a t i s f y t h ed e m a n d sf o r d i f f e r e n tl i n e t y p e s ，l i n e w i d t h s a n ds c a l e so fs t a n d a r d d r a w i n g s i n e n g i n e e r i n gd e s i g n s ，t h e y c a n to f f e ri n f o r m a t i o n a n a l y s i sf u n c t i o n ，a n d b a s i c a l l yd o n th a v es p a c ea n a l y s i sc a p a c i t y ，a n di n s t e a do fb e i n gb a s e do na s c i e n t i f i cd e c i s i o n m a k i n g ，t h eq u a l i t yo ft h ed e s i g nt oal a r g ee x t e n td e p e n d s o nt h ep r a c t i c a le x p e r i e n c ea n dt e c h n i q u el e v e lo ft h ed e s i g n e r s i n2 0 0 2 ，i nh i ss t u d yo f “ar a i l w a yl i n e sd e s i g ns y s t e mb a s e do ng i s ”， w h i c hw a sa w a r d e da p r o v i n c i a lp r i z e ，p r o f e s s o rw a n gm i n g s h e n go f s h i j i a z h u a n gr a i l w a yi n s t i t u t es u g g e s t e da p p l y i n gg i st ot h ei n t e g r a t i o no f r a i l w a ys u r v e ya n dd e s i g n w h i l es a t i s f y i n g t h ed e m a n d so fu s i n gc a d s y s t e m si nt h ed e s i g no fr a i l w a yl i n e s ，t h es y s t e mc a r r i e do u tap r e l i m i n a r y a n a l y s i so ft h ea n a l y t i c a l m o d e lo fa p p l i c a t i o no ft h er a i l w a yl i n e sd e s i g n b a s e do ng i s ，a n dd e v e l o p e da na p p l i c a t i o np r o g r a mf o rg e o l o g i c a la n a l y s i s h o w e v e r ，t h e r ea r et w oa s p e c t sn e e d i n gt ob ep e r f e c t e dw i t ht h i ss y s t e m ， i n c l u d i n gaf u r t h e rs t u d yo nt h ea n a l y t i c a lm o d e lo fa p p l i c a t i o no ft h er a i l w a y l i n e sd e s i g na n dt h er e a l i z a t i o no ft h es p a t i a la n a l y s i sf u n c t i o n t h i sp a p e r ，a i m i n ga tt h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，m a k e sad e e p a n a l y s i so nt h ed e s i g n i n ga n de v a l u a t i n gi n d i c a t o r sb a s e do na ni n v e s t i g a t i o n o ft h ep r e s e n ts t a t ea n dp r o b l e m so ft h ea n a l y t i c a lm o d e l so ft h er a i l w a yl i n e s d e s i g n a n dt h ef e a t u r e sa n d a p p l i c a t i o n s t a t eo fg i s s p a t i a la n a l y s i s t e c h n o l o g yb o t hi nc h i n aa n da b r o a d ，i ti sc o n c l u d e dt h a t ，i nt h ec o u r s eo fa c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ，t h ei n d i c a t o r sd i r e c t l yg o tf r o mt h ed e s i g nd a t a s h o u l db ef i r s t l yq u a n t i f i e d ；t h e ns u c hi n d i c a t o r sa st h ea d a p t a b i l i t yo fr a i l w a y l i n e s t o a a j a c e n tv i l l a g e s ，r e s i d e n t i a l a r e aa n di n d u s t r i a l e n t e r p r i s e s ， g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，o c c u p i e da g r i c u l t u r a la c r e a g e ，r e m o v a l o fe x i s t e n t a b s t r a c t b u i l d i n g sa n de n v i r o n m e n te f f e c t s ，s h o u l db eq u a n t i f i e dw i t hs p a t i a la n a l y s i s o fg i s ；a n df i n a l l yt h ei n f o r m a t i o no fq u a l i t a t i v ei n d i c a t o r ss h o u l db e d e t a i l e d a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e rf u r t h e ri m p r o v e st h ea n a l y t i c a lm o d e lo f a p p l i c a t i o n ，a n dg i v e sam o d e lo nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es p a t i a la n a l y s i s m e t h o do fg i sa n dt h eq u a n t i t yi n d i c a t o r ss u c ha st h ea d a p t a b i l i t yo fr a i l w a y l i n e st o a d j a c e n tv i l l a g e s ，r e s i d e n t i a l a r e aa n di n d u s t r i a l e n t e r p r i s e s ， g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，o c c u p i e da g r i c u l t u r a la c r e a g e ，r e m o v a l o fe x i s t e n t b u i l d i n g sa n de n v i r o n m e n te f f e c t s m o r e o v e r ，a f t e ri n d i c a t o r s f o re v a l u a t i n g r a i l w a yl i n e sa r eo b t a i n e dw i t ht h es p a t i a la n a l y s i so fg i s ，t h ep a p e rg i v e st h e p r o c e d u r ef o rt h eq u a n t i f i c a t i o no ft h ei n d i c a t o r s f i n a l l y ，w i t ht h es u p p o r to ft h eb a c k u ps y s t e m ，t h ea n a l y t i c a lp r o g r a mo f a p p l i c a t i o no fr a i l w a yl i n e sd e s i g nb a s e do ng i st e c h n i q u ei sd e v e l o p e d t h e p r o g r a ma c c u r a t e l yr e a l i z e s b u f f e ra n a l y s i sa n do v e r l a pa n a l y s i s b yt h i s m e a n sw ec a nh a v eas p a t i a l o v e r l a pa n a l y s i s f o rd i f f e r e n td a t ao ft h e i n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dt h eb u f f e ra r e ao fr a i l w a yl i n e s ，a n dt h e ng e t t h e a n a l y s i sr e s u l t ，w h i c h ，a f t e r as i m p l ea n a l y s i s ，c a nq u a n t i f yt h ei n d i c a t o r s o r i g i n a l l yd i f f i c u l tt oq u a n t i f y t h u st h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sc a p a c i t yo f t h e a u x i l i a r yr a i l w a yl i n e sd e s i g ns y s t e mi si m p r o v e d k e y w o r d s ：t h ea n a l y s i sm o d e lo fa p p l i c a t i o n ，q n a n t i f i n gi n d i c a t o r ，s p e c i a la n a l y s i s ， b u f f e ra n a l y s i s ，o v e r l a pa n a l y s i s ， 独创性声明 本人声明所呈交的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 获得石家庄铁道学院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。 签名：立坌垒日期：竺! ：! ：z 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签 名：遂一导师签名：善牡f t期：型堕立阜 第一章引言 1 1 选题背景和意义 第一章引言 铁路选线设计是整个铁路设计中一项关系全局的总体性工作，同时它 又是一个集决策和设计于一体的、多因素、多层次的复杂工程系统【。它 作为铁路勘测设计的重要组成部分，其主要任务是提出质量可靠的设计文 件，以保证铁路投资的经济效益i “。 通过对铁路各大设计院及公路设计部门的咨询，了解到当前各个设计 单位在实际的勘测设计工作中仍然较普遍的使用单一c a d 系统。现有 c a d 系统虽然能够满足工程设计中绘制标准工程图时所需的多种线型、线 宽、比例等要求，但是却缺少对信息分析的功能。而铁路勘测部门提供的 勘测信息又往往以图纸、表格、文字等形式为主，内容上定性描述的较多， 这一方面造成设计人员对勘测信息难于准确理解，另一方面造成对勘测信 息处理、利用上的困难。同时勘测信息又是多方位的，现有铁路勘测设计 c a d 系统缺乏对各类信息全面采集、表达、识别和分析的手段，造成设计 方案的优化和综合决策缺乏全面的信息支持。由于受以上条件限制，现有 铁路选线设计c a d 系统基本不具有空间分析能力，设计方案的优劣取舍 在很大程度上取决于设计人员的实际经验和技术水平，在决策支持上仍需 完善【3 j 。 近年来，随着地理信息系统( g i s ) 技术的日渐成熟和普及，为铁路勘测 设计c a d 系统的改进完善创造了条件。国内各铁路设计院和高等院校也 展开了相关研究，其中2 0 0 2 年石家庄铁道学院王明生教授等人研发的“基 于g i s 的铁路线路设计系统”，获省部级奖励。该系统提出将地理信息系 统技术应用于铁路勘测设计系统的思路。系统由铁路线路设计g i s 系统， 交互式选线设计系统和基于g i s 的铁路选线设计应用分析模型系统三大 部分组成。能够实现自动生成数字地面模型、属性数据与图形数据的互动、 交互式铁路选线设计、生成线路纵断面图、横断面图、地质横剖面、地质 第一章引言 纵断面图等功能，并对基于g i s 的铁路线路设计应用分析模型进行了初步 分析，但在铁路线路应用分析模型和空间分析功能实现方面尚待完善。本 论文即在这种背景下产生。 1 2 g is 与c a d 的关系 1 2 1gis 概述 地理信息系统( g i s ，g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是近几年来迅速发 展起来的集计算机图学、几何学、信息学、地理学等多门学科于一体的综 合性高新技术，是一种特定的十分重要的空间信息系统。g i s 处理、管理 的对象是多种地理空间实体数据及其相互间的关系，包括空间定位数据、 图形数据、遥感图像数据、属性数据等，能够为地理研究、综合评价、管 理、定量分析和决策服务1 4 】。 地理信息系统以地理空阳j 数据库为基础，在计算机软硬件环境支持 下，对相关的空间数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采 用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，分析和处理 在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理 问题。地理信息系统( g i s ) 有以下= 三个重要特点1 5 i ： ( 1 ) 具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空问 性和动态性。 ( 2 ) 以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域 空间分析、多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息。 ( 3 ) 由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常 规的或专门的地理分析方法来作用于空间数据，产生有用信息，完成人工 方法难以完成的工作。 1 2 2g 1s 与c a d 的关系 铁路勘测设计企业信息化建设的核心和难点就是勘测设计一体化。铁 路勘测设计“一体化、智能化”系统足应用当代工程测量、航测和遥感计 一2 第一章引言 纵断面图等功能，并对基于g i s 的铁路线路设计应用分析模型进行了初步 分析。但在铁路线路应用分析模型和空间分析功能实现方面尚待完善。本 论文即在这种背景下产生。 1 2g l s 与c a d 的关系 121 g ls 概述 地理信息系统( g i s ，g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是近儿年来迅速发 展起束的集计算机图学、几何学、信息学、地理学等多门学科于一体的综 合性高新技术，是一种特定的十分重要的空间信息系统。g i s 处理、管理 的对象是多种地理空例实体数据及其相互间的关系，包括空问定位数据、 图形数据、遥感图像数据、属性数据等，能够为地理研究、综合评价、管 理、定量分析和决策服务p j 。 地理信息系统以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件环境支持 下，对相关的空问数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采 用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，分析和处理 在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理 问题。地理信息系统( g i s ) 有以下三个重要特点 5 1 ： f 1 1 具有采集、管理、分析和输山多种地理空问信息的能力，具有空间 性和动态性。 r 2 ) 以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域 空间分析、多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息。 ( 3 ) 由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常 规的或专门的地理分析方法柬作用于空间数据，产生有用信息，完成人工 方法难以完成的工作。 1 2 2g ls 与c a d 的关系 铁路勘测设计企业信息化建设的核心和雉点就是勘测设计体化。铁 路勘测设计“一体化、智能化”系统是应刚当代工程测量、航测和遥感计 路勘测设计“一体化、智能化”系统是应用当代工程测量、航测和遥感计 第一章引言 算机辅助设计( c a d ) 、地理信息系统( g 1 s ) 、专家系统( e s ) 、全球定位系统 ( g p s ) 、数据库等领域的新技术、新成果，在计算机软、硬件组成网络环 境下，结合铁路勘测设计各专业而构成的综合性、协同式应用技术体系。 其中“智能化”还是更远的目标，而“一体化”研究已经在各铁路设计院 开展多年，并取得了一系列进展，尤其是c a d 技术的推广成果尤为显著， 大多数专业达到了百分之百，提升了勘测工作效率。a u t o c a d ( 最新版本 为2 0 0 5 ) 是目前普遍使用的c a d 软件基础平台，技术人员广泛熟悉。从航 测制图到线路、地质、桥梁、隧道等各专业都在使用基于a u t o c a d 进行 了二次开发的诸多增值软件i ”。 地理信息系统则是在计算机软硬件技术支持下，对整个或部分地球表 层( 包括大气层) 空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、 分析、显示和描述的技术系统，近年来其理论和应用蓬勃发展，并迅速形 成的一门综合性高新技术。 g i s 和c a d 是计算机软件应用的2 个不同领域，从g i s 和c a d 本身 来看，有许多本质的区别，主要表现在以下几个方面 8 9 1 ： ( 1 ) 与c a d 不同，g i s 所存储和处理的数据，包含了许多地学方面的 特性，包括空间位置、投影方式、地理要素问的关系等； ( 2 ) 与c a d 相比，g i s 有完整的空间和属性数据的管理特性，可以处 理要素的空间定位特征，并将其空间和属性信息有机地结合起来，从空间 和属性2 个方面对要素进行查询、检索和分析； ( 3 ) 在g i s 空间数据存储的基础上，g 1 s 集成许多空间分析工具，生成 点、线、面多边形拓扑，完成包括拓扑叠加、缓冲区、最短路径等典型的 g i s 分析功能； ( 4 ) 与c a d 相比，g i s 一般具有更为强大的图形管理功能，在性能方 面更能适应对大量地图数据进行统一管理； ( 5 ) 与c a d 相比，g i s 软件更注熏与其他g i s 软件之问的数据交换， 在信息传递能力方面，g i s 软件更能保证数据的各种属性的传递，减少数 据丢失。 比较可看出，g i s 技术在空间数据的管理、查询和分析等多方面的优 越性是c a d 技术所不具备的，铁路勘测设计c a d 处理的数据对象大多是 第一章引言 与地理或位置有关的，在现势的地表上通过各种设计流程附加了虚拟的地 理对象( 铁路及附属工程) 。 纵观这些年铁路勘测设计中的c a d 应用，一直注重的是传统设计模 式向计算机上的照搬，从航遥部门数字制图开始到地质、线路、路基等各 专业，工作思路还很大程度上认同于手工纸质图年代的模式和习惯。尽管 大多工作是技术人员看着计算机屏幕完成的，却缺乏有效的数据管理，没 有利用计算机进行深层次的空间数据挖掘，大量信息资源被忽视和埋没 了。从g i s 理念看，可以突破c a d 技术目前仅为了满足生产符合传统手 工设计时代的可视化图纸产品的局限，在一体化中充分使用g i s 成熟的理 论和技术，从整体上提升了勘测设计的信息化水平l 1 。 当然，由于铁路勘测设计是涉及很多专业的十分复杂的系统工程，各 个专业在c a d 设计中有许多不同特点和要求，结合了大量十分专业化的 科学计算工作，g i s 不可能取代各专业c a d 技术。而两者如何有机地集 成起来则是十分有意义的工作。 c a d 是一门空问设计技术，可用于设计地球：g i s 是门空间管理技 术，用以管理地球。二者的集成将形成一个完整的设计和管理地球的工具。 g i s 和c a d 应用集成方式主要有3 种l ： ( 1 ) 数据集成：依赖多种数据转换工具，沟通c a d 软件和g i s 软件的 数据流。目f ； ，流行的g i s 软件都支持d w g 、d x f 和d g n 等常用c a d 软件数据格式。 ( 2 ) 组件集成：组件式g i s ( 也同时包含了c a d 基本功能) 是又一系列 可拆分、可协作、可裁减的g i s 和c a d 组件组成的具有高度伸缩性的软 件平台。它并不是完整的最终应用解决方案，而是构建应用解决方案的工 具集或者开发平台。要结合具体专业应用要求用v c 或v b 等丌发工具编 制应用软件包。如国产的s u p e r m a p0 b j e c t s 就是功能强大的g i s 和c a d 集成组件。 ( 3 ) 软件扩展集成：是将g i s 和c a d 功能紧密结合在一个软件包中， 用户不需要做更多的二次开发工作，就能在c a d 设计的软件环境罩，根 据需要便利地用到g i s 的功能，充分直接管理和挖掘宿主数据，避免了不 同格式数据文件转换时的信息丢失问题。 第一章引言 通过以上比较分析，可知c a d 技术和g i s 技术各有优缺点。c a d 的 专业软件具有强大的绘图功能，能够完全满足铁路勘测设计中工程制图的 需要，但是缺乏空间分析和管理的能力；g i s 的专业软件具有强大的空间 分析和管理多种格式数据的功能，但是不具有绘制标准工程图时所需的多 种线型、线宽、比例等要求。因此，将g i s 技术应用于铁路勘测设计领域， 是铁路勘测设计一体化智能化发展的必然趋势。只有将二者有机的结合在 一起，即在原有a u t o c a d 平台下，引进g i s 的空间分析技术，发挥各自 优势，才能更好的实现铁路勘测设计“一体化、智能化”的目标 6 叫1 1 。 1 2 3g is 技术应用于铁路选线设计应用分析的优势 铁路选线设计中影响线路方案的因素众多，包括地形、地质、水文、 气象、村镇分布、农田、交通、水利设施、环境、经济、社会人文等方面， 这些因素不但具有空间分靠特征，又有属性特征，不但有定量描述的，又 有定性描述的。并且表现形式多样，包括图形、图像、文字、表格等多种 形式| 5 i 。 地理信息系统( g i s ) 是对大量空间数据进行采集、存储、管理、查询、 分析、显示的计算机技术系统，它为解决各种现实问题提供了一些有效的 基本工具【7 。g i s 系统的空间分析方法非常适用于处理铁路线路设计所需 地形、地质、地物、水文等各种数据，利用基于地理信息系统的铁路工程 勘测设计空间数据库和地理信息系统强大的空间分析能力，量化影响选线 设计的各种因素，比如地质条件、与其它设旖配台程度、环境影响程度等， 实现对设计方案进行优化和分析评价，是g i s 用于铁路勘测设计的优越性 的重要体现。 1 3 国内外现状及应用水平 1 3 1 国外应用现状 实现铁路勘测设计“一体化、智能化”。一直是铁路勘测设计工作者 所向往和追求的目标，也是铁路勘测设计工作现代化和自动化的重要标志 第一章引言 p 】。在现有铁路勘测设计系统中引进g i s 技术，把勘测设计中的各种信息 有效的管理起来辅助决策，必然能够建设一个能实现铁路勘测设计一体 化、智能化的系统。 国外地理信息系统( g i s ) 在勘测设计中的应用方法的研究主要分布在 欧洲、北美和亚洲的日本等发达国家。目前，国际上勘测设计一体化智能 化的研究开发主要是在勘测设计中应用网络技术、信息技术、多媒体技术 以及灰色理论、模糊理论和神经网络理论。其中，有代表性的系统有： i n f r a s o f t 开发的应用于意大利都灵米兰高速铁路设计的用于铁路项目的 民用工程设计软件( m xc i v i le n g i n e e r i n gd e s i g ns o f t w a r ef o rr a i l p r o j e c t l 可以进行线路辅助设计，能与a u t o c a d 无缝连接，设定线路的各种参数， 进行铺线设计。 国外在g i s 空问分析功能应用方面，主要是利用g i s 技术对自然地质灾 害和风险进行评估决策。如1 9 9 4 年美国的m a r i om e j i a n a v a r r o 和e l l e n e w o h l ，在哥伦比亚的麦德林地区，用g i s 进行地质灾害和风险评估并进 行灾害分区。1 9 9 6 年美国的m a r i o m e j i a n a v a r r o 等，运用g i s 及工程数学模 型建立了自然灾害及风险评估的决策支持系统，并用于在科罗拉多州的 g l e n w o o ds p r i n g s 地区，此时g i s 技术结合决策支持系统( d d s ) 结合【1 2 _ 引。 通过分析，虽然国外的g 1 s 技术发展相对成熟，但是并未见将g i s 空问 分析技术用于铁路选线设计应用分析的直接报道。 1 3 2 国内应用现状 近年来随着我国铁路勘测设计 理信息系统( g i s ) 、计算机辅助设计、 体化、智能化进程的推进和深入、地 勘测测量技术、信息科学、计算机技 术等多项技术的快速发展，我国在这些研究领域所取得的巨大成就i ”】，为 实现基于地理信息系统建立铁路勘测设计一体化智能化系统的建设实施 创造了良好的条件。 2 0 0 4 年1 2 月，铁道部科技司在京组织召开了“十五”国家科技攻关计 划课题“铁路地理信息系统研究( r g i s l ”验收会。该项目首次提出了全 路地理信息系统总体设计方案，在多层服务架构的网络g i s 丌发、海量空 问数据管理及检索、基于元数据的分布式空间数据共享、异构空间数据融 第一章引言 合、统一数据交换与接口以及智能化空间数据分析与挖掘等关键技术应用 方面进行了大量研究，并在铁路假日运输管理和铁路行车安全预警分析等 系统中得到应用，验收专家组经过认真讨论，一致通过验收，建议继续完 善r g i s 平台软件中铁路业务构件的开发，加快相关技术标准的制定和 r g i s 建设进程。我国在铁路勘测设计方面，g i s 技术主要应用于昆明、成 都铁路局的内昆、渝怀、芝万、滇藏线段 1 ”1 8 i 。各铁路设计院和高等院校 展开了相应的研究工作，其中石家庄铁道学院王明生教授等人研发的基于 g i s 的铁路线路设计系统，2 0 0 2 年获省部级奖励。 通过分析，现有的g i s 系统在线路方面的应用仅限于线路运输方面的 研究。虽然国内已经有基于g i s 的铁路勘测设计系统，但是还没有明确的 将g i s 空间分析用于铁路选线设计方面的系统介绍。 1 4目前的技术基础和存在的问题 本论文的支撑项目为石家庄铁道学院王明生教授等人研发的“基于 g i s 的铁路选线设计系统”，其研发工作已经完成，并获得省部级奖励。 下面对于支撑系统的主要技术内容、成果和系统功能简要介绍f 1 9 l 。 1 4 1原系统的主要技术内容和成果 ( 1 ) 提出了以g i s 技术为基础的线路设计方法，避免了仅以数字地面模 型( d t m ) 为机助设计基础的种种缺陷。 ( 2 ) 给出了线路设计g i s 平台建设的框架和技术要点，即以满足设计要 求的a u t o d e s k m a p 为基础平台，添加地形、地物、地质、水文等g i s 要 素，避免通用g i s 平台设计绘图功能较弱的缺陷。 ( 3 ) 以与线路设计密切相关的工程地质信息、数字地形信息和主要地物 信息等为重点，完成了数据获取、数据存储、数据管理、数据表现和分析 提取等符合专业特点和设计要求的模块设计。 ( 4 ) 用m a p a r x 技术解决了工程地质数据的相关技术问题；用d t m 技 术解决了地形数据管理问题；用g i s 的叠置分析等技术建立了基于g i s 的 线路设计应用分析模型；用o l ed b 技术于a u t o d e s k m a p 空间数据库技 7 第一章引言 术相结合解决数据存储管理问题；用o b j e c t a r x 面向对象的图形交互设计 技术解决了线路设计技术问题。 ( 5 ) 基于g i s 平台，生成线路纵断面图、横断面图、地质横剖面、地质 纵断面图。 ( 6 ) 系统设计成果完全达到了初步设计阶段的设计要求，输出图表规 范，并预留与相关专业的接口。 1 4 2 原系统的主要功能 ( 1 ) 系统在初始化时提供初始化向导，引导用户实现系统的初始化设 置，设置内容完整，设置方法简便。 ( 2 ) 建立数字地面模型及高程内插。 ( 3 ) 地质地物等g i s 数据要素的输入与管理。 ( 4 ) 平面交互式设计。 ( 5 ) 内插纵断面地面高程。 ( 6 ) 自动生成设计坡、交互式修改设计坡。 ( 7 ) 查看路基横断面。 ( 8 ) 平纵断面对比显示与同步修改。 ( 9 ) 自动交互式设置桥、隧、涵工程。 ( 1 0 ) 平面、纵断面设计的违规检查。 ( 1 1 ) 行车时分计算与通过能力检算。 ( 1 2 ) 工程数量计算。 ( 1 3 ) 运营投资与运营费计算。 ( 1 4 ) 平面、纵断面地质成图。 ( 15 ) 生成初步设计线路平面图、纵断面图。 ( 1 6 ) 选线设计分析。 ( 1 7 ) 接口数据。 该系统实现勘测设计信息的可视化和自动化制图。能以直观的形式使 用户形象的阅读、理解信息并交互作用；系统能按照用户要求，输出符合 规范的图纸。实现多元数据集成，即对于格式多样的勘测设计数据和g i s 数据格式，能够提供良好的支持。在g i s 空间数据管理设计方面，已经 一8 一 第一章引言 实现很好的实现了属性数据与图形数据的互动，即在属性数据或图形数据 发生变化时，与之联系的图形数据或属性数据的相关值应及时更新。 但是支撑系统在研究基于g i s 的专业应用分析模型，及空间分析功能 实现方面，还尚待完善。因此本论文在这个项目的基础上，针对铁路选线 设计中选线影响因素信息分析子模块继续深入研究，力图进一步完善基于 g i s 的专业应用分析模型和铁路选线空间分析功能的实现。提高辅助选线 系统的定量分析能力。 1 5 本论文研究的目标和内容 1 51 主要目标 系统目标是在原有基于g i s 的铁路线路设计系统的基础上，根据铁路 选线应用分析模型的需要，开发基于矢量数据的缓冲区分析、叠置分析和 距离求算等空间分析功能，提高辅助选线系统的定量分析能力。 1 5 2 本文研究的主要内容 本论文拟就基于g i s 的铁路选线设计应用分析子系统的以下四个方 面的内容进行探讨： 一、分析完善专业应用分析模型： 二、系统总体设计； 三、系统主要功能设计； 四、系统丌发。 根据铁路线路方案评价指标体系，可以基于地理信息系统获取以下几 个方面的影响信息：社会效益方面的，如与其他建设的配合程度、沿线生 态环境的影响等；经济方面的，如拆迂量、占用耕地数量、桥隧长度、工 程造价等：工程条件上的，如不良地质地段等。 它们对铁路选线的影响程度可以通过分析以下三种关系来获取： 与铁路线路或车站距离。如求出村镇、居民区、工矿企业与车站的 距离来评价铁路对当地经济发展的影响； 9 一 第一章引言 与铁路建筑物的相交关系。如计算铁路地界内的耕地面积等； 与铁路建筑物的包含或邻近关系。如分析铁路线路与不良地质的包 含或邻近关系来决定选线是否合理，分析铁路线路与居民区的邻近关系决 定是否需要拆迁等。 1 5 3 本文系统的功能设计 本系统虽然是以原有基于g i s 的铁路线路设计系统为基础的，但作为 一个子模块系统还是应该具有一定的独立性。主要功能设计如下： ( 1 ) 自动绘制线路中线功能。通过平面计算可由设计单位的设计原始数 据自动绘制线路中线，为后继分析提供相关数据和视图基础。 ( 2 ) 线路缓冲区分析功能。在这项功能中用户可以根据需要输入不同的 缓冲区半径，得到线路相应的缓冲区范围。 ( 3 ) 线路叠置分析功能。在这项功能中，系统又针对影响信息的不同特点 分点叠置、线叠置和面叠置三类分析功能，并可以分别实现对分析结果的视图 显示和详细信息提取。 基于g 1 s 获取影响铁路选线设计的各种因素的信息，可提供以下信息 服务功能： 可以供设计人员在设计过程中查询、统计、分析影响铁路选线设计 的影响信息，作为方案优化或综合评价的一项指标； 在交互设计过程中对控制线路走向的不良地质、特殊地质等灾害性 地质或重点设旌等必须绕避的控制点给设计人员发出设计警告信息。 1 5 4 本系统的技术开发路线 明确了系统要实现的目标和研究内容，确定了系统要完成的任务，选择好 了实现的方法后，下一步就要着手进行系统的开发。本系统的开发按照以下几 个步骤来进行： ( 1 ) 建立系统的工作环境。系统以a u t o d e s k 公司的计算机辅助设计 软件a u t o c a d 为系统运行平台，以o b j e c t a r x 2 0 0 0 为系统丌发工具，以 m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 为程序设计工具。 一l o 第一章引i ( 2 ) 数据准备。任何一个具有g i s 功能的系统，都离不开空问数据。对 于本系统来说，原始的空间数据应该是由基于g i s 的铁路线路设计系统提 供的铁路选线设计地质数据库。由于时间的原因，系统没有设计好完善的 与基于g i s 的铁路线路设计系统的接口程序，因此空间数据作者假设数 据，并由手工绘制实现，它们是与原系统的地质数据库中所提供的地质信 息相一致的点、线和面实体。对于线路平面图，采用设计单位提供的初步 定线资料中提供的基本线路要素数据，利用a u t o c a d 软件经过运行二次 开发程序绘制。属性数据获取，如本文1 4 节所述在基于g i s 的铁路线路设 计系统中已经能够提供详细的以关系模型组织的属性数据。故在本系统 中，将其保存在a c c e s s 数据库中，各种实体的属性数据均以实体名称简 略表示，在显示空间分析结果时，从数据库中提取。 ( 4 ) 完成线路平面计算。作为相对独立的子系统，获取的原始数据只有 线路起始点大地坐标及里程，线路各个交点的大地坐标、缓和曲线长、圆 曲线半径。必须通过线路平面计算获得，线路各个主点的坐标、里程、转 角，从而得到整个线路的平面数据信息，为以后的空间分析提供数据基础。 ( 5 ) 自动绘制线路中线，并标注线路里程( 百米标) 和各交点要素。线路 平面图是后面空间分析的视图基础，所以要根据上面得到的整个线路的平 面数据信息编制程序，实现自动绘制线路平面图。 ( 6 ) 对线路进行缓冲区分析。根据线路平面计算结果，结合地形情况、 线路标准和分析对象，确定线路缓冲区宽度，利用g i s 的缓冲区分析，建 立铁路带状缓冲区模型。 ( 7 ) 对线路影响因素进行叠置分析。包括对点、线、面三种类型影响因 素的叠置分析。这部分也是全文的重点，将在后面第三章中详细介绍。 ( 8 ) 提取影响信息空间分析结果。根据影响因素的类型特点，提取不同 的分析结果。 ( 9 ) 系统的综合测试。这个阶段的关键任务是通过各种类型的测试使软件达 到预定的设计目标。如果测试没有达到预定目标，就要继续修改设计，直到目 标完全实现。 ( 1 0 ) 系统维护与升级。和微软公司的w i n d o w s 操作系统一样，任何一个 软件开发都是一个逐步完善的过程，也就是通过对系统的维护来完成的。 第一章引言 首先，本系统在维护系统过程中，将不断改正软件使用过程中发现的 软件错误，解决系统综合测试阶段没有发现的问题。其次，外部环境不断 变化，用户的要求越来越高，或者又有了新的要求，因此，本系统也要适 应环境、适应更多更高要求而不断完善。同时，任何一个系统一旦运行就 必须存在维护活动，因此，还应当将一切维护活动都准确记录下来，以便 修改软件为将来的维护活动做准备。 一1 2 一 第二章基于g i s 的铁路选线设计应用分析模型 第二章基于g is 的铁路选线设计应用分析模型 铁路选线设计是整个铁路设计中一项关系全局的总体性工作，同时它 又是一个集决策和设计于一体的、多因素、多层次的复杂工程系统。传统 的选线方法是根据收集的勘测资料，在地形图上初步选定线路的位置，经 实地勘察，反复修改、比选以确定一个最佳方案。从影响线路方案的因素 来看，包括地形、地质、水文、气象、村镇分布、农田、交通、水利设施、 环境、经济、社会人文等方面，这些因素不但具有空间分布特征，又有属 性特征，不但有定量描述的，又有定性描述的：从这些影响因素的表现形 式上看，包括图形、图像、文字、表格等形式面对如此庞大、多样的资 料，设计人员要综合评价比选，确定一个最优方案是非常困难的。传统的 评选方法是在经济上追求换算工程运营费最省，并结合对各方案的技术条 件、社会作用和环境影响等定性因素的分析，得出最佳方案。这种方法在 方案较多，且各个方案的定性指标特征值出现交叉，各有所长，经济上又 差别不大的情况下，很难确定出一个较优方案，而且该方法不能将技术经 济定量指标和社会环境影响定性指标综合起来评价【6 】。 利用基于地理信息系统的铁路工程勘测设计空间数据库和地理信息 系统强大的空间分析能力，建立铁路选线分析模型，对设计方案进行优化 和分析评价，并作出科学决策，是g i s 用于铁路勘测设计的优越