（道路与铁道工程专业论文）GIS技术在公路路线方案比选中的应用.pdf

， ： 摘要 摘要 地理信息系统是处理地理数据的输入、输出、查询、分析和辅助决策的计算机系 统，它在近四十年的时间内取得了惊人的发展，并广泛应用于资源调查、环境评估、交 通安全、公共设施管理等领域。 道路选线是一个影响因素多、技术复杂的重要环节，它涉及到政治、经济、国防、 技术、环境等诸多因素的影响。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 是非常重要的环节。选线工作的进步依赖于新技术的发展，随着计算机技术和应用数学 的发展，利用最优化理论的数学方法，由计算机自动寻找最优设计方案。 本文系统研究了地理信息系统的基础理论，对地理信息系统的功能做了深入的分 析，并以g i s 技术为平台，对自动提取公路选线方案的评价指标信息进行系统研究。在 路线方案比选过程中，本文拓宽了路线方案比选的评价指标的范围，除了考虑工程造价 和技术标准外，还把生态效益和社会效益融入到评价体系当中。同时基于层次分析法的 基本原理，结合公路选线所涉及的各个影响因素，提出了公路选线多方案综合评价模 型，并应用层次分析法实现公路选线多因素的综合分析及多方案的综合比选。最后，通 过对试验路段进行路线方案比选，验证了该法的可行性和实用性。 关键词公路选线、地理信息系统、数字地面模型、层次分析法、方案比选 东北林业大学硕二 ：学位论文 a b s t r a c t g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mi sac o m p u t e rs y s t e mf o rc a p t u r i n g ，d i s p l a y i n g ，q u e r y i n g ， a n a l y z i n ga n da s s i s t a n td e c i s i o n m a k i n go ng e o g r a p h i c a l d a t a i th a sm a d es u r p r i s i n g d e v e l o p m e n ti nt h el a t e s t4 0y e a r s g i sh a sb e e nw i d e l yu s e di na r e a ss u c ha sr e s o u r c ep r o b e ， e n v i r o n m e n te v a l u a t i o n ，t r a f f i cs a f e t y , p u b l i cf a c i l i t ym a n a g e m e n t ，e t c t h es e l e c t i o no fh i g h w a yr o u t ei sa ni m p o r t a n tl i n kb e c a u s eo fm a n yi n f l u e n c ef a c t o r sa n d c o m p l e xt e c h n o l o g i e s i ti n c l u d e sp o l i t i c s ，t h ee c o n o m y , t h en a t i o n a ld e f e n s e ，t h et e c h n o l o g y , t h ee n v i r o n m e n ta n dm a n yo t h e rf a c t o r s i ti sa l s oc o m p l e xa n dd i f f i c u l tf o ru st os e l e c tt h eb e s t h i g h w a yr o u t eb e c a u s eo fa l lk i n d so ff a c t o r s b u t ，t h er o u t ep l a na l s od i r e c t l ya f f e c t st h e q u a l i t yo fi t e m so fc o n s t r u c t i o n ，t h ei n v e s t m e n ta n dt h eo p e r a t i o nb e n e f i t ，i ta l s oa f f e c t st h e r o a db e d ，t h er o a ds u r f a c ea n dt h eb r i d g e s t h e r e f o r e ，r o u t es e l e c t i o ni sav e r yi m p o r t a n t l i n k t h ew o r ko fr o u t es e l e c t i o nr e l i e so nt h en e wt e c h n i c a ld e v e l o p m e n t g oa l o n gw i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h ea p p l i e dm a t h e m a t i c s ，u s em a t h e m a t i c sm e t h o do f o p t i m i z e dt h e o r yt os e e kt h em o s ts u p e r i o rd e s i g np l a na u t o m a t i c a l l yb yt h ec o m p u t e r i nt h i st h e s i s ，t h eb a s i ct h e o r yo fg i si sr e s e a r c h e df r o mm a n ya s p e c t ss u c ha st h e f u n c t i o no fg i s b a s e do ng i s ，o b t a i n i n gt h ei n f o r m a t i o no fi n d e x so fh i g h w a yr o u t e ss e l e c t i o n p l a n si sr e s e a r c h e d ，t o o i nt h es e l e c t i o np r o c e s s ，e x p a n d i n gt h ei n d e x so fh i g h w a yr o u t e s s e l e c t i o np l a n si ss t u d i e d i na d d i t i o nt oh i g h w a ye n g i n e e r i n gs t a n d a r ds p e c i f i c a t i o n sa n d p r o j e c tc o s t ，e c o l o g i c a lb e n e f i ta n ds o c i a lb e n e f i ta r ea l s oc o n s i d e r e d t h eb a s i ct h e o r yo f a n a l y s i sh i e r a r c h yp r o c e s si sr e s e a r c h e d ，a n da n a l y s i sh i e r a r c h yp r o c e s si su s e dt or e a l i z et h e m u l t i f a c t o r s s y n t h e t i ca n a l y s i s a n dc o m p a r i n gp l a n s i nt h el a s t p a r to ft h i st h e s i s ，t h e f e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h i sa p p l i c a t i o ns c h e m e a r ep r o v e dt h r o u g ht h ee x a m p l e k e y w o r d sh i g h w a yr o u t e ss e l e c t i o n ；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 ；d i g i t a lt e r r a i n m o d e l ；a n a l y s i sh i e r a r c h yp r o c e s s ；p l a n sc o m p a r i s o n 1 1 1 绪论 1 绪论 7 1 1 地理信息系统简介 1 1 1g i s 定义 地理信息系统( g e o 伊a p h i cl i l f o m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是计算机科学、地理学、测 量学和地图学等多门学科的交叉，它是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方 法适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系 统【1 1 。 从表现形式来看，g i s 表现为计算机软硬件系统，其核心是管理、计算、分析地理 坐标位置信息及相关位置上属性信息的数据库系统。它表达的是空间位置及所有与位置 相关的信息，所以，g i s 又是地球空间实体的再现和综合，其信息的基本表达形式是各 种二维或三维电子地图。因此，g i s 也可简单定义为“用于采集、模拟、处理、检索、 分析和表达地理空间数据的计算机信息系统”【羽。 地理信息系统区别于其他管理信息系统的最主要特征，是它具有管理地理空间数 据，并能按照其在实际空间的相对位置关系对之进行处理分析的能力。它对地理空间数 据的这种处理分析功能，组成了地理信息系统实际应用的主要方面。 1 1 2g i s 数据特点 在计算机中，g i s 是用数字来描述地理实体( 或称为“地理对象”) 的。地理实体在 g i s 中的这种数字组织与表达形式，即g i s 的数据模型。 在g i s 中，用于表示地理对象位置、分布、形状、空间相互关系等信息内容的数 据，被称为“空间数据”；而表示与空间位置无关的其他信息，如颜色、质量、等级、 类型等信息的数据，被称为“属性数据 。一般来讲，前者有复杂的数据结构，而后者 有丰富的数据形式。 目前，表示地理对象空间特征的数据，主要有两种数据模型即矢量数据模型和 栅格数据模型，而地理对象属性数据的表示，则随其对应的空间数据模型的不同而有所 不同，详见图卜1 。 g i s 中的地理数据 ( 1 ) 矢量数据模型 空间数据 磊惹萋嚣簇篓 【属性数据 磊蓑萋芸二二望；薹蓑篓 图1 1g l s 数据模型 东北林业大学硕二l 学位论文 矢量数据模型是g i s 主要的数据模型之一。类似于矢量地图，g l s 的矢量数据模型 也是用点、线( 或称“弧”) 、面( 或称“多边形 ) 三种主要的图形元素来抽象表示地理 对象的。由于面( 多边形) 是线( 弧) 所围成的区域，线( 弧) 又是点的有向序列，所以，坐 标点是矢量数据模型最基本的数据元素。g i s 的矢量数据模型，就是以坐标点的方式， 记录抽象的点、线、面地理实体。 从理论上说，矢量数据描述的是连续空间，因而它能精确地表达地理实体的形状与 位置，又可以通过点、线、面三种基本图元之间的联系，构筑地理实体及其图形表示的 邻接、连通、包含等拓扑关系，从而有利于地理信息的查询、网络路径优化、空间相互 关系分析等地理应用1 4 j 。 g i s 的矢量数据模型可以用相对较少的数据量，记录大量的地理信息，而且精度 高，制图效果好。在地理信息系统发展早期，受计算机存储能力及计算速度的限制，它 扮演了更为重要的角色。 ( 2 ) 栅格数据模型 栅格数据就是用数字表示的像元阵列。其中，栅格的行和列规定了实体所在的坐标 空间，而数字矩阵本身则描述了实体的属性或属性编码。 栅格数据是计算机和其他信息输入输出设备广泛使用的一种数据模型，如电视机、 显示器、打印机等的空间寻址，甚至专门用于矢量图形的输入输出设备，如数字化仪、 矢量绘图仪及扫描仪等，其内部结构实质上也是栅格的。 栅格数据最显著的特点就是存在着最小的、不能再分的栅格单元，在形式上通常表 现为整齐的数字矩阵，且便于计算机进行处理，特别是存储和显示。 此外，栅格数据存在着的“最小数据单元”，非常适宜于地理信息的“模型化 。因 为无论怎样复杂的模型算法，在一个栅格单元内就成了纯粹的属性运算。随着计算机 硬、软件技术的发展与突破，栅格数据占用存储空间大、图形数据精度差等缺点对一个 实际运行的应用系统来说己不是很重要，利用它可以解决许多复杂的实际应用问题1 4 j 。 近年来，许多研究者在探索一种矢量一栅格一体化的数据模型，以实现这两种数据 模型的统一。但这一探索目前仍处于研究阶段，其真正实现还有待时日。 栅格和矢量是两种表达空间事物的基本模型，表1 1 对栅格和矢量两种数据模型进 行比较。 ( 3 ) 属性数据及其表示 g i s 中地理对象与位置、分布、形状等空间信息无关的特性用属性数据来表示。在 矢量数据模型中，空间数据的单元是抽象化的点、线、面数据对象，其属性数据的具体 内容，一般要比空间数据灵活，原因是其在很大程度上依赖于系统设计对属性数据的内 容和处理要求。如“道路 属性的描述，可以有名称、起点、终点、长度、路宽、路面 性质、路面等级、林荫带的有无、最大容许车速等等。这些属性数据，对于不同的信息 系统有着各种选择的灵活性。如对于路线设计系统来说，这部分内容都是必需的，甚至 还要补充；而对于通讯信息系统来说，以上数据信息未必都是必需的。另外，对于同样 1 绪论 是“线 实体的河流来说，属性数据又有更大不同。所以，同是点、线或面的空间数据 表1 1矢量模型与栅格模型的比较 类型，其属性数据会千差万别。 属性数据这种随应用而变化的随意性，决定了它不可能有统一的数据格式，因而从 数据结构角度也难以建立各数据项之间的彼此联系，所以，g l s 矢量数据模型下的属性 数据，一般处理为“属性向量”形式即将各属性项看作是彼此无关的独立量，见表 l 一2 。 表1 2g l s 的属性数据模型 属性l属性2属性3 属性n 至于栅格数据，由于数据单元对应的是区域空间，所以要表示区域空间内地物的属 性，就只能对整个区域空间使用一种属性类的划分，这就是该栅格阵列的内容或“主 题”。栅格数据这种以“主题”命名属性类别的方法我们称之为“主题模型”。也就是 说，一个栅格矩阵单元对应一种属性主题，如d e m 、地面坡度和坡向、土地利用类型 等等，至于每一个栅格单元的具体内容，不过是同一主题下的不同取值罢了1 4 】。 ( 4 ) 空间数据与属性数据的连接 在g i s 的矢量数据模型中，由于空间数据和属性数据采用了完全不同的数据结构模 式，因此，为了实现空间数据对象与其属性数据的统一，就必须将两者连接起来，这一 般通过一个共同的内部标识来实现，通常命名为i d ( i d e n t i t y ) 号，如表卜3 所示。 表1 3 空间数据与属性数据的连接 1 1 3g i s 的功能 ( 1 ) 制图功能 这是g i s 最重要的功能之一，g l 的综合制图功能包括专题图制作，在地图上显示 出地理要素，并能赋予数值范围，同时可放大缩小以表明不同的细节层次。g i s 不仅可 以为用户输出全要素图，而且可以根据用户需要分层输出专题地图以显示不同要素、活 动位置，或有关属性内容，例如城市交通图、植被分布图等等。 ( 2 ) 数据的操作与处理功能 东北林业大学硕二e 学位论文 地理信息系统属空间型数据库管理系统，但它同样具备一般数据库管理系统所具有 的数据输入、存储、编辑、查询、显示和输出等基本功能，另外为了满足各种用户的要 求，还能对数据进行一系列的操作运算与处理。主要操作包括坐标变换、投影变换、空 间数据类型的转换、地图边缘匹配等；主要的运算有算术运算、关系运算、逻辑运算和 函数运算等；其输出结果可以是数据、数据库表格、报告、统计图、专题图等多种形 式，实现所见即所得的目的。 ( 3 ) 空间叠置分析 空间叠加就是将两个或多个图层以相同的空间位置重叠在一起，经过图形和属性运 算，产生新的空间区域的过程。叠加的每幅图层称为一个叠置层，每个叠置层带有一个 将用于综合运算的属性，一个叠置层反映了某一方面的专题信息。叠加中的图形运算的 复杂程度视数据结构的不同而有所不同。栅格数据由于已是对空间的规则划分，所以没 有空间图形的运算，因为各个栅格的位置、大小对叠置层都应该是一致的。相比之下， 矢量图的叠加就要复杂得多，这种复杂性来源于对空间线划相交的判断与计算，以及空 间对象拓扑结构的重建等。由于矢量数据的图形精度高于栅格数据的精度，所以，矢量 数据叠加的结果一般也优于栅格数据叠加的结果。1 3 1 空间实体有点、线、面三种基本类别，叠加运算一般是在面状数据层之间或点、线 要素数据层与面状数据层之间进行的，极少数情况也涉及到点一线的叠加操作。 ( 4 ) 缓冲区分析 缓冲区是以某类图形元素( 点、线或面) 为基础拓展一定的宽度而形成的区域。缓冲 区操作是为达到某种目的而进行的一系列空间分析中的一部分，其数据可能来源于其他 分析结果，其成果也能为进一步的分析提供数据。此外，缓冲区操作可以以矢量数据结 构为基础进行，也可以以栅格数据结构为基础进行。栅格数据的缓冲区操作具有相同的 规律，只是运算更为简单，并且具有明显的扩展特色。 ( 5 ) 网络分析 对地理网络进行地理分析和模型化，是地理信息系统中网络分析功能的主要目的。 网络分析是运筹学的一个基本模型，它的根本目的是研究、筹划一项网络工程如何安 排，并使其运行效果最好。这类问题在生产、社会、经济活动中不胜枚举，因此进行网 络分析研究具有重大意义。 所谓网络( n e t w o r k ) 是指线状要素相互连接所形成的一个线状模式，如道路网、公 交网等。网络的作用是将资源从一个位置移动到另一个位置。资源在运送过程中会产生 消耗、堵塞、减缓等现象，这表明网络系统中必须有一个合理的体制，使得资源能够顺 利流动。 。 网络功能用于模拟那些难以直接量测的行为。一个网络模型中，实际的网络要素由 一套规则和数学函数描述。而基于空间信息系统的空间网络分析则往往是将这些规则及 数字上的描述通过某些形式转换到空间及属性数据库中，以便于运算。 网络分析是在线状模式基础上进行的，线状要素间的连接形式十分重要，而这种连 1 绪论 接以矢量数据结构描述最好，因而一般系统中的网络功能都以矢量数据来实现。 网络分析的形式有多种，常用的三种功能为：网络负荷预测、线路优化( 最优路径) 和资源分配。1 ) j ( 6 ) 地形分析 地形分析是地形环境任知的一种重要手段。从地形分析的复杂性角度，可以将地形 分析分为两类：一类是基本地形因子( 包括坡度、坡向、粗糙度) 的计算；另一类是复 杂的地形分析，包括通视分析、地形特征提取、水系特征提取、水文分析、道路分析 等。这些地形分析的内容与地形模型是紧密相关的。不同结构的地形模型对应的地形分 析方法也不同，如基于规则格网的地形分析与基于t i n 的地形分析，以及基于等高线的 地形分析在算法与处理上都不同。 ( 7 ) 三维分析 三维信息是二维平面信息向立体方向的扩展，日常人们所见的地形起伏，高耸的建 筑物等都是三维的概念，它们是现实世界的真实体现。从测绘的角度讲，地形图纸是一 个平面，它不能直观描述真实世界的三维景观，于是只能在测绘图上间接地表示出来， 如用等高线方式描述地形的起伏状况，用层数标注来大体说明建筑物的高度等等。在 g i s 技术中提供两种模型描述三维信息。【3 】 数字地形模型( 简称d t m ) 数字地形模型，通常定义为描述地面特征空间分布的有序数值阵列。其坐标空间用 x ，y 或经、纬度来定义，地面特征可以是地貌、土壤、土地利用、土地权属等等。 d t m 可以是每三个坐标值为一组元的散点结构，也可以是整体的数字阵列，或由多项 式或傅里叶级数所确定的曲面方程。 数字地形模型是对区域地理空间数据描述的基本形式和手段之一，是进行地理空间 分析的基础数据。 数字高程模型( 简称d e m ) 将数字地形模型的地面特征用于描述地面高程，这时的d t m 被称为“数字高程模 型”，简称d e m 。数字高程模型是建立各种数字地形模型的基础，通过d e m 可以方便 地获得地表的各种特征参数，其应用可遍及整个地学领域。 随着对二维平面数据结构及其分析方法研究取得比较成熟的成果，对三维方法的研 究势在必行，三维分析功能也逐渐成为地理信息系统功能的一个重要组成部分。 ( 8 ) 空间统计分析 空间统计分析的主要方法包括：常规统计分析、空间自相关分析、回归分析、趋势 分析、专家打分模型等。 - 1 2g i s 技术在公路选线中的应用现状 地理信息系统应用到公路行业的历史并不长，但是它的发展速度却非常惊人。目前 国外已经很好地把地理信息系统技术运用到公路中，如加拿大曾经成功地运用地理信息 1 绪论 理，结合公路选线所涉及的各个影响因素，提出基于g i s 技术的公路选线多方案综合评 价模型，包括应用g l s 技术提取公路选线方案的评价指标信息，应用层次分析方法实现 公路选线多因素的综合分析及多方案的综合比选。最后，通过对试验路段进行路线方案 比选，验证了该法的可行性和实用性。 东北林业火学硕二l ：学位论文 2 数字地面模型与公路设计 公路设计离不开地形资料。利用计算机进行公路设计，就要让计算机认识地形图和 处理地形资料，为此必须用数字的方式来表示地形。数字地面模型( d t m ) 就是把测量重 点从一条已知的平面线形扩大到路线平面线将要通过的具有一定宽度的带状地面区域 内，建立带状数字地面模型。在数模建立的基础上，采用一种数学内插方法，把这种地 形信息拟合成一个表面，以便在公路设计时根据已知点的坐标计算出它的高程来。 数模与航测、路线计算机辅助设计相结合，将形成覆盖数据采集与处理、路线设计 与计算及设计图表输出的完整的设计全过程的路线设计一体化系统，这是道路勘测现代 化的发展方向。图2 1 为采用数模与常规测量进行公路设计的作业过程示意图【9 j 。 ( 可反复使用) 图2 - 1 采用数模与常规测量进行公路设计的作业过程示意图 2 1 数字地面模型的建立 建立数字地面模型一般要经过地形数据采集、数据预处理、原始数据的排序与检 索、待定点的高程内插等主要过程。具体步骤如下： 2 1 1d t m 地面点数据采集 目前实用性较强的数据采取方法主要有：野外实测、地形图数字化和摄影测量等三 种。野外实测是利用带记录装置的全站式速记仪在野外实测地形数据；这种方法劳动强 度大、采样效率低。地形图数字化通常是采用数字化仪对现有地形图等高线进行跟踪输 入；这种方法实用性强、工作效率高。摄影测量是利用航天摄影测量或地面立体摄影像 对，借助某种摄影测量仪对由立体像对恢复的光学立体模型进行测量，从而获得地形数 据；这种方法效率高、自动化好，能在室内直观地观察地表形态，但是成本较高。 2 1 2 地形数据预处理 其目的是将各种途径采集到的格式各异的原始地形数据，转换成有统一的坐标系、 统一的数据格式与编码形式的地形数据文件，并进行查错、改错、数据压缩等处理。然 后，根据路线大致走向，考虑到带状区域建立数字地面模型的需要和数模之间的接边要 求，将整个地形原始数据经旋转、平移至全线统一的数模坐标系中，供建立沿线走向的 带状数字地面模型连续调用【l o j 。 2 数字地面模型与公路设计 2 1 3 地形数据排序与检索 原始数据经过预处理后已转换至以路线走向为主方向的数模坐标系中，然后沿路线 走向可设置一个较大的数组，而横向则根据路线两侧的数据采用范围确定数组大小，从 而建立起地形数据的排序排格，即可根据给定点的平面坐标而快速地提取相应网格中已 知地形点。 2 1 4 数字地面模型的高程内插 d t m 是将地面上无数的地形点压缩后，选取一些有代表性的离散点来反映地形起 伏状况。实际应用过程中必须对采集到的地形原始数据利用一定的数学方法进行内插加 密，以便获得地面上任一点的高程值。d t m 高程内插方法归纳起来有下列三种：【1 l 】 移动面法。 对待定点周围的已知地形点定义一个拟合面，内插拟合表面求得待定点的高程。内 插曲面方程可用表达式： z = a o + 口l x + 口2 y + 口3 x 2 + 口4 x y + a s y 2 式中：a i 按照最小二乘法原理，即各点高程与多项式曲面间的剩余高差的平方和最小的原则确 定。【1 2 】 分块函数法。 将内插区域分成若干个方形或矩形单元，对每一个单元用低次多项式表示地面形 状，要求整个表面连续并尽量平滑。这类方法包括三角形格网的线形内插、矩形格网的 双线形内插和三次样条函数内插掣1 3 】。 曲面求和法。 假设不规则的地表面是由若干个简单的曲面，如双曲面、三次曲面等相迭加并逼近 到任意精度而构成的。高程值由若干内插面的内插值迭加而得。 2 2 数字地面模型在公路设计中的应用 2 2 1 路线平面设计 利用计算机来完成平面设计，目前有两种方法：一是交点设计法，就是由设计人员 先确定平面设计参数，然后把平面设计资料输入计算机，由计算机逐一完成计算和绘 图。另一种是曲线设计法，就是在数字地形模型的支持下，人机交互完成设计。 曲线设计法就是把已经初步拟定的、部分的平面线形( 一般为间断的圆曲线或直线) 输入计算机，通过交互式的手段直接在屏幕上捕捉这些片断的图形单元( 如圆曲线或直 线) ，用缓和曲线将各个片断的图形单元连接起来，以构成符合规范要求的平面线形。 并在形成的平面线位图中自动确定桩号、方向、坐标、以及平曲线各种参数( 如圆曲线 半径及缓和曲线的长度或a 值等1 ，从而完成平面计算。【1 4 】 ( 1 ) 曲线设计法的基本计算形式 公路的平面线形要素只有直线、缓和曲线和圆曲线三种，在人工初步拟定部分平面 东北林业大学硕士学位论文 线形单元时，一般较易定出直线段和圆曲线。交互式平面设计的实质就是在给出的既定 平面线形单元：直线段和圆曲线之间，确定合适的缓和曲线过渡段，将其连接起来。所 以，交互式平面设计的基本计算型式可归结为如下三种： 直线与圆弧连接 同向圆弧的连接 反向圆弧的连接 公路平面曲线的所有复杂型式都可以归结为这三种方式的组合式，因此解决了这三 种基本形式的交互式计算，便可解决各种复杂组合的公路平面曲线的计算。 ( 2 ) 曲线设计法的计算方法 平面交互设计是在给出圆心坐标和半径基础上进行的。在a u t o c a d 环境下，交互 确定圆弧的过程，常采用a u t o c a d 提供的“三点定圆”、“两点变半径定圆”等交互作 图功能，根据屏幕显示的地形条件来确定路线某些局部带控制性的平面线位。当圆弧确 定时，其圆心和半径也就唯一确定，并能直接获取。所以，平面线形设计可归结为基于 圆心、半径所表示的圆弧之间的连接计算。交互式平面设计计算的主要任务就是求解各 已知线段之间缓和曲线的a 值。 ( 3 ) 交互式平面设计流程图 交互式平面设计流程图【9 】如图2 2 所示。 图2 - 2 平面交互设计流程图 2 2 2 路线纵断面设计 纵断面设计的主要内容是根据道路等级、沿线自然条件和构造物控制标高等，确定 路线合适的标高、各坡段的纵坡度和坡长，并设计竖曲线。在纵断面设计时要考虑诸多 因素，比如平、纵面的配合，和横断面地面线的协调，以及控制标高的检查等等。 ( 1 ) 纵断面地面高程的获取 路线平面位置确定以后，可以实地对道路中线水准线测量或根据纸上定线的结果在 2 数字地面模型与公路设计 地形图上人工读取中桩高程，键盘输入计算机，以数据文件格式保存在指定的目录下， 得到地面高程资料。这是获取纵断面地面线高程的传统方法。另一种方法是利用建立的 数字地面模型，计算机进行数模内插，得到路线纵、横断面地面线数据，然后在纵断面 地面线图上进行拉坡，确定变坡点和标高，进行纵断面设计。 ( 2 ) 纵断面设计线的确定 在纵断面设计时，目前有两种方法：第一种是传统的设计方法，即计算机输入纵断 面地面线资料后，生成a u t o c a d 格式的纵断面图，打印出来后，设计者在上面进行手 工拉坡，然后将纵坡设计信息即纵断面设计资料( 变坡点桩号，竖曲线半径，变坡点高 程) 输入计算机指定目录下，计算机自动完成纵断面设计的计算与输出工作。 另一种方法是：在纵断面图上，通过交互设备直接在屏幕上交互拉坡。采用交互式 拉坡，可给设计人员一个自由发挥的空间，使之能方便地顾及到平、纵、横三方面的协 调配合和土石方数量等因素，从而得到经济、合理、最佳的路线纵断面设计方案。 ( 3 ) 纵断面设计流程图 纵断面设计流程刚9 j 如图2 3 所示。 图2 - 3 纵断面设计流程图 2 2 3 路线横断面设计 ( 1 ) 输入横断面地面线 目前获取横断面地面线的方法有三种： 东北林业大学硕士学位论文 将野外实地测量获得各桩号的横断面数据，靠人工利用键盘输入，并以一定的数 据文件格式存储在指定目录。这种方法，输入效率低，工作量大，并且容易出错。 利用数字化仪将实测横断面地面线输入。虽然这种方法输入工作量大，但可以大 大提高输入速度，减少人为出错。 利用数字地面模型。根据平面设计提供的路线中桩逐桩坐标和切线方位角，恢复 横断面上测点的平面坐标，由数模内插出横断面地面线数据。每一个横断面的坐标的原 点定义在路中线处。 ( 2 ) 横断面设计 横断面的设计是指设计者根据路线所经过地区的地形、地质、水文、气候等条件， 确定横断面的各种形式、尺寸及坡度等参数( 标准横断面) ，根据路线纵断面设计资料将 其套到相应的横断面地形图上，计算出设计线与地面线的交点坐标，从而确定各断面处 的填、挖面积，并计算得到土石方工程数量。当然，这种“戴帽子”的作法会有个别横 断面不尽如人意，因此，对这些不合理的横断面要重新设计。 ( 3 ) 横断面面积计算 横断面设计完成后，由中心桩分别向两n j l l 页序求出各地面观测点及路基设计各折点 的填挖高度及距中心距离，然后按梯形或三角形计算出各块的填挖面积，最后分别相加 得到该断面总的填方和挖方。 ( 4 ) 土石方工程量的计算 计算出各个桩号的填挖方断面面积后，就可以计算土石方数量，目前多采用平均断 面法近似计算。该法是假定相邻断面间为一棱柱体，其高为两相邻断面的间距，则棱柱 体的体积为相邻两个横断面的填挖方断面积平均值再乘以其间距，即 y = 丢o 。+ a ：皿 式中：a 1 ，a 2 _ 一相邻两桩号的断面面积，m 2 ； i 广一相邻两桩号的间距，m 。 若a 1 和a 2 相差甚大，则与棱台更为接近。其计算公式为： y = 吾础( 1 + 羔1 式中：m = a i a 2 ，a l 为小面积，a 2 为大面积。【9 l ( 5 ) 横断面设计流程图 横断面设计流程图如图2 4 所示。 2 数字地面模型与公路设计 图2 4 横断面设计流程图 2 3 试验路段路线方案初步设计 1 、工程概况 黑龙江绥化至满洲里高速公路，是贯穿全省东西部的最重要的国道主干线，也是中 国东北地区公路主骨架的重要组成部分。本文以虎峰岭路段为试验路段进行设计。 2 、地形地质 道路沿线为中、低山地区，地势较高，海拔4 0 0 6 0 0 m 左右，相对高差较大，达 5 0 2 0 0 m 。地表植被多为旱田、林地和、荒地和苗圃。公路自然区划为i i1 区，即东北 中部山前平原重冻区。 全线不良地质路段类型有鱼池、水泡。表层大部分为淤泥及淤泥质低液限粘土，地 下水位高，含水量大，具有强冻胀性，易造成翻浆及冻结膨胀。鱼池、水泡由人工蓄水 或天然积水而成，多分布在地势较低洼的沟谷处，排水条件较差。鱼池底、水泡底多为 0 2 m 淤泥层，以下多为低液限粘土。 3 、技术标准 采用山岭重丘区一级公路标准，其主要技术指标表2 1 所示。路线设计以公路路 线设计规范( j t j 0 1 1 9 4 ) 1 5 】、公路工程技术标准( j t gb 0 1 2 0 0 4 ) 【1 6 】为依据。在满足 技术要求的前提下，路线布设应结合规划、考虑发展、方便群众、少拆迁、少占农田， 在不过大增加工程量的前提下尽量采用较高指标。并注意保护沿线的生态环境，减少对 环境的不利影响，创造优美的景观。路线平面设计线为路中心线，路线纵断面设计标高 为公路中央分隔带边缘标高。 东北林业大学硕士学位论文 4 、路线初步设计 ( 1 ) 图形、资料数字化。 数字化资料包括地形图、地质图、规划设计图、数字等多种信息资源。图形数字化 过程中需要进行模数转换、坐标转换，形成各类数据文件存入数据库。对于该实验路 段，笔者采用g c o d r g 软件对扫描后的地形图进行处理后导入g e o w a y 软件进行操作。 图2 5 空间数据分层显示 在地形图数字化的过程中，需要对各类影响公路设计的因素进行分层管理，公路沿 2 数字地囱模型与公路设计 线主要的空间数据层有：地形层、地质图层、城市层、乡村层、水利设施层、沿线水系 层等，见图2 5 。 对空间数据层的分类尽可能的详细，避免遗漏，使用的资料应为最新的资料，保证 空间数据的时效性及其准确性。对于该试验路段，笔者将按各要素进行以下分类，具体 见表2 2 所示。 表2 - 2 数字地形图编码方案表 5 管线及附属设施 东北林业大学硕士学位论文 注：符号一栏编号参照中华人民共和国1 ：5 0 0 01 ：1 0 0 01 ：2 0 0 0 地形图图式 ( 2 ) 建立数字地面模型d t m 通过g e o w a y 软件平台导出等高线数据处理生成数字地面模型，如图2 - 6 所示。通 过建立数字地面模型可以快速准确地内插路线纵、横断地面线数据，为路线多方案设计 提供了可靠的基础数据。 图2 - 6 路线区域的数字地面模型 ( 3 ) 路线平纵横设计 由于该路段沿线地形地质比较复杂，基本为两山夹一沟，整个平坦区域成条状分 布，两边山高坡陡，主要种植人工林；路线走廊狭窄，地形较为平坦的区域又被铁路占 2 数字地面模型与公路设计 用，因此在设计时遵循以下原则。 在满足技术要求的前提下，路线布设尽量结合规划、考虑发展、方便群众、少拆 迁、少占农田，并注意保护沿线的生态环境，减少对环境的不利影响，创造优美的景 观。 由于山岭重丘区地形很复杂，对于平纵横标准都较高的高等级公路，线形设计尤 为重要。线形设计中各项技术指标的采用对山岭重丘区公路工程投资更为敏感，片面追 求高标准会使工程耗资巨大，而过分迁就地形采用低指标则达不到预期的通行能力。山 岭重丘区的高等级公路由于受到地形限制，一般很难有理想的展现区域。因此，笔者认 为在遇到特殊地形时，可以考虑在较少降低道路营运服务水平的前提下，适当采用较低 标准的技术指标，必要时也可以采用极限指标。 在设计时，笔者按照上述设计原理，依托a u t o c a d 辅助设计软件，在路线走廊带 里，勾绘出路线必经控制点间的所有可通方案，选出方案l 与方案2 后，进行道路方案 初步设计，路线平面图如图2 - 7 所示。 图2 - 7 方案1 与方案2 的路线平面图 2 4 本章小结 本章研究了建立数字地面模型的思路与步骤，同时，对数字地面模型在路线平纵横 设计中的应用做了初步探讨，并结合试验路段进行路线方案初步设计。实践证明，基于 数字地面模型进行路线设计，有利于数据提取，避免了以往因设计方案的改变而要重新 测量数据，因而提高了工作效率，节省了工作时间，较传统的设计方法有明显的优势。 东北林业大学硕士学位论文 3 工程项目综合评价理论 大型工程建设项目，除技术性、经济性外，还涉及社会、政治、生态环境及资源诸 多风险因素，影响重大深远。因此，在工程决策、方案评价和比较中，在考虑技术性、 经济性的同时，对工程所涉及其他社会、政治等方面的因素，不管是直接的或间接的， 相互关联或是相互独立的，都需要进行缜密的研究分析。 为保证工程方案选择的合理性和总体决策的正确性，必须对工程建设方案在“多维 综合研究”的基础上进行科学全面的评价，即工程项目的综合评价。也就是从技术性、 经济性出发，结合工程项目对政治、社会、生态环境等方面的影响，运用系统工程的思 想和方法，采用定性分析和定量分析相结合，对工程方案进行全面和客观的分析评价。 评价范围包括因兴建工程所引起的从工程本身到社会、经济和自然系统的各种直接的、 间接和潜在的变化和影响效果。 3 1 综合评价指标体系 对工程项目进行综合评价，首先要设立相应的综合评价指标体系。综合评价涉及范 围非常广泛，评价的指标体系难以有统一的标准。但一般应遵循以下几项原则【1 7 】： ( 1 ) 完全性原则 ( 2 ) 非相容性原则 ( 3 ) 简单性原则 ( 4 ) 客观性原则 上述各项原则在具体应用时，应结合不同工程建设项目的实际，认真分析确定。对 大型工程项目，其影响面大，评价指标要全面；对中小型工程项目，其影响面小，实施 中可适当简化。对工程项目规划阶段，其评价体系偏重于政策性、方向性和宏观经济指 标等，评价指标体系较为复杂；在工程项目实施的设计阶段，其评价指标体系相对比较 具体。 工程项目综合评价指标体系中，存在部分难以用数量表达的定性指标，如其对社 会、政治、生态环境等影响程度的指标。对这类指标( 或因素) ，在评价时，除进行描述 外，应尽量给以数量化。与直接工程项目相关的技术经济指标，多数是可以精确计算， 可用数字表达的定量指标。但它们的计量单位可能不同：如投资、年运行费、内部收益 率等，在评价时应归一化或标准化。 定性指标数量化，各项指标的归一化、无量纲化，是定性定量相结合的综合指标评 价体系中的最主要方法，同时也是其难点之所在。 3 2 综合评价的方法分析 由于对工程项目进行综合评价多以现代数学知识为理论基础，因此，本文以现代数 3 工程项目综合评价理论 学知识的应用为分类界限，把方案比选的方法分为两大类：传统方法与现代方法。 ( 1 ) 传统方法 传统方法共包括三大类：经验判断法、方案评分法、经济计算法。【1 8 】 经验判断法是利用人们在所处领域的知识、经验和主观判断能力，靠直觉对方案进 行评价，较常用的方法有专家检查法、德尔菲法、优缺点列举法。这类方法适用于因素 错综复杂，对外界影响较大或具有战略性的方案比选，也适用于一些所给信息不充分、 指标难以定量的方案决策中。这种方法的优点是适用性强，决策灵活，缺点是缺乏严格 的科学论证，容易导致主观、片面的结果。 方案评分法是在经验判断的基础上发展起来的，这类方法是根据评价指标对方案的 重要程度，贡献大小等进行打分，最后根据得分的多少判断方案的优劣。常用的方法有 加法评分法、乘法评分法、综合价值系数法。其优点是把评价者对方案的判断用分数加 以定量表示，这样比起笼统地用“很好”、“好 、“不好”等诸如此类的字眼评价要更为 细致、更为准确，这在一定程度上实现了定量与定性的结合。实际工作中，对于那些资 料不全，指标难于数量化，不便理论计算的方案选择来说，这种方法是十分方便的。 经济计算法可应用于较准确地计算各方案的经济效益的场合，如价值工程中的新产 品开发方案、技术改造方案，可行性研究中的投资方案等。这类方法多以成本和效益为 直接的评价指标，通过指标的大小来判断方案的优劣，是一种准确的方案比选法。 ( 2 ) 现代方法 数学方法主要包括：目标规划法、层次分析法、模糊数学综合评价法、灰色理论分 析法和人工神经网络法【1 8 】，现逐一总结如下： 目标规划法 目标规划法是在线性规划的基础上发展起来的。它是一种解决多目标决策的规范化 决策方法。单目标规划法比较简单，这里不做介绍，只介绍多目标规划法。在多维决策 目标的情况下，首先要求决策者列出全部所要决策的目标，然后再按这些目标的重要程 度排出优先顺序。 目标规划法处理多目标决策有如下优点： a 能统筹兼顾地处理多种目标和关系，求得更符合实际的解。 b 通过目标规划找到的最优解，也即最优方案，尽可能地达到或接近一个或若干个 给定的目标值。 目标规划法是在实践中应用和发展起来的一种多目标决策法，是一种比较成熟的规 范化的方法，已广泛应用在国民经济、企业的资源匹配、资金分配等方面。 层次分析法 - 层次分析法( a h p ) 是由美国运筹学家s a a t y 提出的。a l i p 法的主要设想是将复杂问题 中的各因素通过划分相互联系的有序层次，使之条理化，然后根据某些判断准则，就某 一层次元素的相对重要性赋于定量化的度量，其后依据数学法推算出各个元素的相对重 要性权值和排序，最后对结果进行分析、调整。 东北林业人学硕：匕学位论文 层次分析法能够定量处理一些难以精确定量的问题，并从经济的、社会的以及技术 的角度优化被研究的系统。它一定程度上克服了人们主观判断的片面性和不一致性，是 一种较为科学的决策法。所以广泛应用于企业管理、经济计划、能源开发、资源分配、 环境保护、教育规划、政策评价、行为分析等许多领域。 模糊数学综合评价法 模糊数学综合评价法就是利用模糊数学的原理和知识对受多种因素影响的方案决策 进行综合评比的一种决策法。它首先把一些模糊性的指标用模糊数学知识量化，然后建 立模糊评判模型进行方案的综合评价，最后做出选择。模糊综合评判模型根据具体情况 可分为一级、二级和多级。 模糊综合评价法是对受多种因素影响的事物做出全面评价的一种有效的多因素决策 法。与传统方法相比，模糊综合评价法有如下优点： a 能定量处理影响评价的种种模糊因素，使评价的结果更符合客观实际，更为合 理。 b 对一些评价判断，如：“好、较好、不好、差 可以更好地进行量化处理，利用 模糊综合评价法可较好地模拟人的思维。 c 能够进行多级模糊综合评判，使人的主观因素限制在单一的很小的范围之内，并 使主观评价做得更准确，使主客观的差异大大减少，进一步保证评价结果的准确性。 灰色理论分析法 灰色理论分析法包括灰色关联度分析法和灰色局势分析法。它们是以我国著名