（道路与铁道工程专业论文）基于GIS的公路智能选线若干问题研究.pdf

摘要 公路选线设计是一个涉及多个专业的综合性规划设计工作。在公路选线设计中，路 线专家必须充分利用他们的领域知识和信息，对地形、地质、水文等自然环境进行分析， 以便设计出一条满足政治、经济、技术等各方面要求的公路路线方案。由于路线方案的 确定依赖于设计人员对自然条件的分析，其中包括地理属性以及对环境的影响等，所以 选线设计是一个对环境依赖性很强的复杂过程。为了提高设计的质量和设计效率，自动 化选线方法应运而生。即利用自动化、智能化的方法解决路线选线中的多因素约束，决 策问题，通过计算机技术实现合理方案生成和评价，从而能快速提供具有说服力的方案， 实现科学的决策。建立一个完善的智能化选线设计系统已经成为研究和开发人员的一个 主要目标。 本文提出“基于g i s 的公路智能选线系统 的思想，目的是将从路线方案选择到方 案的技术经济评价的选线设计的诸问题集成为一体，建立一个从分析地形地理信息开始 直到完成最优方案比选的智能选线系统。以“基于g i s 的公路智能选线系统”的理论和 方法研究为主题，本文进行了以下几个方面的研究工作。 首先，建立了智能选线系统的总体框架，系统的功能是在目标区域内选出一条经济 造价最低，满足设计规范标准、对环境破坏最小的路线方案，为实现该功能将系统总体 分为三大模块，优化模块、费用模块和基于6 i s 的知识模块。 其次，建立了全寿命周期的综合费用模型，该模型能够通过很少的输入参数估算出 新建公路的综合费用。模型的建立是通过对以往优化模型中费用组成的调查分析，克服 其自身缺陷基础上得到的。费用的计算分为两步，第一步，通过g i s 查询相关属性及数 据，将数据传递给费用模块；第二步，调用费用模型进行费用的估算。 最后，通过了解地理信息系统的特性及功能，选择g i s 为平台建立基于6 i s 的知识 库，并利用g i s 实现数据的存储、管理以及路线的展现。 在河南伊川的实际地形图和基础数据上，对系统进行验证运行。结果表明本方法可 行，能够解决实际问题。多次运行系统，分析结果，总结设计速度和路基横断面宽度对 优化结果的影响。 关键词：公路选线；地理信息系统；知识库：费用模型；专家系统； a b s t r a c t h i g h w a yd e s i g ni sak i n do fs y n t h e t i cw o r kc o n c l u d i n gp l a n n i n ga n dd e s i g n i n g i no r d e r t os e l e c ta na l i g n m e n ts a t i s f y i n ga l lt h er e q u i r e m e n t sa b o u tp o l i t i c s ，e c o n o m ya n dt e c h n o l o g y , ah i g h w a ye n g i n e e rm u s ta n a l y s i st h en a t u r a le n v i r o n m e n tc o n s i s t i n go ft o p o g r a p h i ca n d h y d r o l o g i c a lc o n d i t i o n s a st h eh i g h w a yd e s i g n i n gd e p e n d so nt h ea n a l y s i sn a t u r a lc o n d i t i o n s c o n c l u d i n gg e o g r a p h i c a la t t r i b u t e sa n dt h ee n v i r o n m e n tf a c t s ，t h er e l a t i o n s h i pi si m p o r t a n t b e t w e e nh i g h w a yd e s i g n i n ga n dn a t u r a le n v i r o n m e n t i no r d e rt oi m p r o v et h ed e s i g nq u a l i t y a n di n c r e a s et h ed e s i g ns p e e d ，a u t o m a t e dh i g h w a yd e s i g nm o d e lc o m ei n t ob e i n g i fw eu s e o fa u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n ta p p r o a c ht os o l v e m u l t if a c t o rb i n d i n gp r o b l e m ，t h r o u g h c o m p u t e rt e c h n o l o g yt oa c h i e v er e a s o n a b l er o u t eg e n e r a t i o na n de v a l u a t i o n , w ec a l lq u i c k l y p r o v i d ec o n v i n c i n gr o u t e ，a n ds c i e n t i f i cd e c i s i o n - m a k i n g t oe s t a b l i s h m e n to fa ni n t e l l i g e n t h i g h w a ya l i g n m e n to p t i m i z a t i o ns y s t e mh a sb e c o m et h em a i ns u b j e c t i nt h i st h e s i s ，a l li d e ao fg i s b a s e dh i g h w a ya l i g n m e n ti n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o ns y s t e m h a sb e e np u tf o r w a r d w ew i l le s t a b l i s h m e n ta na u t o m a t e da n di n t e l l i g e n th i g h w a ya l i g n m e n t o p t i m i z a t i o ns y s t e mw h i c hc a ni n t e g r a t ea l i g n m e n ts e l e c t i o nw i t hp r o g r a m m e re v a l u a t i o na s o n ei s s u e t h i st h e s i sw i l ls t u d yo nt h et h e o r i e sa n dm e t h o d sa b o u td e v e l o p i n gg i s b a s e d h i g h w a ya l i g n m e n ti n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o ns y s t e m f i r s t ，t h es y s t e mc a ns e l e c tam i n i m u mc o s tt om e e tt h ed e s i g ns t a n d a r d s ，t h es m a l l e s t d a m a g et ot h ee n v i r o n m e n tr o u t ei nt h et a r g e tr e g i o n ，w h i c hi m p r o v e dt h em o d e l sp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n t h es y s t e mc o n s i s tt h r e em o d u l e sw h i c hi so p t i m i z a t i o nm o d u l e ，c o s tm o d e la n d g i s - b a s e dk n o w l e d g em o d u l e s e c o n d ，t h ec o s tm o d u l ee s t a b l i s h e dal i f e c y c l ec o s tm o d e l ，w h i c hc a nb et h r o u g ht h e f e w e s ti n p u td a t ae s t i m a t i n gc o m p r e h e n s i v ec o s to fan e wh i g h w a y t h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o n o f p r e v i o u ss t u d i e so nh i g h w a yo p t i m i z a t i o nm o d e lw e b u i l dt h ec o s tm o d u l ew h i c hc o v e r e d an 啪b e ro fd e f i c i e n c i e s t h ec o s t sc a l c u l a t i n gc o n s i s t so ft w os t e p s ，t h ef i r s ts t e p ，g e t t i n g t h er e l a t e da t t r i b u t ed a t at h r o u g hg i s ，t h ed a t aw i l lb et r a n s m i t t e dt ot h ec o s tm o d e l ；t h e s e c o n ds t e p ，c a l l e dt h ec o s tm o d e lf o re s t i m a t i n gc o s t s f i n a l l y , b yu n d e r s t a n d i n gt h eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mf e a t u r e sa n df u n c t i o n a l i t y , w ee s t a b l i s h e dt h ek n o w l e d g eb a s ew h i c hc h o o s e sg i sa sap l a t f o r m ，a n du s i n gg i sd a t a s t o r a g e ，m a n a g e m e n t ，a sw e l la st h ed i s p l a yo fl i n e t h es y s t e mi sa p p l i e di nh e n a nr e a lm a p sa n dd a t a b a s e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e dm e t h o dc a l ls o l v er e a lp r o b l e m s a f t e rm u l t i p l eo p e r a t i n gs y s t e m s ，w eg o tt h e i m p a c t i o no fd e s i g ns p e e da n dc r o s ss e c t i o n k e y w o r d ：h i g h w a yd e s i g n ，g i s ，k n o w l e d g eb a s e ，c o s tm o d e l ，e x p e r ts y s t e m 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 签芬叫。绛岁月7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 公磅 导师签名： t 岛 z 咖g 年岁月7 日 年月日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 改革开放以来，我国经济蓬勃发展，对交通的需求不断快速增长，交通基础设施的 建设已不能满足快速增长的交通需求，交通供给与交通需求之间的矛盾日益突出。近年 来，随着交通基础设施建设力度的不断增大，公路设计部门迎来了前所未有的机遇和挑 战。选线是公路设计中最根本的问题，它不仅影响道路本身的经济效益和社会效益，而 且也影响到路线在道路网中的作用【l 】。如何高效，科学，准确地进行公路方案的评价和 比选，成为当前道路设计部门关心和重视的热门课题。 公路选线是一项复杂的系统工程，设计过程中要考虑地形、地质、自然环境、政治 等诸多因素。影响因素有二维的也有三维的，有定量的指标也有定性的因素，有确定性 的因素也有不确定性的因素，而且各因素之间的关系错综复杂。这些复杂的因素可分为 两类：一是自然条件引起的对路线的工程、运营的技术和经济方面的影响；自然条件包 括地形、地质、水文、土地价值和土地利用情况等；二是根据技术条件和公路功能所确 定的设计要求，规范、规程和设计原则等。 传统的公路设计做法是由路线专家在地形图或现场对地形、地质、环境了解之后， 依据经验确定路线的走向及平面位置。这样做的缺点在于不同的专家注重的因素不同， 从而导致多种方案无法取舍的困扰。另外，在不同的设计阶段所考虑的因素也有差异， 这些差异主要是因为在初步规划定线阶段，专家根据自己的经验对地形、地质、环境进 行定性的评估，各方案费用以及对环境的影响也都是基于经验。由此可见，人工选线只 能凭借主观的因素从有限的方案中找到一条基本满足要求的路线，而不能科学的、定量 的分析比选，找到最优的或者说接近最优的方案。 为了提高公路选线的科学性和公路设计质量，自5 0 年代以来，公路领域的专家和 学者们就开始探索用计算机辅助路线设计的理论和方法。以计算机技术和公路设计理论 为基础的公路c a d 技术经过四十多年的发展，由最初的单纯完成设计发展到今天的计 算绘图一体化，在缩短公路设计周期，提高公路设计效率方面发挥了重要作用。随着计 算机技术的进一步发展，采用计算机辅助及全自动实现工作过程的应用成果不断涌现， 为公路选线设计过程中直面临的信息瓶颈、主观定性等问题，提供了新的发展空间。 本文的研究以g i s 为基础，并充分考虑公路选线设计的影响因素和公路设计规范限 制条件，提出了一个较为完善的公路智能选线系统。公路选线中的因素可以分为两大类， l 第一章绪论 一类为可以定量描述的因素，另一类是不能量化的模糊因素。基于此，我们在系统中建 立了基于g i s 的综合费用模块和基于g i s 的选线知识库模块，通过空间数据挖掘为优 化提供空间环境信息和选线知识，实现路线可行方案的自动优选，为路线交互设计提供 初始的参考方案。 1 2 国内外智能选线的研究概况 1 2 1 国外研究状况 国外从上世纪6 0 年代就开始研究路线平面优化，早期由于受计算机软、硬件发展 水平限制，存在优化效率不高以及目标函数过于简单等缺陷，所得到的优化结果实用性 不高。最初的研究主要是以优化平面线形( o p t i m z i i n g h o r i z o n t a la l i g m n e n t ) 、优化纵断 面线形( o p t i m i z i n gv e r t i e a la l i g n m e n o 为目标，现阶段主要围绕同时优化平、纵面线形 ( o p t i m i z i n gh o r i z o n t a la n dv e r t i e c a la l i g n m e n ts i m u l t a n e o u s l ) 这一问题开展相关的研究。 1 、优化模型 公路设计优化模型是用来辅助设计人员在指定起终点之间选择最优方案的一种算 法。由于在起终点之间有多种可选方案，且各种方案均有优缺点，所以建立一种模型快 速的选择最优方案是件重要的工作。国外的路线平面优化方法主要有四种即：变分法 ( c a l c u l u so fv a r i a t i o n s ) 、网络优化法( n e t w o r ko p t i m i z a t i o n ) 、动态规划法( d y n a m i c p r o g r a m m i n g ) 及遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ) 。 ( 1 ) 变分法 h o w a r d ( 1 9 6 8 ) 最早提出将变分法用于路线平面优化，并且提出了最佳弯曲法则 ( o p t i m u mc u r v a t u r ep r i n c i p l e ，o c p ) 。l a t e rs h a w 和h o w a r d ( 1 9 81 ) 应用o c p 法则， 提出了两种应用于路线平面优化的数值积分算法。该方法假设路线平面优化的目标函数 是连续可积的，由此根据变分法原理导出最佳路线上每一点的弯曲等于垂直于路线方向 的目标函数的对数定向导数，目标函数表示路线上通过点的造价与效益，以经济性原则 进行优化。 虽然基于o c p 法则的变分法得到的优化结果具有连续和全局优化的特点，但由于 组成目标函数的各项费用具有不连续性( 如占地费用) ，因此目标函数连续的假设并不 符合实际情况。 ( 2 ) 网络优化法 这种方法将平面优化问题转化为网络优化问题，平面线形被表示成起终点相连的许 2 长安大学硕士学位论文 多圆弧。这样平面优化就是分别计算各连接段的综合费用，从而得到整体费用最小的目 的。其代表性的程序有美国普渡大学的g c a r s 程序。 该程序的做法是：首先按照地形、地物和地质等条件，将宽带范围内的面积转化为 成本区。当路线经过该区时，单位长度路线所需要的修建成本一致；将一些江河、峡谷、 公路等线形构造物表示为成本线，当路线跨过某一成本线时，意味着需修建跨线构造物， 从而增加修建成本。然后将选线范围划分为矩形网格，根据成本区和成本线，由计算机 自动形成任意两点间的成本矩阵。利用该矩阵，通过线性规划找出最佳方案。 该算法由于要计算网格间的连通费用，而且缺乏g i s 系统的支持，因此其成本区划 分以及网格连通费用计算量非常大。 ( 3 ) 动态规划法 由于选用动态规划法无后效原则解决平面优化比较理想，因此得到了比较广泛的应 用。该方法通常与随机搜索法相结合，无需把可行域划分为一系列的网格并大量地通过 每一网格点的路线分段计算目标函数值，而是以确定的步长和随机的方向在可行域内形 成两个新点，再运用动态规划法选优，不断重复可使优化问题有效的收敛。但该方法存 在不适合于连续搜索空间，而且要求目标函数为显函数、要求子问题独立等缺点。 ( 4 ) 遗传算法 遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m s ) 是基于自然进化模型和“适者生存”的一种高度并 行、随机和自适应的优化算法。1 9 9 8 年马里兰大学的j o n g 博士首次将其引入到路线优 化中，随后j h a ，m k 等人对其提出的算法进行了进一步的完善，目前已开始走向实用 阶段。 j o n g 等提出的基本思路为：由程序随机给出一组平面线形，利用遗传算法，对其 进行交叉、变异等遗传操作，直至找出满意解为止。该算法原理简单，寻优速度也较快。 2 、费用模型 费用模型就是利用设计路线的相关参数，估算新建公路的总体费用，费用模型对于 最终方案的确定起着主导性的作用。国外有关费用模型的研究主要有以下一些代表。 一种方法是多目标优化系统的费用函数。例如，w a t a n a t a d a 等人建立的费用模型是 依据欧美等国家的经验提出适用于发展中国家的公路设计和养护。模型研究的重点是对 公路建设的经济性进行评比。模型是通过分析公路设计、养护与全寿命周期费用( 包括 建设费、养护费、使用者费用) 之间的关系，建立与之相应的数学模型，进而应用于政 策分析【2 1 。由于模型采用模拟费用，其中包含了部分非线性形式，因此其适用性较差， 第一章绪论 不能服务于选线的优化模型。模型中的费用组成和费用所需输入数据如下表1 1 所示： 表1 1 w a t a n a t a d a 的模型中费用类型及需要的输入数据 费用输入数据 地形 地质 建设费降雨量 几何设计 路基路面设计 路面恶化( 路面结构、气候、时间、交 养护费 通量) 养护标准 几何设计 路表状况 使用者费用 运行速度 交通种类 多目标的优化设计系统代表研究还有联邦德国e p o s 优化程序系统中推出的平面 优化程序，其费用采用了8 个目标函数，即：填方工程量；挖方工程量；填、挖 工程量之差；填、挖工程量之和；汽车行驶沿程所需时间：汽车行驶沿程汽油消 耗；全程桥梁总面积；总造价；美国威尔荪氏对公路选线优化多目标决策采用了9 个目标函数，即：总贴现效益；总投资；时间节省；运价降低；事故减少； 总里程；由于施工延缓而造成的损失费用；燃料消耗节省；服务交通量。 多目标优化设计系统缺点在于，其一随着目标数的增加，计算工作量将成倍增加； 其二在系统中多个评价目标往往难以用一种合适的尺度加以统一。 另一种做法是折合为工程费用，进行单目标优化。该方法的关键是构造一种利于优 化技术的模型，模型能够脱离复杂的现实因素，建立关于主要影响因素的简单函数。代 表研究有1 9 7 3 年经济合作和发展组织在进行公路方案优化研究中，认为组成目标函数 的费用应该有五部分组成，即：工程费用、养护费用、交通费用、社会费用以及设计和 管理费用。其中交通费用是通过预测交通事故而计算的交通事故费；而后面两项由于难 以量化或者不影响优化结果，可以不做考虑。j o n g 和j h a ，m k 等人则认为费用函数由 4 长安大学硕士学位论文 以下五部分组成：与位置有关的费用( 占地费) ，与长度有关的费用( 护栏费用) ，与面 积有关的费用( 路面工程费) ，与体积有关的费用( 土石方费用及支挡费用) ，使用者费 用( 运营费、交通事故费用) 。 总之，国外注重公路的使用质量，费用函数涵盖的因素比较广泛。总结可发现其费 用模型中包含两大部分内容，即主导成本和敏感费用。所谓主导成本是在总体费用中占 绝对主导地位的那部分费用，该部分费用均可建立相应的数学模型；敏感费用则是细微 变化都能够较大影响路线走向的因素所产生的费用，敏感费用很难建立准确的函数模 型，需经过大量的试验分析确定相关的惩罚系数，进而应用于优化模型。 3 、g i s 与公路相结合的应用研究 美国马里兰大学的j o n g1 9 9 8 年在其博士论文中提出了结合地理信息系统和遗传算 法，在给定的起终点之间优化道路平面线形。随后在美国、英国和新加坡都开始出现了 这方面的研究。该方法的基本原理是：首先自动生成连接起终点的大量方案组成方案集 合，然后对各方案进行费用和约束情况评价，从方案集合中选出较优的方案进行杂交以 产生下一代方案集合，如此反复计算，直到评价指标没有较大改进为止。 1 2 2 国内研究状况 国内关于道路选线领域的研究，开始于2 0 世纪9 0 年代，已有文献大多以道路选线 为关键语出现。最初，杨仲谋【5 l 的山区公路选线，王军刚等【6 】的公路选线方法，余江等 7 1 的实例工程的道路选线，高建平8 1 的基于三角网数模的山区公路选线，赵康【9 1 的基于 环境影响的公路路线方案优选，吴华金【1 0 】的山区高速公路路线走廊带的选择与研究，高 传东等【l l 】的山区道路选线方法等，主要是研究道路选线的传统方法及其应用。 陈毕新【12 】研究了环境价值在公路建设方案比选中的应用，其从环境经济学的视角对 公路建设给沿线区域带来的影响进行计算，通过环境经济损益分析，对公路建设这一人 类经济活动施于环境的一系列影响加以货币化计算，并与公路工程造价综合考虑，通过 数学模型寻求一条公路总成本费用最低的方案，从而获得公路建设的最优方案。该研究 将环境价值纳入公路建设的方案比选，并建立了优选模型。 易思蓉【1 3 】提出了基于虚拟环境铁路选线系统的铁路线路多方案综合评价方法，通过 分析铁路选线领域知识，建立选线多方案综合评选模型，并阐述了评价铁路选线方案优 劣的综合评价方法。同时，提出了虚拟环境选线设计系统的选线设计智能c a d 方法， 该方法的思路是在逼真显示的三维地形环境中，估计线路的可能通道。依据三维环境中 估计的可能通道范围，在二维等高线图形环境中用智能c a d 方法进行线路局部走向选 第一章绪论 择，从而提高设计效率。另外，易思蓉的研究还提出了知识查询与选线指导的超文本模 型，将知识库和推理机与超文本系统相结合，可有效地组织、存储和应用海量、图文并 茂的选线信息，是开发选线指导系统的有效模式。 吴晓涛等【1 4 1 用遗传算法进行路径规划的方法，何越磊等【1 5 】应用元胞自动机模型进 行铁路选线的研究方法，以上方法是早期的智能选线方法的研究，由于当时地理信息系 统技术未普及，因此智能选线在可视化以及智能化方面有很大的局限性，但优化方法和 对环境因素的考虑方面值得借鉴。 近年来，随着计算机信息技术的发展，地理信息系统及数字空间信息得以广泛使用， 为道路选线的研究提供了新的工具，因此，在道路选线方面出现了大量基于地理信息系 统的研究。黄雄的基于g i s 空间分析的道路选线技术研究，采用层次分析法和专家打分 的方法确定选线因素图层在道路选线费用模型中的权重值，再应用地理信息系统 a r c v i e w 把道路选线因子的权值通过加权叠加运算建立道路选线费用模型，最后采用基 于栅格数据的最短路径分析技术来解决道路选线费用模型中路径寻优问题，找出道路经 济布线走廊。类似的研究诸如张风毛【2 3 】的公路选线过程中的经济评价，孔金玲【2 4 】的基 于g i s 技术的公路选线多方案综合评价。此类研究将选线问题转化为单纯的地理信息系 统的空间分析与计算，忽略了选线中的社会、环境等不可量化的模糊问题。 贾鹏【2 8 】的基于路网结构的道路选线研究是在给定新建道路起、终点给定的条件下， 确定一个效益与费用比最佳的道路空间线形方案。其模型以地理信息系统为平台，采用 矢量图的方式存储了目标区域的道路交通网络、数字高程模型，以及自然地表特征信息， 最后，利用遗传算法求解。该研究突出特点是将生成方案对路网的影响作为影响因素进 行了分析；陈艳艳【2 5 1 的基于地理信息系统及遗传算法的道路规划，强调利用遗传算法自 动搜索新建道路方案进行比选，并将地理信息系统与遗传算法相结合，进行交通系统道 路选线决策。选线过程中，考虑与道路长度相关的费用，与道路位置相关的费用与道路 使用者相关的费用。同类型的研究还有杨忠振【2 6 】的路网中新建道路空间走向的基因算法 优化，杨忠振等【2 7 】的基于道路设计与交通规划理论的道路选线优化模型。 1 3 本文研究的主要内容 论文旨在建立基于g i s 的公路智能选线系统，利用a r c g i s 、a r c g i se n g i n e 、 m i c r o s o f t v i s u a lb a s i c2 0 0 5 等先进技术实现公路的智能化选线。为g i s 以及人工智能技 术在公路选线中的应用开辟新的研究思路。 6 长安大学硕士学位论文 本文的主要研究工作如下： 1 、系统的总体设计 系统的总体设计就是根据系统研制的目标，规划系统的规模和确定系统的各个组成 部分，并说明它们在整个系统中的作用与相互关系。该系统为公路选线设计服务，系统 的目标是在目标区域内根据用户的需求，自动选择一条最优的路线方案。该功能的实现 需建立以下三大模块，优化模块、费用模块以及g i s 平台及知识库模块。 2 、综合费用模型的建立 建立全寿命周期的综合费用计算模型，并在土石方费用的自动化计算中建立了纵断 面自动化生成程序。利用三大模型计算综合费用，基本建设费用模型考虑占地费用、土 石方工程费用和构造物费用；用户使用费用包括油耗费用、时间费用和事故预测费用； 后期养护管理费用为公路修建完成后的日常养护和大、中、小修费用的预测。 3 、专家知识库的建立和应用 将公路选线中不能量化的复杂问题建立专家知识库，通过收集、筛选专家知识，建 立专家知识库，利用推理机制实现对该类问题的智能决策。本文主要建立对环境敏感区 的智能绕避和路线合理半径设黄两方面的知识库。 4 、系统的验证运行及结果分析 利用河南某区域的基础数据进行系统的验证运行，并对运行结果进行分析评价。 7 第二章道路选线理论与g i s 技术 第二章公路选线理论及g is 技术 2 1 地理信息系统概述 2 1 1g is 的定义及数据特点 1 、g i s 的定义 地理信息系统是计算机科学、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【2 9 】。 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引3 0 1 。 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最主要方面。 2 、g 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2 1 。 长安大学硕士学位论文 ff 矢量数据模型 l i空间数据 li 栅格数据模型 g i s 中的数据 f - 矢量数据向量模型 i属性数据_ il 栅格数据主题模型 g i s 数据分类( 2 1 ) 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 i 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【3 1 1 。 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。 2 1 2g i s 的功能 1 、数据存储与管理 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， 9 第二章道路选线理论与g i s 技术 实现所见即所得的目的。地理信息系统的空间数据和属性数据结构形式，为公路选线提 供了一个完善的基础数据支持平台。 2 、数字地图功能 g i s 在电子版的地图上显示信息。不同于纸版地图显示的是固定的地理区域，g i s 用户能够与数字地图中的任何地理信息进行实时的交互，这体现在，用户可以通过地理 信息系统，移动地图，放大、缩小地图以及看到和查询更加详细的信息。 为了支持数字地图的功能，地理信息系统把要处理的信息分为两类：第一类是反映 事物的地理空间位置的信息，从计算机的角度可称空间位置数据，也常称地图数据，图 形数据；第二类是与事物的地理位置无关，反应事物其他特征的信息，可称为专题属性 信息或专题属性数据，也称文字数据，非图形数据。事物空间位置最基本的表示方法是 点、线、面和三维表面。所谓点是该事物的大小，长度可以忽略不计，如水井、监测站 等；所谓线是该事物的面积可以忽略不计，但长度走向很重要，如道路、河流、地下管 线等可在地图上用线来表示；所谓面是该事物具有特定的，封闭的边界，如行政区域、 房屋建筑在地图上就是由线围成的不规则的多边形；所谓三维表面是该事物在一定地理 范围内是连续变化的，其边界是模糊的，如不规则的地形表面等。地理信息系统将点， 线，面，三维表面储存在计算机中，成为事物的空间数据。地理信息系统最基本的功能 是将分散收集到的空间、属性信息输入到计算机中，建立起有相互联系的数据库。数字 地图的制作，即对空间信息及其相关的属性信息的处理是g i s 的基本功能。 3 、空间叠加分析 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【3 2 】。在公路的自动化选线中，利用空间 叠加分析功能将地形图中的各属性层叠加，通过新的空间区域计算选线所需数据。 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 1 0 长安大学硕士学位论文 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 、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 1 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。 6 、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。 ( 1 ) 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。 ( 2 ) 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。 第二章道路选线理论与g i s 技术 7 、数据表现功能 地理信息系统能够制作专题地图，就是指使用各种图形样式图形化地显示地图的基 础信息的一类地图。利用专题地图可根据表中的特定的值来赋给地图对象颜色、图案和 符号，从而把各种数据图形化，很直观、形象地显示在地图上。制图功能是g i s 最重要 的功能之一，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 2 2 公路选线理论 2 2 1 公路选线的理念 公路设计理念就是设计者对于公路设计活动的理性认识、理想追求及其所形成的设 计思想观念和设计哲学观点，是设计者在长期的工程实践、思维活动和交流中形成的社 会价值取向与追求，是具有相对稳定性、延续性和指向性的设计认识、理性的观念体系。 理念强调理性成分，不是停留在对事物的零零星星的、表面的、只知其一不知其二、 只知现在不知以往的认识水平上，而是对其评说的事物的历史和现状作较为全面的深入 考察了解，即既知其一，也知其- - 既知其表，也知其里。必须遵循认识来自实践的原 则，尊重过去和现在人们的社会实践。另外，理念亦不该停留在对事物的感性认识水平 上，而应当抓住事物的本质、事物的全体、事物的内部联系、经过判断和推理，得出合 乎理论的结论来，从而有助于指导和推进社会实践。 我国公路的发展，先后经历了改革开放前的长期滞后阶段、改革开放后到9 0 年代 中期的严重制约阶段和9 0 年代中期至今的明显缓解阶段。公路设计理念为适应各个阶 段建设环境的要求，在不同阶段提出具有鲜明的社会价值取向的设计理念。现行公路设 计理念是在2 0 0 4 年全国勘察设计会议上，冯正霖副部长针对目前公路设计存在的问题， 根据树立和落实科学发展观的要求提出了“六个坚持，六个树立”的设计新理念，标志 着我国公路设计理念有了一次质的飞跃。这些新理念是： 坚持以人为本，树立安全至上的理念； 坚持人与自然相和谐，树立尊重自然、保护环境的理念； 坚持可持续发展，树立节约资源的理念； 坚持质量第一，树立让公众满意的理念； 坚持合理选用技术指标，树立设计创作的理念； 坚持系统论的思想，树立全寿命周期成本的理念。 1 2 长安大学硕士学位论文 2 2 2 公路选线的方法 公路路线方案的选择依据目标地区的特征和影响因素的差异，可采取不同类型的选 择方法。 1 、平原区选线 平原区地形平坦，坡度平缓，除草原、戈壁外，一般人烟稠密，农业发达。村镇、 农田、河流、湖泊、水塘、沼泽、盐渍土等为平原地区较常遇到的自然障碍。所以平原 区选线的主要特征是客服平原障碍。 平原区选线，因地形平坦开阔，起伏不大，选线时没有高程障碍，路线走向可自由 选择，因此路线的平面线形应采用较高的技术指标，精良避免采用长直线或小偏角，尤 其不应为避免长直线而随意转弯。由于平原地区城镇较多，居民集中，经济、文化较为 发达，人文环境丰富，选线时不论通过或绕避，都要注意与当地处理好关系，注意技术 上的合理性。在平原河网地区，除应注意尽量避开软土地基外，还应注意根据干、支河 流及通航情况，选择适当地点用较高的技术指标通过，并使跨干、支流交角适当，平， 纵线形组合良好，跨河构造物最少。 综合平原地区的特点，选线应注意如下要点： ( 1 ) 正确处理道路与农业的关系 ( 2 ) 合理考虑路线与城镇的联系 ( 3 ) 处理好路线与桥位的关系 ( 4 ) 注意土壤水文条件 ( 5 ) 正确处理新、旧路的关系 ( 6 ) 尽量靠近建筑材料产地 2 、地形选线 山岭地区，山高谷深，坡陡流急，地形复杂；但山脉水系清晰，这就给山区选线指 明了方向，不是顺山沿水，就是横越山岭。顺山沿水的路线按行经地带的部位又可分为 沿河( 溪) 、山腰、山脊等。由于各种线形所处的部位不同，地形特征、地质条件决定了 选线过程中要解决的主要问题也不一样。 ( 1 ) 沿河( 溪) 线选线原则 公路穿越山岭地区，利用河谷定线，就成为克服困难地形、地质条件的基本方法。 沿河谷选线