（道路与铁道工程专业论文）综合数字地面模型在路线方案比选中的应用研究.pdf

摘要 在公路 铁路等线形工程的线路设计中 线形设计是一个涉及多个专业的综 合性规划设计工作 线路设计师在选线设计工作中必须充分利用他们的知识 对 地形 地质 水文等自然环境进行分析 以求设计出一条经济上可以接受 技术 可行 与环境相和谐的理想路线 如何将这些影响路线走向的因素以合理的数值 或者数学表达式表示出来 并能更准确选择出更适合地形 选线成本更低的路径 控制点 是选线工作者不断努力的研究方向 本文将影响路线走向的主要因素分成了6 大类1 0 小类 包括地质灾害影响 环境影响 用地类型 高程影响 坡度影响 偏离度 其中用地类型划分成耕地 林地 水域 池塘 房屋拆迁 对这些影响因素一一进行了定性或定量分析 并 首次将偏离度作为一个影响因素加以考虑 另外将不同等级道路对应的线形要求 转换成合适的数学表达形式 本文根据专家经验在选线区域内指定某些特征点的 费用值 采用神经网络作为研究手段 建立了选线影响因素与费用值的神经网络 模型 从而确立了输入值与输出值之间的非线性转换关系 以g i s 作为研究平台 将影响因素和费用值都以栅格数据的形式表示出来 依 托空间分析模块 三维分析模块等专用模块进行数据分析和总结 自动生成出符 合周围环境要求的最佳路径 然后通过曲线法设计将该路径拟合成符合道路等级 要求的路线 并由此生成一个选择方案 通过变动特征控制点的费用值 重新训 练网络以生成新的费用数据栅格 重复平面线优化过程生成另外的平面设计方案 运用层次分析方法对各方案的经济技术指标进行比较 得出最优的设计方案 关键词 线形设计 g i s 神经网络 平面线形优化 费用栅格 a bs t r a c t i nt h er o u t ea l i g n m e n to fh i g h w a y r a i l w a ya n do t h e rl i n e a rp r o j e c t l i n et y p ed e s i g n i sam u l t i p r o f e s s i o n a lc o m p r e h e n s i v ep l a n n i n gw o r k r o u t ed e s i g n e r sm u s tm a k e l u s eo ft h e i rk n o w l e d g ef o rt h er o u t el o c a t i o ni nw h i c ht h e yn e e dt oa n a l y z et h et e r r a i n g e o l o g y h y d r o l o g ya n ds oo n a f t e rt h a tt h ed e s i g n e rw o u l dm a k ea ni d e a lr o u t ew h i c h i sa c c e p t a b l ee c o n o m i c t e c h n i c a lf e a s i b i l i t ya n dh a r m o n i o u sw i t ht h ee n v i r o n m e n t h o wt oe x p r e s st h ef a c t o r sw h i c he f f e c tr o u t ed i r e c t i o nw i t hr e a s o n a b l en u m e r i c a lo r m a t h e m a t i c a la p p r o a c h a n dc h o o s et h em o r es u i t a b l ep a t hc o n t r o lp o i n tw h i c ha d a p t st o t e r r a i na n dh a sl o w e ra l i g n m e n tc o s t i st h ec o n t i n u o u sr e s e a r c hd i r e c t i o nf o rr o u t e d e s i g n e r s t h em a j o rf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h er o u t ed i r e c t i o ni nt h i sp a p e ra r ed i v i d e di n t ot e n s u b s e t su n d e rs i xc l a s s e si n c l u d i n gg e o l o g i c a ld i s a s t e r s e n v i r o n m e n t a li m p a c t l a n du s e t y p e s e l e v a t i o ne f f e c t s l o p ee f f e c t a n dd e v i a t i o n i nw h i c ht h el a n du s et y p e sa r e d i v i d e di n t ot h ef a r m l a n d f o r e s t1 a n d w a t e ra r e a p o n d s h o u s er e m o v a l h a v i n g a n a l y z e dt h e s ei m p a c to ff a c t o r so n eb yo n e i tm a k so u tq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v e a n a l y s i s a n dc o n s i d e r sd e v i a t i o na sa ne f f e c t i o nf a c t o rf o rt h ef i r s tt i m e m o r e o v e r i t t r a n s f o r m sl i n et y p er e q u i r e m e n to fd i f f e r e n tr o a dg r a d et oa p p r o p r i a t em a t h e m a t i c s f o r m t 1 1 i sp 印e ra s s i g n st h ec o s tv a l u eo fs o m ec h a r a c t e r i s t i cp o i n t si na l i g n m e n t d i s t r i c t sb a s e do ne x p e r t se x p e r i e n c e u s i n gn e u r a ln e t w o r ka sar e s e a r c ht o o l i th a s e s t a b l i s h e dn e u r a ln e t w o r km o d e lo fi n f l u e n c ef a c t o r sa n dc o s tv a l u e e s t a b l i s h e s n o n l i n e a rt r a n s f o r m a t i o nr e l a t i o n sb e t w e e ni n p u tv a l u ea n do u t p u tv a l u e u s i n gg i sa st h er e s e a r c hp l a t f o r m t h ed a t ao fi n f l u e n c i n gf a c t o ra n dc o s tv a l u e w i l lb ee x p r e s s e sa sr a s t e rf o r m i tc a r r i e so nt h ed a t aa n a l y s i sa n dt h es u m m a r yd e p e n d s o nt h es p a t i a la n a l y s i sm o d u l e t h et h r e ed i m e n s i o n a la n a l y s i sm o d u l ea n ds oo n a u t o m a t i c a l l yg e n e r a t e so p t i m a lp a t hw h i c hc o n f o l m st ot h ee n v i r o u m e n t t h e nf i tt h i s p a t ht o ar o u t ea c c o r d i n gw i t h1 1 3 a d g r a d er e q u e s t t h e r e f o r eg e n e r a t e sas e l e c t i o n s c h e m e t h r o u g hc h a n g i n gt h ec o s tv a l u eo fc h a r a c t e r i s t i cp o i n t sa n dt r a i n i n gt h e n e t w o r ka n e w i tw i l lg e n e r a t en e wc o s td a t a 鲥d t h e nr e p e a tt h ep l a n el i n eo p t i m a l p r o c e s st og e n e r a t eo t h e rp l a n ed e s i g n s c h e m e c o m p a r i n gt h e e c o n o m i ca n d t e c h n o l o g i c a li n d i c a t o r so fd i f f e r e n tr o u t es e l e c t i o ns c h e m ew i t ha h p i tw o u l do b t a i n s t h em o s ts u p e r i o rd e s i g ns c h e m e k e y w o r d s a l i g n m e n td e s i g n g i s n e u r a ln e t w o r k d e m c o s tg r i d i i 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究 工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 瓤哪 日期 争 昭年 p 月庆日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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和汇编本学位论文 学位论文作者签名 承嘲 日期 知 洚中月扣日 指导教师签名 脯 日期 q q 譬年 月弓 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题提出 在公路 铁路等线形工程的线路设计中 线形设计是一个涉及多个专业的综 合性规划设计工作 线路设计师在选线设计工作中必须充分利用他们的知识 对 地形 地质 水文等自然环境进行分析 以求设计出一条经济上可以接受 技术 可行 与环境相和谐的理想路线 为了提高设计质量和设计速度 自五十年代以 来 道路与铁路领域的专家学者们就开始探索基于数字地形信息的计算机辅助线 路设计的理论和方法 现代数学方法 计算机技术和空间数据收集手段的发展 为利用计算机进行路线方案综合优化提供了技术上的可能 但真正意义上的计算 机自动定线技术是在数字地面模型上定出符合各项工程技术要求的具有三维特征 的线形 由于需要考虑的因素繁杂 算法不成熟 鲜有成果出现 目前的技术研 究集中于公路平面优化 但是要真正实现利用计算机自动完成平面优化设计 还 必须选择合适的优化算法 这是优化设计非常重要的一步 地理信息系统 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 g i s 在最近的3 0 多年内 取得了惊人的发展 并广泛应用于资源调查 环境评估 区域发展规划 公路设 施管理 交通安全等领域 形成了一个跨学科 多方向的研究领域n 1 g i s 已越来 越深入到人们的生产和生活之中 发展成为信息时代最基本的服务系统之一 现 在已有学者将地理信息系统用于公路线形优化设计中 作了相关的研究 1 2 国外研究进展 发达国家现已普遍利用g p s 全球定位系统 航测遥感技术等数据采集手段 采用c a d 技术进行公路设计 将获取的地形数据通过数字地形模型与c a d 系统相 衔接 具有强大的系统集成功能 并将c a d 技术扩展到环境上瞳删n 1 比较著名的 设计系统有英国的m o s s 系统 美国的e s p a d d 公路 桥梁 建筑专家系统 日本 的h i c a d r d c a d 系统等畸3 由于发达国家大规模公路建设时期即将结束 设计类 研究开发比重下降 基于g i s 的交通运营管理类研究开发比重上升n 1 1 3 国内研究进展 国内从八十年代中期开始 随着p c 机和c a d 技术的迅速普及 有关高校 设 计研究单位相继开发出实用型的路线c a d 系统 各个c a d 系统在系统组成结构 第一章绪论 2 系统功能目标上大同小异 都可以完成路线平 纵 横设计计算 土石方计算和 调配 纵 横断面图 路线透视图绘制 各种设计表格的自动打印输出等一般任 务 而在线形优化 人机界面 图形编辑修改 工程数据库应用等方面 则显示 出各自一些特色哺m 脚 有代表性的如国家 七五 重点科技攻关项目 高等级公 路路线综合优化和c a d 系统 交通部二院r d s l 程序系统 辽宁省勘院g l l x c a d s 系统 广东省勘院c k x r c a d 系统 中交规划设计院r i c a d 道路集成设计系统 以 及基于w i n d o w s 操作环境的东南大学r o a d l 0 动态 交互式道路c a d 系统 海德 公司的h e a d 程序系统等 1 9 9 0 年代后期的网络优化法由于要计算网格间的连通费用 而且缺乏地理信 息系统 g i s 的支持嘲n0 i 因此其成本区划分以及网格连通费用计算量非常大 动态 规划法具有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 1 9 9 5 年焦李成n 妇提出将遗传算法用在优化算法中 2 0 0 0 年易思蓉 邓域才n 2 1 将知识库技术 交互式图形技术 优化方法和数据库技术相结合 开发了一个铁 路新线设计智能c a d 原型系统 p i r l c a d 2 0 0 0 年慕永峰 朱昌勇 李建n 踟采用离 散高程点建立三角网d t m 能够在多方面应用 如生成等高线 建立地面模型 计 算土方量 而在线路设计中要以土方的变形函数为目标函数 采用d t m 有利于设 计过程的数字化 2 0 0 1 年李远富 薛波 易思蓉n 如介绍了基于多目标模糊综合优 选模型的铁路线路设计方案综合优选决策系统软件的研制与开发过程 给出了其 应用算例 较好地解决了传统方法在各方案定量与定性指标出现交叉时难于评优 的问题 2 0 0 2 年易思蓉n 町将产生线路初始平面的过程分为两个连续的子过程 首 先根据航空折线寻求一条链式折线线路 然后对链式折线线路平面进行圆顺处理 生成直线一曲线一直线型线路平面 再进行线路平面初步优化设计后 即可得出 线路初始平面方案 2 0 0 4 年陈秀玲n 7 1 将遗传算法应用到公路纵断面优化设计中 经计算机编程进行实例计算 证明了遗传算法在纵断面优化设计中的可行性 2 0 0 4 年易思蓉n 踟在分析领域知识特点的基础上 提出面向对象类规则知识表达模式 并将此方法用于表达铁路选线设计领域知识 实例证明 类规则知识表达模式 将产生式规则知识表达法与面向对象技术相结合 在知识表达方面能有效灵活地 表达铁路选线领域的决策类知识 2 0 0 6 年马庆雷n 钔将遗传算法运用到公路平面线 形优化设计中 该方法能更好地解决了目前传统算法难于处理的一些问题 首先 根据平面初始解建立一个可行域 利用浮点编码选择平面坐标作为染色体 然后 对可行域中的可能解用一个评价函数来度量 利用交叉 变异算子在可行域中选 择最优解 经实践表明 该方法具有全局解空间搜索能力 从而实现了全局寻优的 目的 对公路平面优化设计是有效 可行的 第一章绪论 3 分析以上方法 可以看出还是存在以下若干问题 1 采用遗传算法必须构造适应度函数 并需要选用适当的形式 但这个形 式不方便确定 需要不断进行实验测试 且约束条件的有效处理和遗传因子的设 计还需要更深入的论证 2 网络优化法涉及到网格间的连通费用计算 对于大区域选线来说 其数 据组织和算法计算非常麻烦 如果没有g i s 的支持将难以开展 应用动态规划法 必须要求问题满足最优化原理 无后效性以及子问题的重叠性 否则与其他算法 相比并不能体现优越性 梯度投影法只能适用于地形变化不大的地区 否则迭代 过程发散 在接近最优解时变化动荡 3 使用d t m 可以提高工作效率 但并不是一种路线优化的手段 采用面向 对象类规则知识表达模式虽然可以使选线环境和约束条件的智能地表达 但不能 生成实际的路线 且目前在实际中还没有应用实例 4 上述各种算法和方法都是根据初始平纵线进行优化设计 但没有说明这 些线是怎样产生的 初始线的选择对优化结果影响很大 有时甚至是致命的 所 以必须要有一种手段保证初始线方案能有最优解 这些程序算法大多是分别基于纵断面或者平面进行的 虽然有些综合考虑了 平纵面因素 但是由于平面优化设计牵涉的问题太多 各种因素错综复杂 因此 如何建立合适的目标函数或者采用其他更有优势的算法充分反映这些综合因素 如何建立一个平面线形综合评价标准 分阶段的 以取得合理的路线最优方案 还 有大量的课题有待深入研究 1 4 研究背景 1 4 1 需求方面 我国国民经济的持续 健康发展 注定了公路交通基础设施建设在目前和今 后一段时间仍然处于一个繁荣发展阶段 特别是对于广大农村地区来说 经济的 发展促使农民群众修好公路 农村公路是农村地区最主要甚至是一些地区惟一的交通方式 是关系到农民 群众的生产 生活 关系到农村经济社会发展 关系到社会主义新农村建设和全 面建设小康社会的重要基础设施 近年来 我国进一步加快了农村公路建设步伐 农村公路建设得到了快速发展 据交通部公路司资料显示 截至2 0 0 6 年底 我国 农村公路总里程已达到3 0 2 6 万公里 其中县道5 0 6 万公里 乡道9 8 8 万公里 村道1 5 3 2 万公里 9 8 2 7 的乡 镇 8 6 4 0 的建制村实现了通公路 8 0 6 3 的 乡 镇 6 0 3 9 的建制村实现通沥青 水泥路 8 3 2 的建制村实现了通客运班车 第一章绪论 4 农村公路建设的快速发展对改善农村交通状况 改善农村生产和生活条件 发展农村经济 增加农民收入 促进农村地区的精神文明建设 促进农村经济社 会全面协调可持续发展发挥了重要作用 1 4 2 技术手段 g i s 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 是在计算机软件和硬件的支持下 运用系统工程和信息科学的理论 科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据 以提供规划 管理 决策和研究所需信息的技术系统 作为计算机和空间数据分 析方法作用于许多相关学科后发展起来的一门边缘学科 g i s 技术由于能及时地抓 住当今各国政府对地理 资源和环境信息日益重视这一时代特点 已成为各国商 业公司 科研机构和高等院校极为关注的 热点 领域 经过不断的发展g i s 技术已经从管理与运用简单的d e m 发展到复杂的二维地 理属性区模型 并具有了一定的辅助分析与决策功能 但至今为止包括路线c a d 在内的土木工程c a d 技术与g i s 技术基本上是在各自领域独立发展 究其原因是 土木工程c a d 技术在自动处理构造物基点 或边界点 局部定位定线问题以及充 分利用数字化的勘测信息方面仍处在较低的水平 而g i s 主要以管理大范围小比 例尺地表属性区模型数据和视觉分析为主 其分析决策功能发展缓慢 还没有研 究解决大范围内的路线带选择或规划用地的自动选址问题 澳大利亚澳联邦科 学与工业研究组织 c s i r o 在此问题上的研究处于国际较先进的水平 目前的成果 已经在全世界进行了大量的试验 提供了许多参考方案 本论文依托国家自然科学基金项目 基于综合数字地面模型的3 d 空间计算机 定线的算法研究 项目号5 0 4 7 8 1 2 1 这个课题 主要研究基于定线区域地表空间 数据和属性数据模型 其它约束以及目标条件下的线形工程计算机定线的核心算 法 以实现在一定范围内生成满足一定设计目标条件的部分或全部路线要素方案 1 5 研究主要内容 本文以g i s 为研究平台 使用神经网络方法 在栅格数据条件下探索公路路 线的自动生成 此过程力求解决问题的关键技术在于 路线影响因素的定量化过 程 选线费用值以及最佳路径的生成及路线平面优化 基本的技术路线 建立数 字地面 费用 模型 通过人工神经网络等先进技术实现路线影响因素值与选线 费用值之间的相互对应 在g i s 环境下运用空间分析等功能实现最佳路径以及路 线平面线方案的生成 论文从以下四个方面讨论公路选线技术 其研究的主要内容有 1 构造物位置 形态确定的数学方法描述 需求目标的指标模型建立 第一章绪论 5 2 设计目标 选线 定位与定形约束条件的一般数学表达 包括描述约束 条件的种类 形式与特性 影响路线走向的选线因素分类 定性定量分析 因素 的组合分析 神经网络模型建立与训练 3 综合数字地面模型的建立 相关地表属性的自然与社会属性分区的定义 数据的组织与管理 包括数据类型 数据结构 数据格式和数据关联 4 在g i s 和a n n 环境下 依据数字地面模型 探求起终点 控制点间道路 路线的走向 力求工程量少 环境影响程度低 线形组合合理的平面方案 1 6 论文组织结构 包括结论在内 本论文共有六章 第一章介绍了目前山区公路线形设计在国内外的发展概况 剖析了科学计算 的可视化技术 探讨了公路线路的三维可视化 并概述了本论文的研究背景 研 究内容以及组成结构 第二章介绍了目前公路选线设计中的计算机辅助设计方法 探讨在g i s 环境 下进行的选线理论与方法 提出了综合数字地面模型的概念 第三章根据纸质地形图 矢量化后形成数字地形图 并对地形地物进行了分 层分类归纳 建立属性数据库 基于等高线生成数字高程模型 结合影响因素生 成了数字地面模型 为g i s 环境下进行栅格选线设计确立了数据基础 第四章详细介绍了基于g i s 和神经网络进行公路选线的过程 从选线因素的 分类分析 到定性和定量分析 数据在g i s 环境下的转换操作等 讨论了神经网 络用于公路选线的可行性 建立了影响因素与选线费用值之间的神经网络模型 并在m a t l a b 环境下进行了数据训练实验 结果表明 在良好的训练样本参与下 可以获得较好的费用栅格值 在g i s 下生成了最佳路径线 并将拟合的最佳路径 进一步优化 形成了平面主线设计方案 第五章结合有关科研课题 选用了一个实例按照第四章的方法进行了选线设 计 并生成了三个方案 结果表明选用g i s 和神经网络进行公路选线设计是可行 的 并能提高现有选线工作效率 结论部分对本文进行了系统地概括和总结 并提出了需进一步研究的问题 第二章基于g i s 的公路选线设计原理与方法 6 第二章基于g is 的公路选线设计原理与方法 2 1 计算机辅助选线设计 2 1 1 计算机辅助设计方法 当前计算机技术及相应支撑软件系统的发展日新月异 更新迅速 大大促进 了c a d 技术的发展 目前路线c a d 技术已发展成集数据采集与处理 设计 分析 优化于一体的集成化 智能化技术哺1 比较典型的智能化c a d 系统有 突出公路几 何设计的德国c a r d 系统 以数据采集 处理和图象输出为一体的芬兰r o a d c a d 道 路系统 美国i n t e r g r a p h 公司的i n r o a d s 系统 英国的m x 系统 目前的计算机路线辅助设计主要集中在平纵面上的线形设计与优化以及路线 方案比选中 纵断面线计算机辅助设计 在1 9 9 4 年就出现了图形交互式道路纵断面设计c a d 系统 李金宝h 1 则用二次 n u r b s 曲线描述公路纵断面线形 对于直线段和益线段采用统一的数学模型表达 便于公路纵断面拉坡和曲线要素计算及优化处理 薛军等畸1 介绍了一种利用计算机 产生公路初始纵断面线程序的方法 该方法利用三角形高程加权来对原始纵断面 线进行平顺 并通过改变平顺范围来产生不同的平顺曲线 该方法用最小二乘法 对这些平顺曲线的交点进行初步优化后的节点即可视为初始变坡点 再将这些变 坡点相连 并经过约束处理后 就产生了一条初始纵断面线 吕希奎 陈建平等 1 提出了一种以拟合坡度 人工建库 动态拉坡 静态调坡四种方法相结合的计算 机辅助设计的新方法 刘朝阳 3 采用平顺技术及最小二乘法拟合坡线来控制填挖方平衡 并且把纵 断面设计约束条件归结为几何标准约束与标高控制约束来进行处理 以满足几何 设计标准及构造物对纵断面设计线的要求 楼小女口1 以坡度控制和挖填方量为主要 指标 利用曲线拟合法建立公路高程控制函数 提出了一种能够控制填挖方平衡 保护环境 降低土方工程造价 并能够有效控制坡度及坡度变率的纵断面优化方 法 阎保定 郭跟成等隅应用遗传算法对公路纵断面进行优化设计 取得了令人满 意的结果 证明了遗传算法在纵断面优化设计中的可行性及全局寻优的性能 郭 跟成 孙立功等嘶1 还研究了利用动态规划法进行公路纵断面优化设计的理论和方 法 平面线计算机辅助设计 很多专家学者从样条曲线拟合路线平面位置的角度出发 提出了许多见解 第二章基于g i s 的公路选线设计原理与方法 屠书荣阳3 用样条曲线拟合公路平面线形的可行性和优越性 提出了采用局部坐标下 利用三次样条曲线进行公路平面线形优化设计的建议 丘晓坚 吴国雄等n 们通过 分析发现 在公路平面线形的自动化设计中 多用样条曲线来拟合线形 但是如 何将拟合曲线转化为传统的平面线形是其中的关键技术 他们提出了一种从拟合 曲线曲率图转化为传统平面曲线曲率图 采用最小二乘法转化为平面曲线的方法 平纵面综合设计计算机辅助 冯春n 认为道路线本质上是空间曲线 过去受设计条件限制才按平面线形和 纵断面线形分两步进行 他们应用随机动态规划模型来优化道路的空间线形 对 纵断面优化和平面线形优化同时进行了考虑 该方法主要思想是对某个初始方案 进行一次次的随机搜索 直到满足终止的约束条件为止 从而在三维道路选线自 动化设计方法方面做了一次很好的尝试 王伟良 钢增军n 朝针对公路平面线形相 交交点的计算问题 分析了两线形相交的多种情况 提出了各种情况下 线形相 交的计算模型 丘晓坚 缪鸱 詹振炎n 4 1 模拟纸上定线的方法 提出了计算机交 互式的直接设计路线评价线形的方法 同时还建立了基于线元的动态调整线形线 位的设计计算模型 对复杂平面线形组合的交互设计问题是一个新的思路 路线方案比选计算机辅助设计 闫玉霞n 6 1 应用模糊数学中的模糊综合评判模型 通过提取道路选线的影响指 标对道路方案进行评价 并且己用于多个实际工程中 陈继光 吕学昌等n 7 采用灰 色局势决策方法 在专家给出的分项定性 定量评语的基础上 把结论进行模糊 映射 量化成各局势上的效果测度 进而构造局势综合决策矩阵 对各线路方案 的优劣进行简明 准确的序次排列 李修刚 王炜等n 8 1 提出用g i s 的图形叠置法 对道路周围环境的敏感程度和道路对环境的影响程度进行评价 该方法是g i s 的 空间分析功能和矩阵法结合起来分析噪声 空气污染等在沿路线两侧的分布 提 出了影响程度系数的概率 张光辉 李向军n 叫分析了传统的以投资为主要目标函 数的道路方案选择的局限性 指出公路选线要综合考虑问题 应以道路初始建设 投资 道路后期维护和运营相结合的综合费用作为方案评价目标函数 3 s 技术选线设计 近年来随着3 s 技术的不断发展 已经在公路选线领域发挥了越来越大的作用 与传统的平纵面区分设计不同的是 它能根据采集的数据综合考虑选线环境影响 能提供给工程技术人员更多的定量化选线环境信息 选出更符合路线等级要求 环境影响程度低的公路平纵面线方案 袁佩新 新建清等啪1 在雅安一攀枝花公路 选线工程中 利用遥感数据对道路沿线的地质状况进行了解释 并且介绍了遥感 图像综合解释的技术思路及取得的主要成果 王福建 吴国雄等汹1 把布尔运算的 方法引入到数字地面模型的建立中 提出了一种在生成三维道路模型的同时可计 第二章基于g i s 的公路选线设计原理与方法 算道路挖填方量的方法 蒲浩 宋占峰等口7 1 利用d e l a u n a y 三角化算法构建数字 地面模型 基于分割 归并思想完成道路三维实体造型 最后采用模型的视相 关简化技术和虚拟纹理库实现了道路场景的实时计算与较好真实感的实时显示 同时他们把三维可视化和路线c a d 系统集成 到达路线设计成果可视化和辅助设 计的效果 他们开发的软件包d i g i r o a d v 4 0 已应用于多个高速公路设计和铁路改 造的工程中 取得了很好的效果 2 1 2 计算机辅助选线技术的总结与展望 在过去的很长的时间里 许多专家学者在c a d 方面进行了大量的研究和实验 开发了大量的计算机应用程序 也同时开展了c a d 与其他大型应用程序的联合应 用研究 获得了很多科研成果 但是仍然还存在以下几方面的问题 1 目前的研究太集中于c a d 方面的技术研究 研究领域过于集中 许多很 好的应用型工具还没有引起足够的重视 如3 s 技术等 与这方面相关的路线设计 系统还没有生成 2 计算机辅助道路选线的研究是一项多因素的综合决策问题 但大多数研 究者所提出的理论与方法或算法模型都只是建立在对影响因素的一个或者少数几 个方面的基础之上的 因而缺乏系统性与完备性 3 目前大部分都是在平面上进行道路设计 即使采用了三维的手段也多半 是用于三维模拟 即仅是对设计成果的三维展示 并非真正意义上的三维理论与 方法 在以后的道路选线中自动化 智能化程度将越来越多 选线技术也将更先进 在这过程中需要解决许多问题 其中包括 1 公路自动选线的系统性研究 道路选线是一个多因素协调的决策问题 计算机辅助道路选线的研究是一项系统工程 研究的范围不止于路线本身 由于 道路的修建对道路沿线今后的环境 社会 经济将产生巨大的影响 道路的日常 运营也面临一系列的问题 因此还要环境影响 社会公共安全等做出适当的评估 2 方法的实践性和可操作性 计算机辅助道路选线研究必须从实际应用出 发 其研究成果应该有较强的可操作性 从而使道路选线的理论与方法真正能够 实现 自动化 和 智能化 3 逐步将路线从平面设计向三维设计转变 事实上真正的公路选线在空间 上应该是一条能客观反映地形和其他环境因素情况的三维曲线 现在计算机功能 和算法不断发展 使我们有了更便捷和方便的工具进行三维空间里面的选线研究 第二章基于g i s 的公路选线设计原理与方法 9 2 2gis 选线的原理与方法 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 用地理信息系统完成了一条高等级公路的选线和初步设计 该项目中很好地解决 了环境分析 选线定线等问题 还包括对野生动物 森林 水 土壤 植被的保 护和土地利用等相关问题 在公路方案比选技术上 我国经历了一个漫长的发展过程 刚开始只是单一 的考虑使公路适应地形 减少工程造价 后来发展为将地形条件和地质因素相结 合的比选技术 即平面线型之间的比选 先在图上进行分析 然后把不同的设计方 案测设到实地 再通过计算土石方 排水防护 路面 桥涵 交叉工程 征地拆 迁等工程量 利用工程造价计算出工程建设成本 最后就可以根据不同方案的建 设成本以及它们在使用期内所创造的经济效益的对比 选择最优的路线方案 目前 一些专门的道路设计软件可以进行路线设计 但是在路线综合评价等 方面由于缺少g i s 技术的支持 而显得不尽如人意 许多可以利用g i s 技术解决 的问题往往诉诸于手工操作 g i s 技术以其强大的数据管理和空间处理能力显示了 在复杂路线设计方面的优点 以被越来越多的人重视 研究 已有人提出了若干 算法并进行了相关实验验证 效果显著 2 2 1gis 平台简述 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 从表现形式来看 它表达的 是空间位置及所有与位置相关的信息 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 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 2 2 2gis 的数据结构与选择 采用g i s 作为研究平台 首先必须考虑合适的数据组织形式 g i s 数据在计算 机中的表示方式有很多种 口前用的最为广泛的有基于坐标的矢量数据结构和基 于规则格网的栅格数据结构 除此之外 考虑到矢量和栅格数据两者特点的综合 人们还提出了基于矢量和栅格结合的数据结构 以及面向多媒体数据管理的超图 数据结构等 第二章基于g i s 的公路选线设计原理与方法 l o 栅格数据是用二维规则栅格覆盖整个连续区域 如计算机存储的图片 扫描 仪扫录的结构数据等 在栅格表达中 每一个位置点表现为一个单元 每个单元 都以一定数值表示诸如高程 土地利用类型 土壤状况等地理现象 栅格数据结 构类型具有 属性明显 位置隐含 的特点 它易于实现且操作简单 有利于基 于栅格的空间信息模型的分析 如在给定区域内计算多边形面积 线密度 栅格 结构可以很快算得结果 而采用矢量数据结构则麻烦的多 但栅格数据表达精度 不高 数据存储量大 工作效率较低 如要提高一倍的表达精度 栅格单元减小 一半 数据量就需增加三倍 同时也增加了数据的冗余 因此 对于基于栅格数 据结构的应用来说 需要根据应用项目的自身特点及其精度要求来恰当地平衡栅 格数据的表达精度和工作效率两者之间的关系 另外 因为栅格数据格式的简单 性 其数据格式容易为大多数程序设计人员和用户所理解 基于栅格数据基础之 上的信息共享也较矢量数据容易 2 2 3 综合数字高程模型 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 数字高程模型 数字高程模型是通过有限的高程数据实现对地形曲面的数字化模拟或者说是 地形表面形态的数字化表示 随着地理信息系统 空间数据基础设施等的发展和 建设 d e m 已作为一个独立的产品而存在 越来越广泛地用来代替传统的地形图中 的等高线对地形的描述 成为空间数据基础设施中的 4 d 产品之一和地理信息 系统的核心数据库以及进行地学分析的基础数据 从另一个角度来看 d e m 还代表 一种地形的数字建模过程 d e m 的基本的理论和数据处理方法 全面反映了地理信 息系统的空间分析的基本思路和方法 其建模过程也可用于模拟其他二维表面上 连续变化的非地形特征 还可应用于地表过程模拟 地学建模等方面 因此数字 地面模型不仅代表一种产品 还代表一种方法 故数字高程模型应该是数据以及 数据处理 表达和分析方法的统一体 d e m 的实质是二维空间上的定位和数值描述 它的两种重要的结构 基于规则格网的d e m 及基于不规则的三角网的d e m 综合数字地面模型 在保持d e m 平面位置不变的情况下 用相应的位置上用地貌类型取代高程 这就可得到该地貌类型的数字模型 例如 用坡度取代高程可得到坡度数字模型 同样对非地形要素也可建立其数字模型 把非地形要素通过编码的方式转化为数 字的形式 取代d e m 格网单元上的高程 即形成相应的数字模型 能够用数字模 型进行分析的因素很多 主要有自然环境信息及社会生活信息两大部分 自然资 第二章基于g i s 的公路选线设计原理与方法 1 1 源与环境信息有 地质 土壤类型 土地利用 降雨量 水资源 植被覆盖 气 候 道路 居民点 厂矿企业等 社会与经济信息有 地区人口分布 工农业生 产总产值 交通网络分布 社会发展规划等 这些因素可采用与d e m 相同的原理 建立各自的数字模型 例如 对于一个区域的地质 可以通过遥感或地质雷达获 取信息 制作地质判释图 根据不同的地质类型对工程的适宜程度进行编码 用 不同的编码值代替所分布区域的d e m 格网单元的高程值 从而形成数字地质模型 综合数字地面模型 s d t m 就是在d e m 的基础之上 叠加上述自然环境信息 和社会生活信息形成的 d e m 用于处理地形数据的处理方法同样也适应于处理非地 形数据的处理 同一类型 不同的类型数字模型可按照需求进行各种线性 非线 性的运算 例如通过对数字高程模型求下一阶导数或进行一次差分运算便可得到 数字坡度模型和数字坡向模型 而对数字坡度模型和数字坡向模型再进行求导运 算 便可得到反映坡度和坡向变化率的数字模型 综合数字地面模型是建立在道 路勘测设计g i n 空间数据基础上 以g i s 空间分析功能为工具 与人机交互选线 过程紧密结合的空间数字模拟模型 它能综合不同的数据源 包括地图 d e m g p s 数据 图像和表格 这些数据来源可在一起显示和动态链接 故g i s 用于完成探 索性数据分析 数据库管理和数据可视化等有关的任务是很有用的 2 2 4 栅格数据选线 基于综合数字地面模型上的道路选线的基本思想是将数字地面模型的概念扩 大 把影响选线的各种因素 如土地费 路面建筑费 土方费 社会和环境效益 等转化为选线因素基本地图 对基本地图内每个栅格中各个因素对道路布线的适 宜性作出评价 然后将评价值赋予栅格地图栅格单元的属性值 表示在该栅格单 元内考虑单因素下的布线费用高低 即建立数字费用模型 通过某种转换手段如 神经网络法 将因素评价值转化为一种选线费用值 形成综合数字费用模型 将 之以矩阵形式储存于计算机内 g i s 最短路径程序调用存在综合数字费用模型中 的数据计算最小累积成本 最小累积成本经过的轨迹就是较优路径 并同最短路 径分析技术相结合 选出较优路线方案 最好的路线在模型上应该是沿最凹处走 即费用最低处 因而可得最低的总费用 沿着其它的凹处以及穿过高价区域之 间的路线乃不适宜的路线 这样能很快得到若干个较优的方案 然后经过评价选 出比较优的路线 2 3 本章小结 本章系统总结了国内外在路线平纵面设计的主要研究方法 以及基于这些研 究方法开发的计算机处理程序 这些程序算法大多是分别基于纵断面或者平面进 第二章基于g i s 的公路选线设计原理与方法 1 2 行的 虽然有些综合考虑了平纵面因素 但是仍以交互式设计为主 对于大范围 内的选线工作并不具备优势 基于g i s 平台的公路选线可以利用数字高程模型和 综合数字地面模型在空间数据处理方面的优势 以栅格数据的形式选出比较满意 的路线 文中描述了g i s 环境进行路线设计的数据组织方式 考虑各种影响路线 走向建立了综合数字地面模型 在栅格数据层上利用最短路径等方法生成最佳路 径 形成路线方案以备比较 第三章地形数字化和综合数字地面模型建立 1 3 第三章地形数字化和综合数字地面模型建立 数字高程模型是通过有限的高程数据实现对地形曲面的数字化模拟或者说是 地形表面形态的数字化表示 随着地理信息系统 空间数据基础设施等的发展和 建设 d e m 已作为一个独立的产品而存在 越来越广泛地用来代替传统的地形图中 的等高线对地形的描述 成为地理信息系统的核心数据库 以及进行地学分析的 基础数据 从另一个角度来看 d e m 还代表一种地形的数字建模过程 d e m 的基本 的理论和数据处理方法 全面反映了地理信息系统的空间分析的基本思路和方法 其建模过程也可用于模拟其他二维表面上连续变化的非地形特征 还可应用于地 表过程模拟 地学建模等方面n 5 嚣i 数字高程模型不仅应该是数据处理 表达和 分析方法的统一体 而且在模拟地面实际地物情况同时能挖掘内部数据的深层次 关系 也即综合数字地面模型的本质 能够用数字模型进行分析的因素很多 主要有自然资源与环境信息及社会与 经济信息两大部分 自然资源与环境信息有 地质 土地利用 降雨量 水资源 植被覆盖等 社会与经济信息有 地区人口分布 工农业生产总产值 交通需求 量 社会发展规划等 这些因素可采用与d e m 相同的原理建立各自的数字模型 本章主要是将纸质地形图数字化成电子地图 并将各种属性因素进行分类设 计和输出 以等高线形式建立数字高程模型 融合地形地貌等因素后形成数字地 面模型 为便于在g i s 环境下进行选线分析 3 1 地形数字化 综合数字地面模型首先需要采集选线区域内的地形 专题属性并转化为建模 软件支持的数据格式 数据采集的方法通常有三种 既有地形图的扫描数字化 电子测量仪器地面测量及航空摄影测量 采集方法的选取依赖于勘测设计单位的 软硬件设备 从目前公路勘测设计的现状来看 一般勘测设计单位均具有扫描仪 和电子测量仪器 且a r c g i s 系统针对上述数据来源 均提供有数据接口 收集的 数据可以转换为g i s 数据系统的几种主要数据格式 如e s r i 公司的a r c i n f o c o v e r a g e a r c s h a p e f i l e e 0 0 格式 a u t o d e s k 的d x f 格式 d w g 格式 m a p i n f o 的m i f m i d 格式 i n t e r g r a p h 的