GIS技术及在公路路线方案设计中的应用探讨

1、GIS技术及在公路路线方案设计中的应用探讨袁功青（华南理工大学 土木与交通学院 ，广东 广州 ）摘要：简要介绍了地理信息系统（GIS）的定义以及特点、公路路线设计。对地理信息系统(GIS)在公路选线、路线平面设计、路线纵断面设计、路线横断面设计及其他方面的应用作了进行了探讨。关键字： 地理信息系统（GIS）；公路路线设计；公路选线；平面设计；纵断面设计1 引言 交通运输是现代文明的象征，尤其是公路运输,由于其灵活机动、快捷和经济,在生产运输和人民生活中发挥着越来越重要的作用.现在,公路建设也已经成为衡量一个地区经济状况和发展潜力的重要指标。在公路建设中，公路路线设计是一项基础性工作，它不但直接

2、关系到使用质量和工程技术经济的合理，而且影响到路线在公路网中能否起到应有作用，影响到日后施工、养护、营运和公路的改建与发展。公路路线设计包括选线和平纵横设计。选线是根据公路的使用任务和性质，按既定的技术标准和路线方案，结合实际地形地质条件，从全局着眼，局部入手,综合考虑，选择合适的路线平纵横设计是在路线选定后，进一步确定路线的参数，并据此对局部路段作必要的调整。实际上，在选线过程中经常要进行参数的计算。过去这些计算多采用计算器进行，不仅繁琐、工作量大，而且容易出错.当遇到复杂线形时，为了减少过多的工作量，一般仅考虑一两组元素进行组合试算，以致线形设计不够优化。同时，由于地形图表示方法的抽象性和

3、概括性及人的视野的局限性,有时造成设计人员对整个区域的认识不充分，从而直接影响到了路线走向的安排，这些不足是传统的设计方法本身无法克服的。然而随着地理信息系统(Geographic Information System,简称GIS)技术的发展和应用深入，这些问题正逐步得以解决。本文就GIS应用于公路路线设计作初步探讨，并在某实验区进行了GIS支持下的公路路线设计。2 地理信息系统概述2.1 GIS 的定义及数据特点1、GIS 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

4、地理决策服务的计算机技术系统。从表现形式来看，GIS 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，GIS 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，GIS 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。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、GIS

5、数据特点在计算机中，GIS 是用数字来描述地理实体（或称为“地理对象”）的。地理实体在 GIS 中的这种数字组织与表达形式，即 GIS 的数据模型。在 GIS 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。 图2.1 GIS数据分类 矢量数据模型

6、是 GIS 主要的数据模型之一。类似于矢量地图，GIS 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。GIS 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。 栅格数据就

7、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。2.2 GIS 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

8、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。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GIS 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，GIS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

9、。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

10、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 GIS 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

11、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。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

12、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 T1N 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

13、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GIS 技术中提供两种模型描述三维信息。（1）数字地形模型(简称 DTM)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。DTM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

14、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 DEM)将数字地形模型的地面特征用于描述地面高程，这时的 DTM 被称为“数字高程模型”，简称 DEM。数字高程模型是建立各种数字地形模型的基础，通过 DEM 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。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

15、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 GIS 最重要的功能之一，GIS 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。3 GIS在公路路线设计中的应用3.1 GIS应用于公路选线 GIS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，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的技术系统。GIS不仅仅是一个图库管理系统，更重要的是它具有空间分析功能，包括数字地形模型

16、分析、空间特征的几何分析、网络分析、影像分析和地理变量的多元分析等.这些空间分析功能为用户提供了解决多种问题的有效手段，可以帮助人们从宏观的、科学的角度来认识世界，作出正确的决策。 接受委托任务资料收集公路选线数据库可行性论证规定据点空间分析得到控制地段、地点确定大致的路线布局内插控制点得到转角点、拟定曲线半径满意否？选线确定YesNo图3.1 GIS支持的公路选线流程辅助公路选线的GIS所需的数据主要包括：与路线方案有关的规划、计划、统计资料及地质、水文、气象资料和各种比例尺的地形图、地质图。根据这些信息，GIS可以生成数字地形模型(DTM)，帮助设计者宏观地认识整个沿线地区；综合地分析评价

17、各个因素对路线选择的影响程度；根据公路设计技术标准的要求，分析出控制点，以人机交互的方式选择合适的路线，并显示在DTM上。GIS支持下公路选线流程如图3.1所示。3.2 GIS用于公路路线平面设计 公路的平面线形一般由直线、圆曲线和缓和曲线组成。圆曲线半径R可根据设计车速v、横向力系数、超高率i、用公式R=v2/(127*(+i)计算出.当、i取得设计最大值时，R有最小值。这就是公路上圆曲线的最小半径.在公路设计时，只要地形条件许可都尽量使用较大的曲线半径，只有在某些特别困难的场合，才能考虑使用最小半径。缓和曲线插设于直线和圆曲线之间，能使公路曲线更符合汽车行驶时重心的轨迹，以保证行车安全与舒

18、适，多采用回旋线形式。在两直线段的转角，缓和曲线长度，紧接圆曲线的半径确定后，缓和曲线各要素(图3.2)可根据一定的公式推算出。在直线与圆曲线之间设置缓和曲线，还必须将原有的圆曲线向内移动，才能使缓和曲线的起点位于直线上。圆曲线向内移动的方式，一般采用圆心不动的平行移动，所以只需判断圆曲线端点与缓和曲线端点的坐标是否相同就可完成这个工作。受地形、地物限制是路线设计中常遇到的情况。当地形地物限制较大时，往往要经过多次的试算比较，才能确定出合适的路线。例如，当弯道受一定限制时，可以先选择一个通过点，反算出半径，再据此半径算出圆曲线上各点坐标。当这条圆曲线与其他地物相切或相交时，就重新选择一个通过点

19、。当实在不能适应地形时，可考虑改用复曲线。复曲线一般先定出受地形限制较严的一侧曲线半径，然后再根据切线差算出另一侧曲线的半径。当两半径之比超过1.5时，应在两圆曲线之间插入缓和曲线，构成卵形曲线。这个过程中可以选择多种半径进行试算，选择其中最适合者。对于传统设计方法，平面设计计算工作时间是很长的。采用GIS技术，在计算机支持下，各曲线要素能够迅速计算出来，并通过计算机显示在屏幕上，供人们观察。此外，还可提供所定的平面方案所对应的纵、横断面信息,并可输出纵、横断面地面线略图；还能够将多组参数下的图案同时显示或输出，供设计人员比较分析，以选定最佳状态(图3.3)。 图3.2 缓和曲线要素 图3.3

20、 平曲线设计流程图3.3 GIS用于公路路线纵断面设计 路线纵断面设计是在路线纵断面图上决定坡度、坡长、竖曲线半径等数值以及进行有关的计算等工作。在变坡点处应设置竖曲线，形式为二次抛物线。已知竖曲线半径R、两纵坡段的变坡角后，可计算出竖曲线要素(图3.4)，即竖曲线长度L、切线长度T和外距E。用GIS辅助纵断面设计时，根据公路平曲线各点的坐标，可以内插出各点的高程，从而获得现状纵断面。设计人员可应用人机交互设备，在屏幕上进行拉坡处理。计算机根据变坡点信息和设计要求，计算出竖曲线要素，并显示出来。设计人员据此进行修改，直至满意。同时，计算机能计算出当前纵断面方案中所对应的土石方累积曲线,供设计人

21、员参考(图3.5)。 图3.4 竖曲线要素图3.5 纵断面设计流程 图3.6 横断面设计流程3.4 GIS用于公路路线横断面设计横断面设计主要是绘出横向地面线后，根据纵断面设计所确定的路基填挖高度、路基宽度、边坡坡度、边沟尺寸绘出路基的外廓线。横断面设计的工作量在整个公路设计量中占很大比例，且重复工作量大。采用GIS辅助设计后，可以大大提高工作效率。其基本工作方式为:将横断面地面线数据通过数字化输入或根据平纵设计结果由GIS自动产生；设计人员根据设计要求和各路段的具体情况定义各段的标准设计断面，由计算机据此自动设计；在自动设计完成后，横断面显示在屏幕上，设计人员逐个进行检查，对不合理的设计进行修改(图3.6)。3.5 GIS在公路路线设计其它方面的应用 GIS在公路路线初步设计中是有所作为的.除以上几个方面，GIS在公路路线设计的其它方面也能发