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        基于GIS技術的公路選線方法探討

        2013-11-16 11:54:16
        交通運輸研究 2013年1期
        關鍵詞:公路評價方法

        錢 晨

        (新疆生產(chǎn)建設兵團勘測規(guī)劃設計研究院,新疆 烏魯木齊 830002)

        0 引言

        公路的選線過程是一個涉及多影響因素、多目標的綜合優(yōu)化過程。選線設計手段不斷發(fā)展進步,從傳統(tǒng)的純手工設計發(fā)展到基于AutoCAD平臺的線路軟件設計。近年來,越來越多的專家學者將GIS引進到選線設計領域中來,利用GIS強大的決策功能,空間分析功能,輔助線路設計。GIS公路選線方法備受重視,因此對GIS公路選線方法的研究顯得尤為重要。

        遙感是對遙遠目標的感知,遙感技術指的是利用航天、航空飛行器,借助多彩紅外、光譜等電磁波對地球地表的掃描和觀測,從而得到能夠反映地表特征的影像圖。在勘察設計中會出現(xiàn)多個路線方案選擇,路線方案選擇的是否恰當,直接影響項目的道路功效是否完善及投資的大小。傳統(tǒng)評價的方法有兩種:一是專家會議法,這種方法由專家利用其經(jīng)驗進行分析,不能客觀進行評價;另一種是層次分析法(Analytical Hierarchy Process,簡稱AHP),該方法最大的不足是判斷矩陣由決策和專家主觀判定。為解決這一問題,必須采用一種科學的方法,對各種路線方案做出科學評價,從而選出最優(yōu)設計方案。

        1 公路線路選線原則

        1.1 景觀協(xié)調考慮。要結合沿線地貌、地質、植被條件,路線布設順勢而為,線形走向盡可能與河流、山川勢相吻合,盡量接近自然,達到再造景觀與自然景觀的和諧統(tǒng)一。

        1.2 貫徹“舒適、安全、環(huán)保、和諧”的設計理念,堅持“不破壞就是最大的保護”的原則。

        1.3 運行車速檢驗。根據(jù)地形、地質條件,合理運用工程技術標準,采用適宜技術指標,確保整體結構的連續(xù)、均衡。

        1.4 線形指標掌握。根據(jù)地形、地質條件,在充分保證行車安全,少占農(nóng)田、環(huán)境保護的前提下,不片面追求高指標,以保持線形連續(xù)、行駛順暢、環(huán)境優(yōu)美、景觀協(xié)調。

        2 GIS公路選線方法

        地理信息系統(tǒng)(Geographic Information system,簡稱GIS)是地理學、計算機科學、地圖學和測量學等學科的交叉,它是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎,采用地理模型分析方法適時提供多種空間的和動態(tài)的地理信息,為地理研究和地理決策服務的計算機技術系統(tǒng)。

        2.1 GIS的數(shù)據(jù)特點

        在計算機中,GIS是用數(shù)字語言來描述地理實體的。在GIS中的數(shù)據(jù)可以分為兩種類型:空間特征數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù)。空間特征數(shù)據(jù)表示空間實體的位置或現(xiàn)在所處的地理位置以及拓撲關系和幾何特征。而表示和地理對象的空間位置無關的信息,稱為屬性特征數(shù)據(jù),以數(shù)字符號等來表示。

        2.2 GIS的主要功能

        GIS的主要功能主要包括以下方面:

        a)制圖功能 GIS的綜合制圖功能包括專題圖制作,在地圖上顯示出地理要素;

        b)數(shù)據(jù)的操作與處理功能 地理信息系統(tǒng)屬于空間型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),但它同樣具備一般數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所具備的數(shù)據(jù)處理功能;

        c)空間疊置分析 空間疊加就是將兩個或多個圖層以相同的空間位置重疊在一起,經(jīng)過圖形和屬性運算,產(chǎn)生新的空間區(qū)域的過程;

        d)緩沖區(qū)分析 緩沖區(qū)是以某類圖形元素為基點拓展一定的寬度而形成新區(qū)域;

        e)網(wǎng)絡分析 對地理網(wǎng)絡進行模型化和地理分析,是地理信息系統(tǒng)中網(wǎng)絡分析的重要功能。

        2.3 公路線路設計任務

        線路設計的首要任務是依據(jù)線路使用性質和任務,按既定線路方案和技術標準,并結合實際的地質、地形條件,確定線路平面位置,這個過程被稱為平面選線。線路的大致走向確定后,綜合考慮選擇合適的線路橫、縱、平設計,并對線路的參數(shù)進行進一步設計,并優(yōu)化調整局部段。

        2.4 基于GIS的公路選線方法

        GIS不僅是一個圖庫管理系統(tǒng),而且它還具有空間分析的功能,包括數(shù)字地形模型分析、影像分析、地理變量多元分析等。GIS系統(tǒng)空間分析方法適用于處理公路線路、鐵路設計等所需地形、水文、地物等各方面數(shù)據(jù)。

        2.4.1 勘測設計數(shù)據(jù)采集

        選線設計是建立在勘測數(shù)據(jù)的基礎之上,公路勘測信息數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、種類繁多的特點。通過GIS可以實現(xiàn)對野外勘測獲取數(shù)據(jù)進行相應數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)編輯、質量控制、數(shù)據(jù)管理和檢索統(tǒng)計等操作。

        2.4.2 平面、縱斷面圖形交互設計

        圖形交互設計功能主要滿足縱斷面、線路平面的輔助設計需求。根據(jù)線路平面交互設計需求,設計人員可以根據(jù)需要完成移動增加或刪除曲線交點、交點位置、改變曲線半徑等功能?;贕IS的縱斷面、平面交互設計過程中,對控制線路走向的重點設施或特殊地質、不良地質必須繞避的控制點,系統(tǒng)發(fā)出警告信息會提示設計人員;信息數(shù)據(jù)庫會將設計的成果數(shù)據(jù)自動進行保存,生成接口數(shù)據(jù),供相關專業(yè)使用。

        3 應用遙感技術動態(tài)設計

        公路選線動態(tài)設計具體分3個部分:管理部分、現(xiàn)狀分析和對下階段的預測分析、調整。

        3.1 管理部分

        這部分是動態(tài)設計的核心,因為只有將數(shù)據(jù)分析結果盡快的傳送給決策者,決策者才能準確地判定,給出合理選線方案。

        3.2 現(xiàn)狀分析和對下階段的預測

        利用遙感圖像結果,根據(jù)設計原則,判斷公路線路選擇的可行性,并預測其工程造價、安全性、政策性以及可持續(xù)發(fā)展等。具體實施的步驟如下:首先分析彩紅外航空照和片衛(wèi)星影像數(shù)據(jù),然后對遙感圖像進行恢復處理。

        3.3 調整設計方案

        根據(jù)遙感圖像調整得到的設計方案,綜合分析是否達到要求,并以此為依據(jù)進行優(yōu)化調整。這一環(huán)節(jié)是動態(tài)設計過程中的重要環(huán)節(jié),這樣往復循環(huán),最終給出最優(yōu)公路選線的設計方案。

        4 DEA改進模型在公路選線綜合評價中的應用

        4.1 DEA方法的基本思想

        DEA(Data Envelopment Analysis,數(shù)據(jù)包絡分析)是一種直接利用輸入和輸出數(shù)據(jù),建立非參數(shù)的模型,從而進行經(jīng)濟分析和綜合評價研究的一種方法。DEA方法是使用數(shù)學規(guī)劃模型評價具有多個輸入和多個輸出的部門或單位間的相對有效性。它利用最優(yōu)化概念確定指標的權重,對于不同評價方案,權重的分配不盡相同;此外,對于輸入和輸出指標之間的復雜聯(lián)系,可以沒有確定的表達式,不僅簡化了問題,而且使評價結果變得客觀公正。

        4.2 評價實例

        4.2.1 確定原則

        根據(jù)《公路工程技術標準》(JT GB01—2003)。

        4.2.2 輸入指標

        A1為路線建設成本定量指標;A2為施工方案的定性指標,該項指標包括技術規(guī)范和施工方法等。

        4.2.3 輸出指標

        B1為路線項目20年的經(jīng)濟效益,B2為路線環(huán)境影響,B3為路線所在地的社會經(jīng)濟效益,B4為路線自身風險(見表1)。

        表1 不同方案比較研究

        對于上述方案,分別建立基于虛擬決策單元的DEA模型并計算,可以得到各方案的評價效率值(見表2)。

        表2 不同路線方案的計算對比

        5 結語

        綜合了GIS、遙感動態(tài)設計方法的公路選線理念,結合改進DEA模型在公路選線中進行綜合評價,為實現(xiàn)智能選線自動化提供了可能。信息的處理、空間數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)庫的建立,為選線中全面的考慮各方面因素提供了基礎。用于路線方案評選的方法還有價值工程綜合評價法、多層次分析法等,可以進行綜合應用,以達到最優(yōu)的設計效果。但是由于道路選線是非常復雜的綜合性問題,需要考慮的因素很多,需要進一步研究建立更加合理統(tǒng)一的數(shù)學模型來求解,保證路線方案多個目標協(xié)調統(tǒng)一。

        [1]侯建軍.應用遙感技術動態(tài)設計公路選線[J].工業(yè)科技,2011,(3):35-36.

        [2]劉勁松,趙力.基于GIS公路選線方法探討[J].科技信息,2011,(1):335.

        [3]陳重光,賀國.DEA改進模型在公路選線綜合評價中的應用[J].交通科技濟,2011,(3):102-103.

        [4]Winston,W.L.運籌學概率模型應用范例與解法[M].4版.李乃文,譯.北京:清華大學出版社,2006.

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