趙曉棟

（石家莊市公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北石家莊 050000）

0 引言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)交通行業(yè)的發(fā)展正逐漸向信息技術(shù)方面靠攏，最為明顯的是，公路路線的設(shè)計(jì)已經(jīng)從傳統(tǒng)人工勘探、繪圖、設(shè)計(jì)的形式，轉(zhuǎn)變?yōu)镚IS 信息技術(shù)智能化設(shè)計(jì)的方式。利用GIS 設(shè)計(jì)公路路線不僅可以提升公路選線設(shè)計(jì)、平面設(shè)計(jì)、橫縱界面設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，還可以有效提升公路的設(shè)計(jì)水平，因此，加強(qiáng)GIS 在公路路線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，對(duì)公路建設(shè)的發(fā)展意義重大。

1 工程概況

某公路工程設(shè)計(jì)全長(zhǎng)48.6km，設(shè)計(jì)行車速度110m/h，公路整體走向自東向西，共包含服務(wù)區(qū)2 處，大小橋梁13 座，為確保該公路路線設(shè)計(jì)的科學(xué)性，避免公路施工受地形干擾，經(jīng)研究決定采用GIS 對(duì)公路的路線合理設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括公路選線設(shè)計(jì)、路線平面設(shè)計(jì)、路線縱、橫斷面設(shè)計(jì)等。

2 GIS在公路路線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 GIS系統(tǒng)組成及功能

2.1.1 GIS系統(tǒng)組成

GIS主要由硬件和軟件兩部分組成，可以基于地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)，提供不同的地理信息、動(dòng)態(tài)信息、空間信息，再對(duì)得到的地理坐標(biāo)信息、位置信息進(jìn)行準(zhǔn)確分析計(jì)算。同時(shí)，GIS還可以綜合處理信息，利用電子地圖的形式采集、模擬、處理、檢索、分析表達(dá)地理空間數(shù)據(jù)。因此，GIS可以通過(guò)以上方式準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)公路路線。

2.1.2 GIS功能

（1）制圖功能：GIS 技術(shù)中最常用的功能即制圖功能，使用GIS 制圖功能可使公路路線以圖形方式呈現(xiàn)于計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)圖形能夠明確路線設(shè)計(jì)中的各個(gè)要素。同時(shí)利用GIS 制圖功能為圖形中的相關(guān)參數(shù)給予一定的數(shù)值范圍，使圖形能夠表現(xiàn)出更加細(xì)節(jié)的層次。此外，GIS 制圖功能還可以為設(shè)計(jì)人員提供要素圖，將公路路線的各個(gè)要素分層呈現(xiàn)，以便設(shè)計(jì)過(guò)程中明確不同要素及活動(dòng)位置[1]。

（2）數(shù)據(jù)處理：GIS技術(shù)主要是對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)普通數(shù)據(jù)庫(kù)的管理，在數(shù)據(jù)庫(kù)管理工作中的主要任務(wù)是存儲(chǔ)路線設(shè)計(jì)中的相關(guān)參數(shù)。因此，為滿足設(shè)計(jì)人員對(duì)數(shù)據(jù)的要求，GIS具備對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施不同操作和處理的功能，可以多種形式將參數(shù)提供給設(shè)計(jì)人員，如表格、統(tǒng)計(jì)圖、報(bào)告、數(shù)據(jù)等，以滿足設(shè)計(jì)人員的要求。

（3）空間疊加：GIS的空間疊加功能是將兩個(gè)或多個(gè)圖層在相同的位置、空間疊合在一起，利用圖形和屬性的運(yùn)算，使其產(chǎn)生新的空間區(qū)域能力。空間疊加過(guò)程中每個(gè)圖層為一個(gè)疊加層，每個(gè)疊加層都附帶一個(gè)綜合運(yùn)算的屬性并反映公路路線某一專題的信息，兩個(gè)圖層重合后可通過(guò)柵格數(shù)據(jù)或矢量圖數(shù)據(jù)的方式開展綜合運(yùn)算。其中，矢量圖數(shù)據(jù)的計(jì)算精度比柵格數(shù)據(jù)精度更高。因此，常用的方式為矢量圖數(shù)據(jù)，通過(guò)綜合屬性計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，可以為設(shè)計(jì)人員提供更好的設(shè)計(jì)思路。

（4）緩沖區(qū)：GIS 中的緩沖區(qū)是指以路線設(shè)計(jì)中的某一圖形元素為基礎(chǔ)，向外擴(kuò)展一定寬度所得到的區(qū)域。緩沖區(qū)的存在是路線設(shè)計(jì)中為達(dá)到某種目的而開展空間分析的一部分，緩沖區(qū)所分析的數(shù)據(jù)均來(lái)源于其他圖形數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，如空間疊加中獲得的矢量數(shù)據(jù)或柵格數(shù)據(jù)，緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果也可以為路線的設(shè)計(jì)提供參考[2]。

（5）網(wǎng)絡(luò)分析：GIS 網(wǎng)絡(luò)分析是對(duì)地理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行地理分析與模型化的過(guò)程，公路路線設(shè)計(jì)中網(wǎng)絡(luò)分析屬于最重要的基本模型。在GIS 網(wǎng)絡(luò)模型中，網(wǎng)絡(luò)主要由各個(gè)現(xiàn)狀要素連接而成，其主要作用是實(shí)現(xiàn)資源的運(yùn)送，資源在運(yùn)送過(guò)程中可能運(yùn)送速度會(huì)減緩、資源發(fā)生消耗。因此，需要在GIS 網(wǎng)絡(luò)模型中設(shè)置合理其分析形式，保證資源的運(yùn)送效率，GIS 網(wǎng)絡(luò)分析形式分為三種，即網(wǎng)絡(luò)符合預(yù)測(cè)、線路優(yōu)化、資源分配，其主要結(jié)構(gòu)均為矢量數(shù)據(jù)，利用GIS 的網(wǎng)絡(luò)分析形式可以合理保證資源的運(yùn)送，實(shí)現(xiàn)路線的網(wǎng)絡(luò)模型化。

（6）地形分析：GIS的地形分析功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)路線周圍地形環(huán)境的認(rèn)知，根據(jù)地形條件的復(fù)雜程度，GIS地形分析大體分為兩類，分別為對(duì)地形基本因子的計(jì)算分析以及對(duì)復(fù)雜地形的分析。地形分析中的主要內(nèi)容包括地形特征提取、水系特征提取、通視分析等，通過(guò)GIS地形分析功能，可以為地形模型的呈現(xiàn)提供數(shù)據(jù)參考。

（7）三維信息：三維信息即三維模型，三維模型是二維模型不斷立體擴(kuò)展所得到的成果。三維模型的出現(xiàn)可以更好地幫助路線設(shè)計(jì)人員了解公路的設(shè)計(jì)概況，以前公路路線設(shè)計(jì)中常用的方式為地形圖紙，屬于二維信息，只能間接表達(dá)設(shè)計(jì)理念，現(xiàn)階段采用的GIS 技術(shù)具有三維信息功能，可提供兩種模型對(duì)公路進(jìn)行三維描述，分別為數(shù)字地形模型與數(shù)字高程模型。數(shù)字地形模型是對(duì)路線范圍內(nèi)空間數(shù)據(jù)的描述，數(shù)字高程模型是對(duì)路線范圍內(nèi)地形模型的描述，通過(guò)GIS 三維信息的功能，可以更好地實(shí)現(xiàn)公路路線的建模，為路線的設(shè)計(jì)提供參考[3]。

2.2 GIS設(shè)計(jì)公路路線

2.2.1 公路選線設(shè)計(jì)

（1）公路選線設(shè)計(jì)中，主要利用GIS 的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及圖庫(kù)管理功能，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析，可以得知公路選擇路線時(shí)的具體空間數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員利用得到的空間數(shù)據(jù)可以綜合分析選線的合理性并給出設(shè)計(jì)思路；通過(guò)圖庫(kù)管理功能，可以對(duì)公路選線設(shè)計(jì)進(jìn)行有限元分析并初步建立公路圖形，結(jié)合對(duì)圖形及數(shù)據(jù)的分析，設(shè)計(jì)人員可以明確公路選線設(shè)計(jì)中需要的空間、距離等參數(shù)，對(duì)公路的選線設(shè)計(jì)時(shí)，可以更加直觀地分析研究，以便設(shè)計(jì)人員綜合布局公路路線并設(shè)計(jì)詳細(xì)的施工方案。

（2）利用GIS 進(jìn)行公路選線設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)單位需要先組織勘探人員對(duì)公路建設(shè)場(chǎng)地的環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，提供每條公路路線走向、沿線地圖、地質(zhì)條件、氣候變化、城市規(guī)劃等基本信息，為路線的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)依據(jù)，GIS 根據(jù)得到的基礎(chǔ)信息能夠?qū)仿肪€初步建模，直觀地表達(dá)設(shè)計(jì)理念，同時(shí)對(duì)可能影響公路路線設(shè)計(jì)的因素加以分析和總結(jié)，最后結(jié)合要求與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出最佳路線并顯示于DTM中。

2.2.2 路線平面設(shè)計(jì)

（1）公路選線完成后開始路線的平面設(shè)計(jì)，公路的平面線性主要利用直線、圓曲線、緩和曲線三種組成，其中圓曲線的設(shè)計(jì)主要位于公路轉(zhuǎn)彎處，圓曲線的半徑R可利用公式計(jì)算得出，如式（1）：

式（1）中：R為圓曲線的半徑；v為設(shè)計(jì)行車速度（km/h）；μ為橫向力系數(shù)；i為超高率，利用公式計(jì)算式，μ與i的取值盡可能選取最小值，此時(shí)得到的圓曲線半徑R為最大值，可以保證路線設(shè)計(jì)的合理性[4]。

（2）路線直線的設(shè)計(jì)主要位于公路路線的直線段，緩和曲線的設(shè)計(jì)位于直線與圓曲線之間，利用緩和曲線可保證公路曲線段與車輛行駛的重心軌跡吻合，在路線平面設(shè)計(jì)時(shí)公路曲線段的設(shè)計(jì)形式為回旋型，以保證車輛行駛的特性，設(shè)計(jì)中的緩和曲線的各要素，在圓曲線半徑R、直線轉(zhuǎn)角、緩和曲線長(zhǎng)度確定后，利用公式計(jì)算得出。

（3）路線平面設(shè)計(jì)中主要利用GIS 技術(shù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)的輔助，平面設(shè)計(jì)過(guò)程中可快速準(zhǔn)確地對(duì)曲線的各個(gè)要素進(jìn)行計(jì)算，并直觀地呈現(xiàn)于計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)人員以直接觀察確定平面設(shè)計(jì)的各個(gè)要素，并對(duì)不同參數(shù)的平面設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比分析，就能夠確定最佳的路線平面設(shè)計(jì)。

2.2.3 路線縱斷面設(shè)計(jì)

（1）公路路線設(shè)計(jì)中除平面設(shè)計(jì)外，還包括路線橫、縱斷面的設(shè)計(jì)，其中路線縱斷面設(shè)計(jì)主要是對(duì)路線縱斷面上豎曲線半徑、路線坡長(zhǎng)、坡度等參數(shù)的確定。豎曲線的位置在公路路線變坡點(diǎn)，其設(shè)計(jì)形式為二次拋物線，豎曲線半徑R的計(jì)算通過(guò)公式得出，確定豎曲線半徑R、變坡腳w后，可利用該參數(shù)計(jì)算其余各個(gè)要素，包括豎曲線的外距E、切線長(zhǎng)度T、長(zhǎng)度L等，根據(jù)計(jì)算得知的參數(shù)可獲得路線縱斷面設(shè)計(jì)圖[5]。

（2）路線縱斷面設(shè)計(jì)中應(yīng)用GIS 技術(shù)，可根據(jù)路線中各個(gè)平曲線點(diǎn)的坐標(biāo)、高程，得知路線的線狀縱斷面，設(shè)計(jì)人員再利用GIS 的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對(duì)縱斷面進(jìn)行拉坡處理，直至獲得最為合理的縱斷面圖。縱斷面設(shè)計(jì)中如某一坡點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)造成其他變坡點(diǎn)的增加減少，甚至坡長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)GIS 系統(tǒng)中的ARC/INFO 會(huì)給出提示內(nèi)容，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)提示信息進(jìn)行縱斷面的修改，直至設(shè)計(jì)合理為止。

2.2.4 路線橫斷面設(shè)計(jì)

（1）路線橫斷面設(shè)計(jì)時(shí)先繪制公路的橫向截面，再結(jié)合設(shè)計(jì)要求與標(biāo)準(zhǔn)開展路線結(jié)構(gòu)性的斷面設(shè)計(jì)。橫斷面設(shè)計(jì)中的主要參數(shù)包括公路邊坡、邊溝的尺寸位置，公路路基的寬度、深度、長(zhǎng)度等，路線橫斷面的設(shè)計(jì)工作復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)人員需要反復(fù)勘測(cè)繪制，以保證橫斷面設(shè)計(jì)的合理性。而利用GIS 技術(shù)開展橫斷面的設(shè)計(jì)，能夠有效地提升設(shè)計(jì)人員的工作效率，保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度與合理性[6]。

（2）GIS 技術(shù)設(shè)計(jì)橫斷面的原理為：先計(jì)算得知的橫斷面相關(guān)參數(shù)并輸入GIS 系統(tǒng)中，利用GIS 的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)核算分析，同時(shí)將橫斷面的設(shè)計(jì)以圖形結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出來(lái)。設(shè)計(jì)人員通過(guò)對(duì)橫斷面模型的分析對(duì)比，能夠明確橫斷面設(shè)計(jì)中的不足之處，通過(guò)調(diào)整相關(guān)參數(shù)的形式，實(shí)現(xiàn)對(duì)橫斷面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的修改與處理，最終可以獲得滿足設(shè)計(jì)要求與標(biāo)準(zhǔn)的路線橫斷面。

2.3 設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

2.3.1 注意路線長(zhǎng)度

公路路線設(shè)計(jì)中，直線段的設(shè)計(jì)方向明確、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)過(guò)程中受設(shè)計(jì)人員的青睞。但如果直線段的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，駕駛?cè)藛T在行駛過(guò)程中容易產(chǎn)生疲勞駕駛，駕駛過(guò)程中會(huì)因?yàn)槠隈{駛而影響駕駛?cè)藛T的應(yīng)急反應(yīng)能力，從而引發(fā)安全事故。因此，在公路路線直線段設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意綜合考慮公路周圍的環(huán)境，公路的行車速度等因素，合理控制路線長(zhǎng)度，路線的長(zhǎng)度可通過(guò)公式計(jì)算得出，如式（2）：

式（2）中：S為直線段的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度（km）；v為公路路線的設(shè)計(jì)行車速度（km/h）；δv為實(shí)際行車速度與設(shè)計(jì)行車速度之間的差值，區(qū)間為15～25km/h。在路線設(shè)計(jì)中可利用公式計(jì)算控制直線段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，從而避免安全事故的發(fā)生[7]。

2.3.2 注意保護(hù)耕地

公路路線設(shè)計(jì)中要注意對(duì)耕地資源的保護(hù)。我國(guó)人口基數(shù)大，耕地資源作為民生發(fā)展的關(guān)鍵資源，對(duì)國(guó)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大，而且耕地資源屬于不可再生資源，其稀有性更為明顯。因此，在路線設(shè)計(jì)過(guò)程中要盡量降低對(duì)耕地資源的占用，盡可能將耕地資源的征用控制在最小范圍，為社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

2.3.3 注意縱坡的安全

公路路線設(shè)計(jì)中勢(shì)必存在縱坡，如縱坡坡度的設(shè)計(jì)過(guò)陡，將影響行車的安全。因此，在公路路線設(shè)計(jì)中，要注意對(duì)路線平均縱坡的合理設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)公路路線前要明確公路沿線的地形條件及安全情況，設(shè)計(jì)過(guò)程中在不違反公路路線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，有側(cè)重點(diǎn)地開展平均縱坡設(shè)計(jì)工作，以降低公路路線設(shè)計(jì)的安全隱患[8]。

2.3.4 注意保護(hù)自然環(huán)境

保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境一直是我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的準(zhǔn)則之一，只有自然與人類和平共處，才能實(shí)現(xiàn)人類的文明發(fā)展，保證發(fā)展的多樣性與豐富性。因此，在公路路線設(shè)計(jì)工作中，要注意對(duì)自然環(huán)境的保護(hù)，設(shè)計(jì)前充分對(duì)路線周圍的環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，設(shè)計(jì)中將對(duì)環(huán)境的影響降至最低，盡可能不去占用自然環(huán)境資源，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的保護(hù)。

3 結(jié)語(yǔ)

利用GIS 開展公路路線的設(shè)計(jì)，不僅可以促進(jìn)路線設(shè)計(jì)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，對(duì)公路路線設(shè)計(jì)中的進(jìn)一步發(fā)展具有巨大的推動(dòng)力，還可以確保設(shè)計(jì)參數(shù)的精準(zhǔn)性，從根本上提升公路質(zhì)量。但是為保證GIS 設(shè)計(jì)的合理運(yùn)用，設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意根據(jù)工程實(shí)際情況開展設(shè)計(jì)工作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境、資源的保護(hù)。