复杂山区环境条件下的公路选线技术

摘要：人们希望从源头上减少公路工程的灾害问题的选线设计理念正逐步得以实施，本文就复杂山区环境条件下的公路选线技术从公路计算机辅助设计技术、GIS技术在公路选线中的应用、数学方法在公路选线中的应用三个方面进行了详细的分析和阐述。

关键词：复杂山区 公路选线

Abstract: It is hoped to reduce the highway disasters from the source, thus the design concept of line selection is gradually to be implemented. This paper makes a detailed analysis and explanation of the highway line selection in the complex mountainous area from the computer-aided design technology, the application of GIS technology in the highway line selection, the application of mathematical methods in highway line selection.

Key words: complex mountainous; highway line selection

中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

公路工程的建设对环境的影响已越来越受到全社会的广泛关注，尤其是复杂山区环境条件下的公路工程建设对环境的影响问题显得更为突出。公路建设中选线各种技术的应用体现了人们对环境保护问题的认识正在逐步增强；同时，也体现了人们期望能够从公路工程建设的源头上就注重经济、合理、安全、环保的理念正逐步得以实施。目前，利用现代科学技术实现复杂山区环境条件下的公路工程选线技术，其选线的方法和技术还都比较单一，各种技术的应用主要体现在公路计算机辅助设计技术、GIS技术在公路选线中的应用、数学方法在公路选线中的应用等三个方面。

1.公路计算机辅助设计技术

1.1公路DEM数据采集与表达

根据公路工程测设阶段的不同，在一定带状范围内沿公路初步拟定的路线进行数据采集。目前采用的数据采集方法有：已有地形图数字化、航空摄影测量和遥感、现代地面速测、GPS测量等方法。数字地形模型DEM，是通过存储在计算机上的大量地面点空间数据和地形属性数据，以数字形式来描述地形地貌。用各种方式采集到的数据经过必要的数据处理方可应用，数据处理时首先选择某种方式表达DEM，常用的表达方式有规则格网法、TIN法。规则格网法是把DEM表示成高程矩阵，该表示法最突出的优点是结构简单，计算机对矩阵的处理比较方便，高程矩阵已成为DEM较为通用的形式，但规则格网法表示法也有下列缺点：（1）地形简单的地区存在大量冗余数据；（2）如不改变格网大小，则无法适用于起伏程度不同的地区；（3）对于一些特殊计算，格网的轴线方向往往被夸大；（4）由于栅格过于粗略，不能精确地表示地形的关键特征。TIN表示法利用采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则，把采集的离散点连接成相互连续的小三角面。TIN表示法可根据地形的复杂程度来确定采样点的密度和位置，能充分表示地形特征点和特征线，从而减少了地形较平坦地区的数据冗余。

1.2公路计算机辅助设计系统的应用

公路工程路线方案设计是整个公路项目建设中重中之重，它直接影响到公路工程构造物设置对周围环境的坡坏程度和工程建设费用。目前，通过使用基于AutoCAD平台开发的公路计算机辅助设计系统，设计人员可以摆脱部分繁重的绘图工作和数值计算工作，可以更为高效地完成各项设计任务。目前，国内常用的公路计算机辅助设计系统有路线大师(Roadmaster)系统，纬地（hintcad）系统，EICAD系统等。公路计算机辅助设计系统的主要功能包括：路线的平面、纵断面和横断面设计及相关工程表的绘制，土石方的自动调配和工程量生成，自动成图、分图、布图以及线形透视图和全景透视图的自动生成，生成平面总体图等。

目前常用的公路计算机辅助设计系统大都可以采用人机对话交互定义交点(可以读入交点线文件生成交点线)，该设计方法包括基本对称型、非对称型、复曲线、单卵型和双卵型，还可以处理多个虚交的情况。

2.GIS技术在公路选线中的应用

GIS技术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函的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的技术系统。人们可以在GIS支持下提取地理系统不同侧面、不同层次的空间和时间特征信息，也可以快速模拟自然过程的演变和思维过程，取得地理预测和实验的结果，选择优化方案，避免错误的决策。利用GIS来选线，可以将与选线有关的资料如地形图、交通流量、地质图、规划设计图、环境影响图等多种信息资源输人地理信息系统，形成数字化资源，GIS系统通过有效的数据处理和空间信息分析处理，能有效地提高各种信息的利用率。利用地理信息系统，可以将各种信息进行叠加和复合，有助于选线人员对整个方案的地形、地质、水文、气象、环境等自然条件有一个整体概念，有利于设计。

起初，单纯的基于GIS数字高程模型的选线模型，并没有考虑地质、水文、交通需求、环境影响等因素，没有很好地利用和发挥地理信息系统的特长。

随着GIS技术的发展，在GIS中，按照公路设计等级对初步选定线路做一定距离的缓冲区图层分析，在多层地理数据的支持下，将线路缓冲区图层与其他要素图层做叠加分析，提取并计算其指标信息，再利用相关的数学方法获取各方案的理论评价值，为路线方案的优选决策提供依据。

目前，公路工程选线由最初的地形选线到后来的地形与地质选线相结合再发展为综合考虑地形、地质、环境等因素的多目标空间决策过程，体现了重视公路工程可持续发展的核心理念。基于空间分析与模拟的综合选线方法是指充分利用GIS的空间分析、空间模拟、空间决策支持功能与技术，将公路工程选线各环节步骤在完备的空间数据和空间可视化基础上归于一体。试图实现GIS选线自动化和集成化的一类方法。

GIS对于在地形表面上的三维分析方面的研究日趋成熟，利用GIS的三维空间分析技术可以构造动态可视的地形、地物、地貌，从而从三维可视化的角度优化公路路线设计方案。

GIS空间分析功能的应用，为多层三维数据图的显示观察以及表面数据生成和分析提供了友好的人机交互界面。3D分析技术能将栅格数据和矢量数据在一个表面上生成真实的影像效果。也可以利用GIS的地形环境再现、坡度坡向计算、通视分析技术和构建公路工程全景透视图，从而改善公路工程线形的设计。

3.数学方法在公路选线中的应用

公路工程选线设计方案优选是复杂的多目标决策问题,它涉及技术、经济和环境等多方面的因素，既有定量指标, 又有定性指标。公路优化选线模型建立过程中不同决策因子的选择以及相应权重的不同，都会影响到最后的选线结果。

赵建三等将遗传算法引入到高速公路选线模型优化中，为今后遗传算法在高速公路选线中的应用提供了有益的思路，取得了良好的效果，并针对公路工程选线设计方案优选的复杂性，在采用AHP法构造公路选线优选系统的综合评价指标体系的基础上，结合熵权和模糊数学理论，构造了基于熵权的公路选线模糊层次分析决策模型。朱兴琳等建立了基于灰色加权关联度的高速公路路线方案综合评价方法,并用实例进行了检验。陈立潮提出了一种带有矢量性的密度聚类算法，具有约束聚类方向，减少候选点的特点，以GIS为应用背景，成功应用于高速公路选线，得到了良好的效果。

目前,就数学方法在公路工程选线中的应用的主要体现在理论的研究上面，且方法较为单一，有待于作更进一步的深入研究。

4.结语

山区复杂的地形、地质和生态环境条件严重地制约着公路路线方案的布设，因此，在公路路线设计的各个阶段都必须对各个公路路线方案做深入、细致的研究。

利用GIS的3D分析技术在一定程度上使得公路路线设计更为科学，但是，目前较为成熟的3DGIS仍只能反映地表路面的情况，不能真实反映公路结构、地质情况以及各种环境条件等数据。

在公路路线设计时DEM也只能根据地形、土方量等对公路的几种选线方案进行比较，没有很好的考虑地质情况、经济指标、环境条件等。

鉴于目前公路选线技术相对单一的现状，各种技术在公路设计中运用意义重大，尤其是在公路工程路线优化中，路线方案的优化将直接产生巨大经济效益。因此，非常有必要开展各种现代空间信息技术与公路路线设计研究，将公路计算机辅助设计技术、3S技术和各种数学方法综合运用于公路路线设计及公路数字化选线设计中。

参考文献

秦红艳，任慧，周振红等.3DGIS在公路设计工程中的应用. 地理空间信息,2009,7(1): 68-71.

陈 国 张伯根.现代空间信息技术与公路数字化选线设计.交通科技,2010,7

孙建国，程耀东，闫浩文. 基于GIS的道路选线方法与趋势. 测绘与空间地理信息. 2004 ,12 :53-54

赵建三,周林,张正.高速公路选线模型优化的遗传算法设计. 交通科学与工程.2009,3:96-100.

朱兴琳，方守恩，艾力·斯木吐拉.高速公路路线方案的综合评价.公路工程.2008.10:85-87.

赵建三，尤冬梅. 基于熵权的公路选线模糊层次分析决策模型. 长沙交通学院学报. 2007.3:46-50.