GIS技术及在公路路线措施设计中的应用探讨 .docx

精品名师归纳总结GIS 技术及在大路路线方案设计中的应用探讨袁功青（华南理工高校 土木与交通学院 ，广东 广州 510640）摘要： 简要介绍了的理信息系统（GIS ）的定义以及特点、大路路线设计。对的理信息系统GIS 在大路选线、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： 的理信息系统（ GIS ）。大路路线设计。大路选线。平面设计。纵断面设计1 引言交通运输是现代文明的象征，特别是大路运输,由于其灵敏机动、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,大路建设也已经成为衡量一个的区经济状况和 进展潜力的重要指标。在大路建设中，大路路线设计是一项基础性工作，它不但直接关系到使用质量和工程技术经济的合理，而且影响到路线在大路网中能否起到应有作用，影响到日后施工、养护、营运和大路的改建与进展。大路路线设计包括选线和平纵横设计。选线是依据大路的使用任务和性质，按既定的技术标准和路线方案，结合实际的势的质条件，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运算。过去这些运算多接受运算器进行，不仅繁琐、工作量大，而且简洁出错.当遇到复杂线形时，为了削减过多的工作量，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，由于的势图表示方法的抽象性和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熟识不充分，从而直接影响到了路线走向的支配，这些不足是传统的设计方法本身无法克服的。然而随着的理信息系统 Geographic InformationSystem,简称 GIS 技术的进展和应用深化，这些问题正逐步得以解决。本文就GIS 应用于大路路线设计作初步探讨，并在某试验区进行了GIS 支持下的大路路线设计。2 的理信息系统概述2.1 GIS的定义及数据特点1、GIS 的定义的理信息系统是运算机科学、的理学、测量学、和的图学等多门学科的交叉，它是以的理空间数据库为基础，接受的理模型分析方法适时供应多种空间的和动态的的理信息，为的理争论和的理决策服务的运算机技术系统。从表现形式来看，GIS 表现为运算机软硬件系统，其核心是治理、运算、分析的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全部与位置相关的信息，所以， GIS 又是的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的图。因此，GIS 也可简洁定义为“用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达的理空间数据的运算机信息系统。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结的理信息系统区分于其他治理信息系统的最主要特点是它具有治理的理空间数据，并能依据其在实际空间的相对位置关系对之进行处理分析的才能。它对的理空间数据的这种处理分析功能，组成了的理信息系统实际应用的最主要方面。2、GIS 数据特点在运算机中， GIS 是用数字来描述的理实体（或称为“的理对象”）的。的理实体在 GIS 中的这种数字组织与表达形式，即GIS 的数据模型。在 GIS 中，用于表示的理对象位置、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，表示的理对象空间特点的数据，主要有两种数据模型即矢量数据模型和栅格数据模型，而的理对象属性数据的表示，就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是GIS 主要的数据模型之一。类似于矢量的图，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的理对象的。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、面的理实体。从理论上说，矢量数据描述的是连续空间，因而它能精确的表达的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，构筑的理实体及其图形表示的邻接、连通、包含等拓扑关系，从而有利于的理信息的查询、网络路径优化、空间相互关系分析等的理应用。栅格数据就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， 而数字矩阵本身就描述了实体的属性或属性编码。栅格数据是运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，甚至特的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，且便于运算机进行处理，特别是储备和显示。2.2 GIS的功能1） 数据储备与治理的理信息系统属空间型数据库治理系统，但它同样具备一般数据库治理系统所具有的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结数据输入、储备、编辑、查询、显示和输出等基本功能，另外为了中意各种用户的要求， 仍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、的图边缘匹配等。主要的运算有算术运算、关系运算、规律运算和函数运算等。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。的理信息系统的空间数据和属性数据结构形式，为大路选线供应了一个完善的基础数据支持平台。2） 数字的图功能GIS 在电子版的的图上显示信息。不同于纸版的图显示的是固定的的理区域，GIS 用户能够与数字的图中的任何的理信息进行实时的交互，这表达在，用户可以通过的理信息系统，移动的图，放大、缩小的图以及看到和查询更加详细的信息。为了支持数字的图的功能，的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的理空间位置的信息，从运算机的角度可称空间位置数据，也常称的图数据，图形数据。其次类是与事物的的理位置无关，反应事物其他特点的信息，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，长度可以忽视不计，如水井、监测站等。所谓线是该事物的面积可以忽视不计，但长度走向很重要，如道路、河流、的下管线等可在的图上用线来表示。所谓面是该事物具有特定的，封闭的边界，如行政区域、房屋建筑在的图上就是由线围成的不规章的多边形。所谓三维表面是该事物在确定的理范畴内是连续变化的，其边界是模糊的，如不规章的的势表面等。的理信息系统将点，线，面，三维表面储存在运算机中，成为事物的空间数据。的理信息系统最基本的功能是将分散收集到的空 间、属性信息输入到运算机中，建立起有相互联系的数据库。数字的图的制作，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空间的规章划分，所以没有空间图形的运算，由于各个栅格的位置、大小对叠置层都应当是一样的。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定与运算，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。在大路的自动化选线中，利用空间叠加分析功能将的势图中的各属性层叠加，通过新的空间区域运算选线所需数据。4） 缓冲区分析缓冲区是以某类图形元素点、线或面 为基础拓展确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供应数据。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，只是运算更为简洁，并且具有明显的扩展特色。5） 的势分析的势分析是的势环境任知的一种重要手段。从的势分析的复杂性角度，可以将的势分析分为两类 :一类是基本的势因子包括坡度、坡向、粗糙度的运算。另一类是复杂的的势分析，包括通视分析、的势特点提取、水系特点提取、水文分析、道路分析等。这些的势可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结分析的内容与的势模型是紧密相关的。不同结构的的势模型对应的的势分析方法也不同，如基于规章格网的的势分析与基于T1N 的的势分析，以及基于等高线的的势分析在算法与处理上都不同。6） 三维分析三维信息是二维平面信息向立体方向的扩展，日常人们所见的的势起伏，高耸的建筑物等都是三维的概念，它们是现实世界的真实表达。从测绘的角度讲，的势图纸是一个平面，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的表示出来，如用等高线方式描述的势的起伏状况，用层数标注来大体说明建筑物的高度等等。在 GIS 技术中供应两种模型描述三维信息。（ 1）数字的势模型 简称 DTM数字的势模型，通常定义为描述的面特点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，的面特点可以是的貌、土壤、土的利用、土的权属等等。 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，或由多项式或傅里叶级数所确定的曲面方程。数字的势模型是对区域的理空间数据描述的基本形式和手段之一，是进行的理空间分析的基础数据。（ 2）数字高程模型 简称 DEM将数字的势模型的的面特点用于描述的面高程，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的势模型的基础，通过DEM可以便利的获得的表的各种特点参数，其应用可遍及整个的学领域。随着对二维平面数据结构及其分析方法争论取得比较成熟的成果，对三维方法的争论势在必行，三维分析功能也逐步成为的理信息系统功能的一个重要组成部分。7） 数据表现功能的理信息系统能够制作专题的图，就是指使用各种图形样式图形化的显示的图的基础信息的一类的图。利用专题的图可依据表中的特定的值来赋给的图对象颜色、图案和符号，从而把各种数据图形化，很直观、形象的显示在的图上。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，而且可以依据用户需要分层输出专题的图以显示不同要素、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 在大路路线设计中的应用3.1 GIS应用于大路选线GIS 是在运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，科学治理和综合分析具有空间内涵的的理数据，以供应对规划、治理、决策和争论所需信息的技术系统。GIS 不仅仅是一个图库治理系统，更重要的是它具有空间分析功能，包括数字的势模型分析、空间特点的几何分析、网络分析、影像分析和的理变量的多元分析等.这些空间分析功能为用户供应明白决多种问题的有效手段，可以帮忙人们从宏观的、科学的角度来熟识世界，作出正确的决策。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结接受托付任务资料收集可行性论证规定据点大路选线数据库空间分析得到把握的段、的点确定大致的路线布局内插把握点得到转角点、拟定曲线半中意否？NoYes选线确定图 3.1 GIS 支持的大路选线流程帮忙大路选线的GIS 所需的数据主要包括：与路线方案有关的规划、方案、统计资料及的质、水文、气象资料和各种比例尺的的势图、的质图。依据这些信息，GIS 可以生成数字的势模型 DTM ，帮忙设计者宏观的熟识整个沿线的区。综合的分析评判各个因素对路线选择的影响程度。依据大路设计技术标准的要求，分析出把握点，以人机交互的方式选择合适的路线，并显示在DTM 上。 GIS 支持下大路选线流程如图3.1 所示。3.2 GIS用于大路路线平面设计大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 可依据设计车速 v、横向力系数 、超高率 i、用公式 R=v2/127* +i 运算出 .当 、i 取得设计最大值时， R 有最小值。这就是大路上圆曲线的最小半径 .在大路设计时，只要的势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，能使大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适，多接受回旋线形式。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可依据确定的公式推算出。在直线与圆曲线之间设置缓和曲线，仍必需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，一般接受圆心不动的平行移动，所以只需判定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。受的势、的物限制是路线设计中常遇到的情形。当的势的物限制较大时，往往要经过多次的试算比较，才能确定出合适的路线。例如，当弯道受确定限制时，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的物相切或相交时，就重新选择一个通过点。当实在不能适应的势时，可考虑改用复曲线。复曲线可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结一般先定出受的势限制较严的一侧曲线半径，然后再依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，平面设计运算工作时间是很长的。接受GIS 技术，在运算机支持下，各曲线要素能够快速运算出来，并通过运算机显示在屏幕上，供人们观看。此外，仍可供应所定的平面方案所对应的纵、横断面信息,并可输出纵、横断面的面线略图。仍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，以选定正确状态图 3.3。图 3.2 缓和曲线要素图 3.3 平曲线设计流程图3.3 GIS用于大路路线纵断面设计路线纵断面设计是在路线纵断面图上准备坡度、坡长、竖曲线半径等数值以及进行有关的运算等工作。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，可运算出竖曲线要素 图 3.4，即竖曲线长度 L 、切线长度 T 和外距E。用 GIS 帮忙纵断面设计时，依据大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。运算机依据变坡点信息和设计要求，运算出竖曲线要素，并显示出来。设计人员据此进行修改，直至中意。同时，运算机能运算出当前纵断面方案中所对应的土石方累积曲线,供设计人员参考图 3.5。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 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用于大路路线横断面设计横断面设计主要是绘出横向的面线后，依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大路设计量中占很大比例，且重复工作量大。接受GIS 帮忙设计后，可以大大提高工作效率。其基本工作方式为 :将横断面的面线数据通过数字化输入或依据平纵设计结果由GIS 自动产生。设计人员依据设计要求和各路段的详细情形定义各段的标准设计断面，由运算机据此自动设计。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在大路路线设计其它方面的应用GIS 在大路路线初步设计中是有所作为的.除以上几个方面， GIS 在大路路线设计的其它方面也能发挥作用。GIS 可以实现的理坐标与里程桩号的相互转换，这就解决了传统表达方式与精确定位的冲突，既保证了运算的精确,又符合工程、治理人员的习惯.用 GIS 来运算路线长度、确定里程桩位置、处理断链等问题,是特别简便的。GIS 仍可应用于工程量的估算。土石方数量是选择路线的一大因素，应用GIS 帮忙路可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结线设计时，土石方数量的运算精确而快捷。土石方数量可使用平均断面法来求出.公式为 :A1 、A2 为相邻两桩号的断面面积，L 为 A1 、A2 的距离 .当 A1 、A2 相差很大时 ,接受公式：式中， m=A1/A2,A1为小面积， A2 为大面积。断面面积就是横断面图上原的面线与路基设计线所包围的面积。可先由GIS 算出设计线与原的面线的交点坐标及高程，然后运算出所围多边形的面积,即断面面积。4 结语本文简洁的介绍了 GIS 技术的概念以及特点和功能，并对 GIS 在大路选线、大路平面设计、纵断面设计、横断面设计等方面的应用进行了探讨。把 GIS 技术应用于大路线形设计，可以大幅度削减设计的工作量，加快设计速度。参考文献：1 陈易、李满春 .GIS 在大路路线设计中的应用J. 科技通报， 1998.2 陈俊，宫鹏 .有用的理信息系统 M. 北京:科学出版社， 1998.3 陈彭述，鲁学军 .周成虎 .的理信息系统导论 M. 北京 :科学出版社， 2001.4 杨兆升，朱中 .智能运输系统 GIS 设计的 J.中国大路学报， 1998.5 宋小东，叶嘉安. 的理信息系统及其在城市规划与治理中的应用M. 北京 : 科学出版社2001.6 张雨化 .道路勘测设计 M. 人民交通出版社，2001.7 张廷楷等 .道路路线设计 M. 同济高校出版社 ,1990.8 黄杏元等 .的理信息系统概论M. 高等训练出版社 ,1989.可编辑资料 - 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