道路选线的数字地理模型

　　摘要：提出了数字地理模型概念，分析了建立的方法及在公路选线中的应用前景
　　关键词：道路选线；GIS；数字地理模型；
　　
　　道路选线在道路勘测设计中占有重要地位。路线选择的优劣关系到车辆运行时间的长短，工程投资和运营费用的多少，以及是否与社会和环境等因素相协调。随着全球数字化技术的发展，道路选线也从原来的人工选线，到航测选线，再到现在研究的自动化选线。自动化选线研究的方向就是结合数字地面模型，运用地理信息系统把地形、地质、水文等数据直接输入计算机，利用计算机自行布线，并经分析提炼优化，使所选公路路线线形达到组合最佳，工程量最省，同时也能与自然地形与周围环境相协调，而数字地形模型又是GIS核心模型的重要组成部分，从系统的角度看，它是建立地形数据库和地理信息系统的基础。因此，数字地面模型（DigitalTerrainModelDTM）利用的好坏决定了线路设计的优劣。本文结合GIS，把DTM在概念上扩大化，建立了道路选线的数字地理模型（DigitalGeographyModel,简称DGM），用于道路选线的进一步研究。
　　
　　1 数字地理模型的提出
　　1.1道路选线问题的定位
　　公路选线涉及自然、社会、经济等诸多因素，应该首先是平面线形的优化问题。因为纵断面优化是在平面线形确定的基础上，采用最优化的方法，合理地确定纵断面上变坡点桩号、变坡点标高（或纵坡）以及竖曲线半径，使纵断面各项技术指标不仅符合技术标准、满足标高控制等要求，而且有尽可能小的工程量与工程费用，尽量高的行驶速度（或尽量短的行程时间）与尽可能少的燃油消耗（或尽量少的营运费用）等。虽然现在平面线形的优化已经取得了一定的成果，但仍然难以得到能够达到公路设计目标的路线方案。通常的路线方案优化是对纵断面进行优化，优化的目标是使工程费用最省。但这种优化往往是以较低的技术指标为代价的，得到的优化结果与实际差别较大，因此平面线形的优化成为科学选线的核心问题。由于选线问题的复杂性，因此在没有实现选线智能化得前提下，道路选线的定位应该是给设计人员提供参考方案而不是产生最终方案。
　　1.2平面优化的方法
　　(1)宽带平面优化
　　所谓宽带范围一般为有考虑价值的1/4路线长度的宽度内。宽带范围内平面优化的目的是在该范围内确定路线的大致走向，寻找一定宽度的“最佳路线走廊”。宽带优化采用的目标函数主要是依据综合费用模型确定的宏观成本，基于道路修建成本最低的原则进行优化。用成本区和成本线来表示线路可能通过范围内的各项特征，然后运用一个运输问题求最短途径的算法来选择最佳和次佳路线。
　　(2)中带平面优化
　　中等宽度地带一般为几百米宽的感兴趣地带。其代表性的程序有美国麻省理工学院的空间线形优化程序OPTLOC以及法国的平面线形优化程序。中等宽度地带平面优化大多采用动态规划法。
　　(3)窄带平面优化
　　窄带范围一般是指几十米宽的感兴趣区域。代表性的程序有英国的HOPS系统中的NOAH程序和德国的EPOS-1程序。HOPS程序采用的是降维的直接搜索方法进行优化。
　　
　　1.3道路选线的影响因素
　　影响选线的因素包括：地形、地质、水文、气象、村镇分布、农田、交通、水利设施、环境、经济、社会人文等多个方面。综合以上影响因素，既有定性的描述也有定量的描述，在利用数字地理模型进行选线时，计算机只能识别数字，因此需要通过一定的系统评价方法给这些影响因子赋予权值。赋权的方法很多，如采用层次分析法，模糊数学，数理统计等方法都可以实现。由于土石方数量在选线时难以计算，可以采用划分高程范围的方法赋予权重。
　　
　　1.4数字地理模型的概念
　　用于路线设计的DTM,更确切的说应该是数字高程模型DEM，其地貌的坡度，坡向等也可以通过DEM求导等方法派生出来，一般用来计算土石方量。道路选线应该综合考虑多种因素的影响，而不是单纯考虑土石方计算，因此应该利用DEM为基础，各点的平面坐标x,y不变，而把高程坐标z用1.3中用层次分析法中的得到的各选线因素的权值p代替，这样形成的数字地理模型为因素数字地理模型，而把各因素的栅格图层叠加形成的费用模型，称为综合数字地理模型，两者统称为数字地理模型。
　　
　　2 数字地理模型的建立
　　2.1数据的采集
　　(1)既有地图扫描数字化
　　把已有的大比例尺地形图进行数字化是目前公路路线初步设计阶段地形数据的主要来源。数据采集按所采用的数字化设备区分，有两种方式，分别是利用数字化仪从地形图采集地形数据和利用图形扫描仪从地形图采集地形数据。利用前者采集的数据精度低于实测精度，所以从地形图采集数据，一般只能用于公路路线初步设计阶段。后者虽然效率较高，但须对已矢量化的数据由人工进行高程安置。
　　(2)利用电子测量设备野外实测
　　从野外控制测量、导线测量、施工放样等工作内容而言，野外实测是不可缺少的，在没有航测资料及地形图的情况下，采用野外测图和采集数据也是目前常用的数据采集方法。野外数据采集目前主要有全站仪、GPS以及按常规方法测量等三种方法。
　　(3)航空摄影测量
　　航空像片含有大量的、丰富的地表信息，从航片上采集数据可直观地观察地表形态，获得可靠的地形数据。航测方法的采用，把繁重的外业工作变成室内作业，节省人力、物力，不但可以大幅度降低劳动强度，提高功效，而且可以保证数据采集质量，提别是由于航测方法的发展，先进航测设备如解析测图仪的应用，给航测数据采集带来极大的方便。所以，利用航测方法获取数据是目前最理想、最有前途的地形数据采集方法。
　　(4)利用遥感技术获取地质信息
　　遥感技术（RemoteSensing,简称RS）是在远离目标的情况下判定、量测并分析目标性质的一种技术。具体来说就是根据电磁波理论，应用现代技术在不用与研究对象直接接触的情况下，从高空或远距离通过传感器接收地面物体对电磁波的反射信号，并将这些信号记录下来，进行人工加工与处理，最后对研究对象的性质特点和数量进行分析判读，这些过程统称为遥感技术。公路选线中主要用于信息复合和专题图像信息提取，以及对地层岩性、地质构造和不良地质、特殊地质等相关信息专题图像的处理等。[!--empirenews.page--]
　　2.2地理空间数据库的建立
　　空间数据库包括图形数据库和属性数据库。空间图形库由描述不同要素的点、线、面拓扑构成，可以通过扫描矢量化输入，属性数据库由描述图元的属性数据构成，可以采用赋给各要素的权重来代替，图形库和属性库可以通过唯一的关键字来连接。数据库可以采用如下的编码方式：
　　(xi,yi,zi,ti,wi1,ti1,wi2……tin,win),这里xi,yi为样点坐标，zi为样点高程，win为各层影响因素的权重，tin表示各因素的层数。
　　2.3数字地理模型的内插方式
　　2.3.1高程数据的内插
　　为了尽量与原始地形相似，可以考虑采用三角网数字地面模型进行高程内插。三角网数字地面模型由所有三角形顶点的三维坐标组成，并把每个三角形看成是有三个顶点高程构成的一个平面。内插公式为：
　　Z=ax+by+c
　　系数可以通过三个已知点的坐标和高程值列方程组求算，求出系数后可以求得任意点的高程值。
　　2.3.2其他属性数据的内插
　　一般来说未知点的属性与离它最近的点的属性状况更为接近，距离远的点对其影响较小。因此可以引入权值，离未知点近的点权值大些，越远权值越小，因此可以采用反距离加权法。表达式为；
　　ZP=
　　Pi=,表示由离散点到所求点的距离。
　　
　　3 数字地理模型的应用
　　(1) 最佳路径选择
　　在GIS平台下，在控制点的连线两侧按一定半径进行缓冲区分析，把区域内的数字高程模型的高程用其他因素的权值所替代，形成各因素的数字栅格图层，然后把各图层的属性叠加，形成综合数字地理模型，这样每一点的属性值可以通过模型得到，既可以进行考虑单因素的选线，也可以把各因素的权值进行代数运算，形成费用模型，利用Dijikstra算法进行综合选线，使设计思路容易实现，减少大量的设计变更工作。
　　(2) 土石方计算
　　土石方计算方面，可以利用数字高程模型来计算。这也是DEM建立初期的主要任务。
　　通常可以根据四棱柱、三棱柱的体积累计原理来进行近似计算。其基本思想均是以基第面积乘以格网点曲面的平均高度。然后进行累积，则可求得基于规则格网DEM的填挖方体积。
　　(3) 建立三维立体图
　　可以在建立三角网数字地面模型的基础上，添加其他地理要素，形成三维立体的模型，
　　有利于对选择的路线方案做进一步的改进和完善。
　　4 结束语
　　综合多因素，结合GIS的数字地理模型，可以更大限度的提高选线的科学性，为选线自动化提供了一种研究方法。相信随着计算机技术的不断发展，这种基于GIS的选线方法会得到更大的发展。
　　
　　
　　参考文献
　　[1]宋小冬，钮心毅编著.地理信息系统实习教程：ArcGIS9.x[M]北京：科学出版社，2007
　　[2]符锌砂编著.公路计算机辅助设计[M]北京：人民交通出版社，1998.3
　　[3]叶义成等编著.系统综合评价技术及其应用[M]北京：冶金工业出版社，2006.1

《道路选线的数字地理模型》

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