GIS在公路路线设计中的应用分析

2022-07-12赵晓栋

交通世界 2022年16期

赵晓栋

（石家庄市公路桥梁建设集团有限公司，河北石家庄 050000）

0 引言

当前，国内交通行业的发展正逐渐向信息技术方面靠拢，最为明显的是，公路路线的设计已经从传统人工勘探、绘图、设计的形式，转变为GIS 信息技术智能化设计的方式。利用GIS 设计公路路线不仅可以提升公路选线设计、平面设计、横纵界面设计的准确性，还可以有效提升公路的设计水平，因此，加强GIS 在公路路线设计中的应用，对公路建设的发展意义重大。

1 工程概况

某公路工程设计全长48.6km，设计行车速度110m/h，公路整体走向自东向西，共包含服务区2 处，大小桥梁13 座，为确保该公路路线设计的科学性，避免公路施工受地形干扰，经研究决定采用GIS 对公路的路线合理设计，设计内容主要包括公路选线设计、路线平面设计、路线纵、横断面设计等。

2 GIS在公路路线设计中的应用

2.1 GIS系统组成及功能

2.1.1 GIS系统组成

GIS主要由硬件和软件两部分组成，可以基于地理空间数据库，提供不同的地理信息、动态信息、空间信息，再对得到的地理坐标信息、位置信息进行准确分析计算。同时，GIS还可以综合处理信息，利用电子地图的形式采集、模拟、处理、检索、分析表达地理空间数据。因此，GIS可以通过以上方式准确地设计公路路线。

2.1.2 GIS功能

（1）制图功能：GIS 技术中最常用的功能即制图功能，使用GIS 制图功能可使公路路线以图形方式呈现于计算机，设计人员通过图形能够明确路线设计中的各个要素。同时利用GIS 制图功能为图形中的相关参数给予一定的数值范围，使图形能够表现出更加细节的层次。此外，GIS 制图功能还可以为设计人员提供要素图，将公路路线的各个要素分层呈现，以便设计过程中明确不同要素及活动位置[1]。

（2）数据处理：GIS技术主要是对空间数据库进行管理，同时可以实现对普通数据库的管理，在数据库管理工作中的主要任务是存储路线设计中的相关参数。因此，为满足设计人员对数据的要求，GIS具备对数据实施不同操作和处理的功能，可以多种形式将参数提供给设计人员，如表格、统计图、报告、数据等，以满足设计人员的要求。

（3）空间叠加：GIS的空间叠加功能是将两个或多个图层在相同的位置、空间叠合在一起，利用图形和属性的运算，使其产生新的空间区域能力。空间叠加过程中每个图层为一个叠加层，每个叠加层都附带一个综合运算的属性并反映公路路线某一专题的信息，两个图层重合后可通过栅格数据或矢量图数据的方式开展综合运算。其中，矢量图数据的计算精度比栅格数据精度更高。因此，常用的方式为矢量图数据，通过综合属性计算得到的数据，可以为设计人员提供更好的设计思路。

（4）缓冲区：GIS 中的缓冲区是指以路线设计中的某一图形元素为基础，向外扩展一定宽度所得到的区域。缓冲区的存在是路线设计中为达到某种目的而开展空间分析的一部分，缓冲区所分析的数据均来源于其他图形数据的分析结果，如空间叠加中获得的矢量数据或栅格数据，缓冲区数据的计算结果也可以为路线的设计提供参考[2]。

（5）网络分析：GIS 网络分析是对地理网络进行地理分析与模型化的过程，公路路线设计中网络分析属于最重要的基本模型。在GIS 网络模型中，网络主要由各个现状要素连接而成，其主要作用是实现资源的运送，资源在运送过程中可能运送速度会减缓、资源发生消耗。因此，需要在GIS 网络模型中设置合理其分析形式，保证资源的运送效率，GIS 网络分析形式分为三种，即网络符合预测、线路优化、资源分配，其主要结构均为矢量数据，利用GIS 的网络分析形式可以合理保证资源的运送，实现路线的网络模型化。

（6）地形分析：GIS的地形分析功能可以实现对路线周围地形环境的认知，根据地形条件的复杂程度，GIS地形分析大体分为两类，分别为对地形基本因子的计算分析以及对复杂地形的分析。地形分析中的主要内容包括地形特征提取、水系特征提取、通视分析等，通过GIS地形分析功能，可以为地形模型的呈现提供数据参考。

（7）三维信息：三维信息即三维模型，三维模型是二维模型不断立体扩展所得到的成果。三维模型的出现可以更好地帮助路线设计人员了解公路的设计概况，以前公路路线设计中常用的方式为地形图纸，属于二维信息，只能间接表达设计理念，现阶段采用的GIS 技术具有三维信息功能，可提供两种模型对公路进行三维描述，分别为数字地形模型与数字高程模型。数字地形模型是对路线范围内空间数据的描述，数字高程模型是对路线范围内地形模型的描述，通过GIS 三维信息的功能，可以更好地实现公路路线的建模，为路线的设计提供参考[3]。

2.2 GIS设计公路路线

2.2.1 公路选线设计

（1）公路选线设计中，主要利用GIS 的计算机系统及图库管理功能，通过计算机系统的分析，可以得知公路选择路线时的具体空间数据，设计人员利用得到的空间数据可以综合分析选线的合理性并给出设计思路；通过图库管理功能，可以对公路选线设计进行有限元分析并初步建立公路图形，结合对图形及数据的分析，设计人员可以明确公路选线设计中需要的空间、距离等参数，对公路的选线设计时，可以更加直观地分析研究，以便设计人员综合布局公路路线并设计详细的施工方案。

（2）利用GIS 进行公路选线设计中，设计单位需要先组织勘探人员对公路建设场地的环境进行调查，提供每条公路路线走向、沿线地图、地质条件、气候变化、城市规划等基本信息，为路线的设计提供基础依据，GIS 根据得到的基础信息能够对公路路线初步建模，直观地表达设计理念，同时对可能影响公路路线设计的因素加以分析和总结，最后结合要求与标准设计出最佳路线并显示于DTM中。

2.2.2 路线平面设计

（1）公路选线完成后开始路线的平面设计，公路的平面线性主要利用直线、圆曲线、缓和曲线三种组成，其中圆曲线的设计主要位于公路转弯处，圆曲线的半径R可利用公式计算得出，如式（1）：

式（1）中：R为圆曲线的半径；v为设计行车速度（km/h）；μ为横向力系数；i为超高率，利用公式计算式，μ与i的取值尽可能选取最小值，此时得到的圆曲线半径R为最大值，可以保证路线设计的合理性[4]。

（2）路线直线的设计主要位于公路路线的直线段，缓和曲线的设计位于直线与圆曲线之间，利用缓和曲线可保证公路曲线段与车辆行驶的重心轨迹吻合，在路线平面设计时公路曲线段的设计形式为回旋型，以保证车辆行驶的特性，设计中的缓和曲线的各要素，在圆曲线半径R、直线转角、缓和曲线长度确定后，利用公式计算得出。

（3）路线平面设计中主要利用GIS 技术的计算机系统，通过计算机技术的辅助，平面设计过程中可快速准确地对曲线的各个要素进行计算，并直观地呈现于计算机，设计人员以直接观察确定平面设计的各个要素，并对不同参数的平面设计进行对比分析，就能够确定最佳的路线平面设计。

2.2.3 路线纵断面设计

（1）公路路线设计中除平面设计外，还包括路线横、纵断面的设计，其中路线纵断面设计主要是对路线纵断面上竖曲线半径、路线坡长、坡度等参数的确定。竖曲线的位置在公路路线变坡点，其设计形式为二次抛物线，竖曲线半径R的计算通过公式得出，确定竖曲线半径R、变坡脚w后，可利用该参数计算其余各个要素，包括竖曲线的外距E、切线长度T、长度L等，根据计算得知的参数可获得路线纵断面设计图[5]。

（2）路线纵断面设计中应用GIS 技术，可根据路线中各个平曲线点的坐标、高程，得知路线的线状纵断面，设计人员再利用GIS 的计算机系统，对纵断面进行拉坡处理，直至获得最为合理的纵断面图。纵断面设计中如某一坡点发生变化时，会造成其他变坡点的增加减少，甚至坡长也会发生变化，此时GIS 系统中的ARC/INFO 会给出提示内容，设计人员可根据提示信息进行纵断面的修改，直至设计合理为止。

2.2.4 路线横断面设计

（1）路线横断面设计时先绘制公路的横向截面，再结合设计要求与标准开展路线结构性的断面设计。横断面设计中的主要参数包括公路边坡、边沟的尺寸位置，公路路基的宽度、深度、长度等，路线横断面的设计工作复杂，设计周期长，设计过程中设计人员需要反复勘测绘制，以保证横断面设计的合理性。而利用GIS 技术开展横断面的设计，能够有效地提升设计人员的工作效率，保证设计的准确度与合理性[6]。

（2）GIS 技术设计横断面的原理为：先计算得知的横断面相关参数并输入GIS 系统中，利用GIS 的计算机系统，可对获取的数据进行自动核算分析，同时将横断面的设计以图形结构呈现出来。设计人员通过对横断面模型的分析对比，能够明确横断面设计中的不足之处，通过调整相关参数的形式，实现对横断面设计结构的修改与处理，最终可以获得满足设计要求与标准的路线横断面。

2.3 设计中的注意事项

2.3.1 注意路线长度

公路路线设计中，直线段的设计方向明确、设计简单，设计过程中受设计人员的青睐。但如果直线段的设计长度过长，驾驶人员在行驶过程中容易产生疲劳驾驶，驾驶过程中会因为疲劳驾驶而影响驾驶人员的应急反应能力，从而引发安全事故。因此，在公路路线直线段设计时，设计人员应注意综合考虑公路周围的环境，公路的行车速度等因素，合理控制路线长度，路线的长度可通过公式计算得出，如式（2）：