GIS技术在公路路线设计中的实际应用与分析

GIS技术在公路路线设计中的实际应用与分析

熊 娟 郑国庆 王 欢 黄晶晶 商 耿

湖北省交通规划设计院股份有限公司 湖北 武汉 430050

摘要：在公路施工中，公路路线设计直接影响公路的使用价值，甚至关系到沿线地区的社会经济效益。因此，公路路线设计十分重要。随着GIS技术的发展，公路路线设计问题得到了充分解决。本文重点论述了GIS技术在公路路线设计中的应用。

关键词：GIS技术；公路路线设计；应用

路线设计是公路建设的基础工作，要保证公路路线设计的有效性，实现公路应有的功能，适应环境，降低成本。GIS技术的应用提高了线路设计水平，在计算机信息系统的帮助下，规划公路路线设计，体现了GIS技术的优势，排除各种因素的干扰。

一、GIS技术概述

GIS技术是以地理空间数据库为基础，利用计算机软硬件处理这些地理空间数据，并将数据输入、存储、检索、分析及结果输出标准化，能利用地理模型分析方法，提供多种空间和地理信息数据。其核心是管理和分析地理位置信息及该位置上属性信息，并以二维或三维电子地图将信息表达出来。

在路线设计过程中，GIS主要用于包括制图功能、数据的操作与处理功能、空间叠置分析，缓冲区分析，网络分析，地形分析，三维分析，路径分析等分析工具，可实现不同资源图与地理数据的叠加计算，系统提供的路径分析能给出两点间的最优设计线路方案。

二、公路路线设计遵循原则

公路线路是公路上各种行驶车辆的依存载体，其建设的优良、质量的保障、线路设计的合理等，均对公路线路上的车辆行驶安全产生直接影响。设计人员在对公路线路进行相关设计时，应充分考虑及遵循以下原则：

1、定线以曲线为主原则。设计简洁、方向明确的公路线路易让驾驶员在车辆行驶中感到单调疲乏，从而降低安全警惕性，不利于安全驾驶。因而，避免公路设计中的直线路线过长，最佳长度控制可参考的公式为20(v+δv)，其中v是设计行车速度，δv是公路的直线路段内设计速度与实际的行车速度间的差值，该差值一般控制在15～20km/h的范围内。山区地形的公路尤其适合曲线设计，能将山区的错落山势圆滑连接，从公路路线设计上对山区公路的行驶安全进行保障。

2、节约和保护耕地资源原则。公路工程的建设是方便人们的生产生活，所以距离人们的居住地一般较近，很多耕地面积会被占用，相关技术人员要进行合理的设计，避免耕地资源的浪费，尤其是以种植业为主的农民居多，耕地的减少直接影响到人民经济的收入，要实现政府的科学现代化管理，实现便民利民的真正举措，就应从人民实际出发，不破坏人们赖以生存的土地。

3、重视平均纵坡的安全性原则。平均纵坡是公路路线设计工作中的一项重要内容，这一项设计直接关系着公路整体安全性，尤其是在山区地区，若地形起伏大，一旦存在长陡坡设计，势必会加剧山区公路行车的安全隐患。因此出于安全角度考虑，要在公路路线设计中高度重视平均纵坡设计的安全性，在全面把握公路路线设计具体目标基础上，明确公路沿线情况并开展综合分析，有侧重点的设计平均纵坡，有效节约公路建设资源，减少不必要的消耗，并将公路路线设计的安全隐患控制在最小范围内，为公路行车安全创造一个优良环境。

4、遵循保护沿线自然环境的原则。对自然界而言，不仅提供人类生存的物质生活，同时也对人们精神生活的丰富提供了一定程度的支持，因此在路线穿越自然环境尤其是风景区时，需充分尊重自然景观的存在，尽最大程度减少对自然的干扰，建立人与自然和谐共处的美好人文环境。需考虑公路建设全寿命周期对景观的影响，避免建设时对自然环境严重干扰。

三、公路路线设计中GIS技术的应用

1、公路选线。GIS系统在地理信息的空间、数据分析上所占有与生俱来的优势，使设计人员可对大量数据进行对比处理分析，从而使公路设计人员在对公路沿线的数据情况充分及时的了解后，从宏观及全局角度出发进行相关设计工作的开展。

GIS系统对公路选线所产生的积极影响是，为设计人员提供充足的参考数据，并帮助自动生成数字式地形模型，从形象上直观的帮助设计人员对公路所经地区进行宏观性认知，将对公路线路设计所可能产生的各种因素进行全面而深入的分析。步骤表现为：在工作人员输入的公路线路设计要求基础上，对公路线的控制点进行合理预设计算，最后以人机交换形式，判断出最优公路线路设计，并动态展示在数字地形模型上。

2、平面设计。一般来说，公路路线主要由缓和的曲线、圆曲线和直线这三类曲线构成，结合超高率、横向力系数及设计车速等内容，即可计算出平面设计中应用的圆曲线半径。当选取的设计质超高率和横向力系数等相对较大时，计算得到的圆曲线半径数值就会相对较小，计算取得到最小结果即实际公路建设过程中应用的公路圆曲线半径。实际设计中，在条件允许情况下，设计人员通常会选择相对较大的曲线来开展设计建设，只有条件确实不合理等情况下才会选择相对较小的圆曲线半径。为降低驾驶人员的疲劳感，提高驾驶人员判断能力，实际公路设计工作开展中，设计人员一般会选择大范围应用直线和圆曲线，同时在其中穿插部分缓和曲线的方式来调整机动车行驶的重心轨迹，使其和公路曲线等结合起来，保障机动车行驶安全，避免因离心力和向心力等问题导致机动车出现安全事故。

通过适当调整圆曲线的中心等，缓和曲线即可和圆曲线连接起来，对提高施工效率等具有重要意义。一般来说，在当前道路路线设计中，设计人员经常受地形及地域标志物等的影响，导致设计工作需进行必要的调整。设计人员应先考虑是否可通过适当改变公路路线和延伸方向的方式，进行消除地形和地物对公路及机动车行驶等造成的影响。若经理论实验和GIS模拟等验证该方法不可行，则设计人员等需及时使用负曲线等调整相关内容，通过计算公路各项数据的具体应用值等，研究合理的圆曲线半径和公路设计方案。

3、横断面设计。公路的横断面设计是将横向公路的截面进行测绘后，通过这些实际数据进行断面结构设计，从而进一步确定公路的边沟、边坡长度、路基的高度及深度等轮廓线布局。整个公路设计中，横截面的设计工作量大，并且经常会出现反复测量几次的情况，若在进行公路横截面设计时采用GIS技术进行辅助设计，将会提高工作效率及准确率。

主要工作步骤是以数字形式输入横截面相关数据或通过GIS技术将平纵设计数据自动计算出所需数据模型。设计人员可根据各公路路段的具体情况及设计要求，对各公路断面进行具体分析、计算，并通过计算机自动生成所需设计数据；自动生成后，计算机屏幕上显示横断面情况，设计人员可对每个横断面进行详细检查，更改不合理或错误的地方。

4、纵断面设计。公路路线的纵断面设计是指在分析整个线路纵向情况的基础上，确定公路坡度、坡长、曲线半径等数值。GIS技术的应用有效减少了纵断面设计的步骤及工序，其具体工序为：设计人员要根据不同路段的不同情况，利用GIS技术计算各个变坡点纵断面的具体数值，确定初步的设计方案；再绘制、对比、分析土石方累积曲线，根据曲线图显示的数据不断更改设计方案，直至设计出最佳的最终设计方案。

5、其他方面。GIS在公路路线的初始阶段具有重要意义。除上述问题外，还涉及其他方面。例如，GIS技术可快速转换里程站和地理坐标，从而准确定位道路具体位置，保证土地准确计算，有效帮助项目管理人、施工人员提高工作效率。另外，GIS技术能有效解决链条断裂问题，准确定位和记录里程站，计算道路长度，使原有的复杂任务变得极为简单。GIS的另一个重要功能是轻松计算建筑工程量。在选择道路过程中，土石方的使用有很大影响。若在设计中使用GIS技术，则能准确计算项目中使用的土方工程数量。

参考文献：

[1]李庆.GIS技术在公路路线设计中的实际应用与分析[J].四川水泥，2019(02).

[2]徐瑞.公路路线设计中GIS的有效应用[J].交通建设与管理，2017(10).

[3]张俊.GIS在公路路线设计中的应用[J].交通世界，2016(32)．