基于GIS的線路空間結構物分布優化方法研究

王 錚

(西北民族大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

鐵路選線設計是鐵路總體設計，集實踐性、決策性和知識性為一體，是關系到全局的總體性工作，其目標是提出質量可靠的設計文件，保證鐵路投資的經濟效益。地理信息系統即Geo-spatial Information System，簡稱GIS，是對地理空間實體或地理現象的特征要素進行獲取、處理、表達、管理、分析、顯示和應用的計算機空間或時空信息系統。隨著地理信息系統理論與技術的發展，由于其強大的數據管理和空間分析能力，使得基于GIS的鐵路選線設計成為可能。

本文研究具體思路為：首先利用GIS的Network Analyst功能完成平面設計，然后利用ArcGIS的3D Analysist功能提取地面線的高程數據。借助于GIS強大的數據存儲、分析和篩選功能，通過屬性選擇的方法確定不同空間結構物(路基、橋梁和隧道)的費用確定方法，在此基礎上，在縱斷面設計線擬定的條件下，按照工程量及工程造價最小的原則，對設計方案進行比選，從而得到擬定坡度條件下最優的路基、橋梁和隧道長度布置方案。

1 GIS線路平面設計

1.1 創建網絡數據集

在ArcGIS環境下，用于網絡分析的網絡被存儲在網絡數據集中，網絡數據集是進行網絡分析的基礎。在新建網絡數據集的過程中，為網絡數據集指定屬性時，在本研究中用法選擇“成本”，即后期是按照成本最低的原則來生成最優路徑，如果需要修改，可以通過賦值器進行修改。

1.2 新建路徑

首先要選中擴展模塊中的“Network Analyst”。選擇新建路徑，打開Network Analyst窗口，在左側可見停靠點、點障礙、線障礙、面障礙。停靠點是指線路需要行經的點；障礙用于臨時限制網絡各部分、向網絡各部分添加阻抗以及調整網絡各部分的阻抗大小。創建新的網絡分析圖層時，“障礙”類為空，只有將對象添加到該類后，它們才不會為空。障礙包括點障礙、線障礙和面障礙。單擊創建網絡位置工具，選擇線路的停靠點，創建路徑至少需要兩個停靠點。然后設置點障礙、線障礙、面障礙，以點障礙為例，點擊“點障礙”之后，可以選擇禁止通過的點，見圖1。

1.3 生成結果

在進行如上操作之后，單擊求解按鈕，運行當前分析，便可以生成結果，見圖2。

2 目標函數建立及實現

2.1 目標函數建立

把工程造價最低的橋、隧、路基組合作為最終的結構物空間布置方案，從經濟性角度來說適合可行的，因此，選取的目標函數如下：

minf=(f1+f2+f3)

(1)

其中，f1,f2,f3分別為建造路基、橋梁、隧道工程的造價。

2.2 目標函數的實現

首先收集已完工的路基、橋梁和隧道的工程實例，按照影響其工程造價的主要因素在EXCEL中進行整理。然后在GIS中建立文件地理數據庫，將整理好的EXCEL表格導入到文件地理數據庫中。目標函數的實現需要借助于GIS的屬性選擇的功能，目的是通過分析估算單位長度隧道或者橋梁的造價，以及單位體積路基土石方及擋土墻圬工的造價。圖3 為目標函數實現的流程圖。

3 計算結果分析

現有一項目工程概況大致：項目地處西秦嶺南麓徽成盆地，屬淺山丘陵地區，路線基本由東向西行進(見圖4)，全線海拔高度在980 m～1 095 m之間，項目段地下水賦存形式主要有：孔隙潛水，主要分布在各河谷漫灘區，松散卵礫石層內；基巖裂隙水，為巖石構造裂隙和風化裂隙帶賦存水；灰巖裂隙溶洞水，為石灰巖、白云巖裂隙及巖溶區賦存水。氣候屬暖溫帶半濕潤氣候。降水在年內分布不均勻，降水集中在夏季(6月～8月)為243.4 mm。項目沿犀牛江行進，施工用水、片石、塊石、碎石及砂礫豐富，運輸方便等。根據該工程概況構建相應的查詢表達式，在數據庫中進行篩選分析。對該項目的一段進行計算，結果如表1所示。

通過方案比選，方案一的總費用為1 865.34萬元，方案二的總費用為1 847.06萬元，從經濟性來考慮，方案二為工程造價最優最小方案。

表1 方案比選

4 結語

1)利用GIS的Network Analyst功能獲得線路的平面位置是一種行之有效的方法。

2)隨著文件地理數據庫的擴充，進行篩選分析時考慮的造價影響因素也隨之增多，得到的造價函數會更加合理和準確。

3)計算結果對于實現GIS在空間結構物的分布優化具有一定的參考價值。