基于GIS技術(shù)的復(fù)雜山區(qū)道路選線優(yōu)化方法探討

摘要：針對于復(fù)雜山區(qū)道路選線的優(yōu)化問題，文章提出了以地理信息系統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合考慮地形特征和環(huán)境約束等因素，進(jìn)行道路選線優(yōu)化的方法，對道路網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行地形參數(shù)的獲取與處理，對道路節(jié)點(diǎn)及其連通性進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)多條件權(quán)衡算法并有效處理約束條件，以達(dá)到道路選線優(yōu)化的目的。該此種方法在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證并取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)GIS技術(shù)復(fù)雜山區(qū)道路選線道路節(jié)點(diǎn)優(yōu)化方法

中圖分類號：TU985

Exploration of theOptimization Method for Road RouteAlignment SelectionOptimization in Complex Mountain Areas Based on GIS Technology

JING Qilin1LVLYUYuhai2SU Ming2

（1.Xinjiang Transportation Vocational and Technical College of Communications， Urumqi， Xinjiang， Uygur Autonomous Region，831401 China;2.Xinjiang Zhongzhou Transportation Technology Co.， Ltd.， Urumqi，Xinjiang Uygur Autonomous Region，830006 China）

Abstract：In order to solve the problem of road alignmentoptimizationin complex mountainous areas， this paper proposesAa method for road alignment optimization that isoptimizing road routing in complex mountainous areas is proposed based on geographic information system technology，and comprehensively considers taking into account factors such as terrain features and environmental constraints，.whichThe road network model is used to obtains and processes the terrain parameters of the road network model， analyzes road nodes and their connectivity， and designs a multi-condition trade-off algorithm to effectively handle constraint conditions， in order to achieve the goal of road alignmentrouting optimization. This method has been validated and achieved good results in practical applications.

KeyWords：Geographic Iinformation sSystem Ttechnology; Complex mountainous areasroad; Road route selection; Road node of route selections GIS technology; Complex mountainous areas; Road route selection;Optimization method

1 方法概述

1.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

復(fù)雜山區(qū)道路選址的數(shù)據(jù)獲取與處理是道路選址優(yōu)化的關(guān)鍵步驟之一，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取高分辨率的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數(shù)據(jù)，如先進(jìn)太空軌道雷達(dá)（Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer，ASTER）ASTER 、全球數(shù)字高程模型（Global Digital Elevation Model，GDEM）GDEM、太空艙雷達(dá)測地任務(wù)（Shuttle Radar Topography Mission，SRTM）SRTM等，以獲取地形的精確信息，如高程、坡度和坡向等。這些數(shù)據(jù)可以通過美國地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey，USGS）USGS）和歐空局等機(jī)構(gòu)獲取，并通過地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）GIS軟件進(jìn)行處理。獲取衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，如Landsat影像、Sentinel影像等，用于識別山區(qū)植被分布、土地利用情況等環(huán)境信息。還需獲取地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)，如土地利用數(shù)據(jù)、地質(zhì)地貌數(shù)據(jù)等，可從當(dāng)?shù)氐胤秸蛳嚓P(guān)研究機(jī)構(gòu)獲取。需要獲取運(yùn)輸相關(guān)數(shù)據(jù)，如歷史運(yùn)輸流量數(shù)據(jù)、運(yùn)輸事故數(shù)據(jù)等，可通過運(yùn)輸管理部門或公開數(shù)據(jù)平臺獲取。通過對這些多源數(shù)據(jù)的獲取和處理，可以全面了解復(fù)雜山區(qū)的地形特征、環(huán)境條件和運(yùn)輸需求，為道路選址優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。運(yùn)輸需求示例數(shù)據(jù)見表1，其中：區(qū)域1：為市中心；區(qū)域2：為郊區(qū)住宅區(qū)；區(qū)域3：為工業(yè)園區(qū)；區(qū)域4：為農(nóng)村地區(qū)。

1.2 空間分析技術(shù)概述

空間分析技術(shù)在復(fù)雜山區(qū)道路選址優(yōu)化中扮演著至關(guān)重要的角色，這些技術(shù)能夠幫助理解和分析地形特征、環(huán)境條件以及運(yùn)輸需求，為道路選址提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。地形分析是空間分析技術(shù)的重要組成部分之一。通過地形分析，可以獲取地形的相關(guān)參數(shù)，如坡度、坡向、高程等，以全面了解山區(qū)地形的特征和變化。利用地形分析技術(shù)，可以確定道路的走向和路徑，避開地形復(fù)雜、易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域，確保道路的安全性和穩(wěn)定性。環(huán)境分析是空間分析技術(shù)的另一重要應(yīng)用領(lǐng)域。通過環(huán)境分析，可以評估山區(qū)的生態(tài)環(huán)境、土地利用狀況等，以減少對自然資源的破壞，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。例如，：利用遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行植被覆蓋分析，可以幫助確定道路選址的最佳位置，減少對植被的破壞。運(yùn)輸分析是空間分析技術(shù)的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域。通過運(yùn)輸分析，可以評估山區(qū)的運(yùn)輸需求和運(yùn)輸流量，為道路選址提供科學(xué)依據(jù)。例如，：利用運(yùn)輸流量數(shù)據(jù)和人口密度數(shù)據(jù)，可以確定運(yùn)輸繁忙的區(qū)域，優(yōu)化道路網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案，提高運(yùn)輸運(yùn)輸?shù)男?。綜上所述，空間分析技術(shù)在復(fù)雜山區(qū)道路選址優(yōu)化中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，它能夠幫助理解和分析地形特征、環(huán)境條件以及運(yùn)輸需求，為道路選址提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

2 地形分析

2.1 地形數(shù)據(jù)處理

在山區(qū)復(fù)雜的道路選址中，利用SRTM（數(shù)字高程模型）衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取高分辨率數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)。這些DEM數(shù)據(jù)包含了重要的參數(shù)，比如地形的高程，、坡度，、斜坡。比如，例如：利用SRTM數(shù)據(jù)對30米m分辨率的研究區(qū)域進(jìn)行了覆蓋，可以精確地反映山區(qū)地形地貌的細(xì)微之處和變化。DEM數(shù)據(jù)處理是通過ArcGIS軟件進(jìn)行的，包括去除雜訊，、填充空缺，、平滑地形等操作，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。利用ArcGIS中的Spatial Analyst工具箱計(jì)算地形參數(shù)，如坡度、坡向、高程等級、地形曲率等。例如，：使用Spatial Analyst工具箱中的“"Slope”"工具來計(jì)算地形坡度，以及“"Aspect”"工具來計(jì)算地形坡向。還利用ArcGIS中的地形位置指數(shù)（Topographic Position Index，TPI）TPI（Topographic Position Index）工具來提取地形特征，進(jìn)一步細(xì)化地形數(shù)據(jù)。利用這些地形數(shù)據(jù)構(gòu)建了三維地形模型，以便于對地形的可視化和分析。通過對這些具體數(shù)據(jù)的處理，能夠全面了解復(fù)雜山區(qū)地形的特征和變化，為道路選址提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。地形數(shù)據(jù)示例見表2，其中：地點(diǎn)A：為山頂；地點(diǎn)B：為山腳；地點(diǎn)C：為山腰；地點(diǎn)D：為山谷。

2.2 地形參數(shù)提取

地形參數(shù)是地形分析的重要內(nèi)容之一，是一種數(shù)值化的地形特征描述。對地形特征的分析、對地形條件的評估，以及對道路路線的確定，在提取地形參數(shù)方面都具有重要作用。常用的地形參數(shù)有坡度，、坡向，、標(biāo)高等級，、地形曲率等各種地形參數(shù)。坡度對于道路選址具有重要的參考價(jià)值，坡面是地形的基本特征之一，可以直觀地反映地表的陡峭程度。坡向是確定道路走向和梯度有重要影響的地表向下坡方向。高程等級是根據(jù)地形高程劃分的等級，可以對地形起伏變化進(jìn)行較好的刻畫。地形曲率是對地形復(fù)雜程度的評估具有一定參考價(jià)值的一種描述地形曲線形狀、能反映地形起伏程度和曲線形狀的參數(shù)。地形參數(shù)提取是一項(xiàng)重要的道路選址優(yōu)化步驟，為后續(xù)的道路選址提供科學(xué)依據(jù)和支撐，通過提取地形參數(shù)對地形特征進(jìn)行全面了解。

3 道路網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

3.1 道路網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)

道路網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)是道路選線優(yōu)化的核心環(huán)節(jié)之一，將直接決定道路選址方案的合理性和可行性，必須考慮復(fù)雜山區(qū)地形特征環(huán)境條件等各方面因素。具體地說，在設(shè)計(jì)道路網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要根據(jù)地形資料和環(huán)境條件確定道路的走向和路徑，并考慮地形的起伏變化植被覆蓋情況和水文地質(zhì)條件等因素來避開地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)和生態(tài)敏感區(qū)，保證道路的安全性與穩(wěn)定性。然后需要對道路的幾何參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，比如例如：道路寬度坡度彎道半徑等，以滿足車輛行駛的要求并考慮施工條件和環(huán)境影響，使道路的幾何形態(tài)得到合理的設(shè)計(jì)。還應(yīng)注意道路網(wǎng)絡(luò)的功能分區(qū)，有主干路、支路、聯(lián)絡(luò)道等，保證道路網(wǎng)絡(luò)的連貫性與完整性，。進(jìn)行道路網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)是道路選址優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)合理的方案能夠?yàn)楹罄m(xù)道路的選址與建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持，。如圖1所示的為GIS空間分析選線模型圖。

3.2 道路節(jié)點(diǎn)及連通性分析

道路節(jié)點(diǎn)及連通性分析在復(fù)雜山區(qū)道路選址中具有重要意義，對于道路網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，需要確定其具體位置和功能。通常，節(jié)點(diǎn)可以是交叉口、連接兩條以上道路的路口、公路與鐵路的交匯會(huì)處等。通過對道路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)浣?，可以清晰地識別出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置和類型，并進(jìn)一步分析其運(yùn)輸流量和重要性。連通性分析是道路網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在復(fù)雜山區(qū)地形條件下，道路的連通性對于運(yùn)輸?shù)臅惩ê桶踩陵P(guān)重要。需要確保各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連通性良好，以滿足運(yùn)輸?shù)男枨?。在連通性分析中，通常會(huì)考慮道路的通行能力、交叉口的設(shè)計(jì)、道路的寬度和坡度等因素，以確保道路網(wǎng)絡(luò)的完整性和穩(wěn)定性。還需要考慮到地形因素、環(huán)境約束和運(yùn)輸需求等因素，綜合考慮各種因素的影響，進(jìn)一步優(yōu)化道路網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案。通過對道路節(jié)點(diǎn)及連通性的深入分析和優(yōu)化，能夠?yàn)閺?fù)雜山區(qū)道路選址提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持，確保道路網(wǎng)絡(luò)的安全、高效和可持續(xù)發(fā)展。

4 道路選線優(yōu)化算法

4.1 多條件權(quán)衡算法

復(fù)雜山區(qū)道路選線優(yōu)化中，多條件權(quán)衡算法被廣泛應(yīng)用于對各方面因素進(jìn)行綜合考慮，如地形特征對環(huán)境約束運(yùn)輸需求等，以求得出最優(yōu)道路選址方案。多條件權(quán)衡算法要求確定各種因素的權(quán)重，一般采取專家經(jīng)驗(yàn)法分層分析法等方法進(jìn)行權(quán)重的確定。將各種因素轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以達(dá)到最小化或最大化目標(biāo)函數(shù)的目的，通過數(shù)學(xué)優(yōu)化的方法求出最優(yōu)解。在優(yōu)化過程中，需要考慮到各種因素之間的相互影響以及相互制約的關(guān)系，保證選址方案的的合理性和可行性。也要注意避免算法出現(xiàn)局部最優(yōu)解的情況。

4.2 約束條件處理

對復(fù)雜山區(qū)道路選線優(yōu)化中涉及的各種約束條件，如地形限制，、環(huán)境保護(hù)，、土地利用等進(jìn)行綜合分析和歸納整理，以使選址方案的制定訂和實(shí)施具有合理依據(jù)，這是一項(xiàng)十分必要的工作。對約束條件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，建立相應(yīng)的約束方程組，再與優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)相結(jié)合，以建立混合整數(shù)規(guī)劃模型或多目標(biāo)規(guī)劃模型來求得最優(yōu)的選址方案，從而保證道路選線的合理性和可行性。通過這一方式的采用，既能保證選址方案的可行性，又能最大限度地滿足各種約束條件。對復(fù)雜山區(qū)道路選址問題進(jìn)行求解時(shí)，需要綜合考慮約束條件的相互影響和制約關(guān)系，對各類約束條件之間產(chǎn)生的矛盾和沖突進(jìn)行合理的處理，從而保證所選的選址方案具有較高的可行性和穩(wěn)定性。并且需要運(yùn)用靈活的優(yōu)化方法和求解算法，例如遺傳算法和蟻群算法等來應(yīng)對上述挑戰(zhàn)。

5結(jié)語

文章以GIS技術(shù)為依托，對復(fù)雜山區(qū)道路選線進(jìn)行優(yōu)化的研究。它以地形分析為基礎(chǔ)進(jìn)行道路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與多條件權(quán)衡算法的結(jié)合運(yùn)用；對地形特點(diǎn)環(huán)境約束與運(yùn)輸需求進(jìn)行綜合考量；以科學(xué)的方法提高道路選址的精確性，從而對山區(qū)運(yùn)輸運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展起到重要的支撐作用。但復(fù)雜山區(qū)道路的選址仍面臨諸多挑戰(zhàn)；文章的研究希望能對相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者與工程師有所借鑒，以促進(jìn)復(fù)雜山區(qū)運(yùn)輸建設(shè)有進(jìn)一步的進(jìn)步與開發(fā)。

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