王艺霖
北京交通大学 北京市 100044
摘 要：随着地理信息系统的不断发展，这种技术已经逐渐成熟并且在铁路领域中发挥着巨大的作用。本文主要介绍了空间分析的相关概念和基本内容，以及在铁路领域中，与其他技术结合起来共同作用的方式；着重介绍了铁路选线设计中，区间线路最小成本的模型并对其进行评价，并对空间分析的发展和应用做出了展望.
关键词：地理信息系统；空间分析；铁路选线
中图分类号： 文献标志码：A
1 空间分析的概念
针对空间分析的定义有很多。每种定义的侧重点各有不同，有些侧重表现图形与其属性之间的交互联系，认为空间分析是基于GIS对象之间的空间关系而得到的衍生信息；有些侧重表现提炼获取空间信息，认为空间分析是用于提取传输地理目标位置和形态的分析技术。
根据以上两个定义，作者认为可以将GIS空间分析技术描述成：一种可以将空间地理和空间行为进行数据化，并通过所提取的显性或隐形的数据对地理对象和其形态特征进行查询或分析的技术。
2 空间分析在铁路运输领域的应用
2.1 铁路通信线路管理
我国线路数量多，地域辽阔，铁路线纵横分布且地理状况复杂，单纯依靠人工勘测控制管理是非常困难的。在GIS的帮助下，可以有效避免复杂的地区差异、气候差异所带来的人工管理的误差[1]，能够通过智能化模拟系统演示前期预案，铁路通信线路的布设方面就能发挥参考指导作用。同时GIS可以凭借其信息存储功能能够对建设区域内的各类信息进行存储，推进我国的铁路系统建设。
2.2 交通安全和控制
GIS可以在计算机绘图软件的辅助下，将GIS-T中的地图信息植入坐标内，再将交通事故文件与地图信息中的交叉口路段进行匹配，比较区域内事故点的发生频率，分析事故原因，甚至对未来的事故情况进行预测。
GIS集计算机绘图软件，交通事故数据文件与于一体，实现了全天候不间断预测，可以及时找出线路的漏洞以及存在的安全隐患，在交通安全工程实践中，发挥着重要作用。
2.3 铁路选线设计
选线设计中，GIS能够迅速建立三维线位模型，可以清楚看到铁路沿线的地势地形，障碍物以及周边建筑，同时，还可以对线位、纵断面、桥隧布局和桥梁跨度进行描述和检测。从而可以帮助人员排查出重要的影响因子，研究线位并对其因地制宜。[2]。
3 模型的应用
GIS在铁路领域的应用十分广泛，现针对铁路选线的区间线路最小成本模型做具体分析。
3.1 模型的基本思路
该选线模型的主要目的是分析成本距离最优路径。总结出影响选线的主要因素有：水域和湿地、植物群落、坡度、文物古迹、土地利用、道路、建筑用地和坡向等。对于这些单个因素分别建立空间数字要素图层，将这些因素对铁路选线设计中的成本的影响程度用图层中的一个个栅格进行量化描述，得出各个因素的属性并且附加到空间数字图层上，各个栅格互相匹配，通过空间信息的叠加分析获得综合成本的栅格图层。基于综合成本图层的描述和对其进行的距离测算，所得到的成本距离可以选线道路的最优路线。
3.2 建模过程
3.2.1 成本距离
成本距离的计算方式利用结点／连接线方式表达：每个像元的中心被视为结点，并且结点间通过连接线使其相连，每条连接线都赋有关联的阻抗值[3]．有两种计算方式：
1)直接相邻成本距离计算方式．设从单元i前往上下左右4个直接相邻的单元i+1，其成本距离的计算公式为：
Ni+1 = Ni+(Ri+Ri+1)/2 (1)
2)对角相邻成本距离计算方式．设从单元i前往对角的单元i+1，其成本距离的计算 公式为:
Ni+1 = Ni+(Ri+Ri+1)／2^0.5 (2)
(1)(2)两式中的Ni和Ri分别为所在单元i的累计费用和阻抗值．
3.2.2 成本因素
主要从以下8个因素对成本的影响进行分析：
1)坡度：坡度越陡，工程建设的施工难度越大，对工程建成后的安全保障要求越高．
2)坡向：与光照情况紧密相关，真接影响植被群落的分布，给工程建设带来生态环境影响。
3)土地利用：涉及征地与拆迁问题与对生态系统平衡的影响问题．
4)植物群落：自我修复能力及对人为干扰的抵抗能力差的植被群落称为生态敏感性高的群落，线路工程建设要保护生态敏感性高的群落．
5)水域和湿地：易受人类不良活动的影响而造成不可恢复的破坏，对工程施工也会造成困扰.
6)道路：铁路选线应当与道路保持一定的距离，以避免相互干扰．
7)文物古迹：铁路在选线规划中应当考虑对文物古迹产生的振动及噪声影响．
8)建筑用地：与其他建筑物之间应当保持一段距离，避免线路噪声干扰．
3.2.3 最优路径算法
该模型的最优是追求成本最小的算法。GIS技术描述空间距离和其他影响因素及其之间的关系，选用Dijkstra最短路径算法进行分析。
Dijkstra算法的主要特点是从中心至最外围的扩展。令G=(V，E)为一个带权有向图，将集合V中的顶点分成两组，未确定最短路径的顶点集合U，已确定最短路径的顶点集合为S，初始的S集合只有源点，在将所有顶点从U移至S的过程中，要确保源点到S中各个顶点的最短路径长度小于等于源点到U中的最短路径长度。
3.3 模型评价
该模型基于GIS技术和Dijkstra最短路径算法，建立了可以自动生成的最优路径的区间选线空间信息分析模型，同时达到了追求综合成本最小的目标。综合成本，即综合考虑多种因素，对线路走向方案的建设成本或费用影响程度的一种总的度量。该模型确定了对铁路选线可能有较大影响能力的因素，并将它们分成了8个单成本因子：坡度、坡向、土地利用、植物群落、水域和湿地、道路、文物古迹和建筑用地。如何分析确立铁路选线区域内的地形、地理环境和生态环境影响，直接影响了最后最小综合成本的结果。这需要针对特定的两地之间的铁路状况进行分析。
这种成本计算方法更侧重于计算外在环境对于线路建设成本的影响，不会过多的考虑自身对于外在环境的影响如果需要分析人口密集地区的最小综合成本模型，铁路选线的可能存在的负外部性成本已经不容忽视了。因此需要改变考虑因素，建立更加复杂完善的模型来进行分析。
5 结语与展望
本文介绍了GIS空间分析的基本内容，又对于区间线路的最小成本模型进行了解和分析，每一种模型都应在确立之初，建立好合理的假设条件和充分的考虑因素。
在未来GIS还会高速发展，并更大程度的融入人们的生活，在城市智慧规划的趋势下，不只是铁路，任何一个领域都应当更加重视GIS的实际应用，并于其他技术结合起来，解决更多实际问题，完善相关的基础设施，不断优化，提升GIS的应用水平，以此来适应时代发展的潮流。
参考文献：
[１]刘永恒.GIS在铁路通信线路管理中的应用[J].建筑工程技术与设计,2020,(11):372-373. DOI:10.12159/j.issn.2095-6630.2020.11.0355.
[２]范亚超.GIS技术在铁路选线设计中的应用研究[J].建筑工程技术与设计,2018,(3):571. DOI:10.3969/j.issn.2095-6630.2018.03.546.
[３]谭衢霖,李然,董晓峰, 等.基于GIS空间分析建模的区间线路走向自动生成方法[J].北京交通大学学报,2019,43(4):122-130. DOI:10.11860/j.issn.1673-0291.2019.20180103.