摘要：本文论述了GIS空间分析的方法和功能,探讨了其叠加分析方法在铁道工程中的应用,提出了空间分析方法和功能在铁路领域应用的广泛性，最后展望了铁路GIS系统的发展趋势。
关键词：GIS；空间分析；叠加分析；铁道工程；应用
空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术,其目的在于提取和传输空间信息。空间分析源于20世纪60年代地理和区域科学的计量革命,随着数学概念和方法的引入,以及统计学、运筹学、拓扑学等方法的应用,进一步促进了其定量分析的能力。空间分析是地理信息系统(即GIS)区别于一般信息系统的主要功能特征,利用空间分析方法不但可以查询数据库系统中的各种信息,而且可以通过这些信息去揭示事物间更深刻的内在规律和特征。空间分析是GIS的核心功能之一,GIS的成功应用依赖于空间分析方法和功能的有效应用。目前,在铁道工程中越来越多地用到了GIS空间分析的方法和功能。
1GIS空间分析方法的分类及功能
1.1空间分析方法分类
地理信息系统是当前地学研究领域最为热门的分支之一,而空间分析作为地理信息系统的一个核心功能模块也得到了广泛应用。目前,空间分析的各种模型和方法并没有形成一个完整和统一的体系结构,可以认为空间分析是分析空间数据有关技术的统称。根据作业的数据性质不同,空间分析方法可分为:①基于空间图形数据的分析计算;②基于非空间属性的数据运算;③空间和非空间数据的联合运算。这3种方法具体包括:空间信息量算,空间信息分类(叠加分析、网络分析、拓扑分析、缓冲区分析和统计分析等)。空间信息量算是空间信息分析的定量化基础,其量算方法分为质心量算,几何量算和形状量算。叠加分析是将两层或多层地图要素进行叠加产生一个新要素层的操作;网络分析是利用空间拓扑关系进行路径分析、资源分配、网流量的模拟分析等;缓冲区分析是针对点、线、面实体,自动建立其周围一定宽度范围以内的缓冲区多边形;空间统计分析包括常规统计分析、空间自相关分析、回归分析、趋势分析、专家打分模型等。
1.2GIS空间分析的功能
GIS空间分析的基本功能包括空间查询与量算、缓冲区分析、叠加分析、路径分析、空间插值、统计分类分析等。GIS空间分析功能可分为3个层次:①空间检索,包括从空间位置检索空间物体及其属性和从属性条件集检索空间物体。“空间索引”是空间检索的关键技术,如何有效地从大型的地理信息系统数据库中检索出所需信息,将影响地理信息系统的分析能力。另一方面,空间物体的图形表达也是空间检索的重要部分。②空间拓扑叠加分析,实现输入特征的属性合并以及特征属性在空间上的连接,空间拓扑叠加本质是空间意义上的布尔运算。③空间模拟分析,其研究可分3类:第一类是地理信息系统外部的空间模型分析,将地理信息系统当作一个通用的空间数据库,而空间分析功能则借助于其它软件;第二类是地理信息系统内部空间模型分析,利用地理信息系统软件来提供空间分析模块,发展适用于模型的宏语言,这种方法一般基于空间分析的复杂性和多样性,并易于理解和应用。但是,由于地理信息系统软件所能提供空间分析功能有限,这种空间模型在实际地理信息系统的设计中较少使用。第三类是混和型的空间模型分析,其宗旨是尽可能地利用地理信息系统所提供的功能,同时也充分发挥地理信息系统使用者的能动性。
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2在铁道工程中的应用实例
2.1叠加分析的应用
本文的应用实例是利用上述空间分析功能中的第二层次,也就是应用最广泛的层次。进行叠加分析至少要涉及到两个图层,其中至少有一个图层是多边形图层(称基本图层),另一个图层可能是点、线或多边形。叠加分析往往涉及到逻辑交、逻辑并、逻辑差的运算。逻辑交是指两个图层叠加后生成新多边形属性值为原始两个图层的公共属性值;逻辑并是指两个图层叠加后生成新多边形层中的属性值等于原始两个图层的属性项之和;逻辑差是指两个图层叠加后生成的多边形层,其属性值等于原始两个图层的属性项之差。叠加分析的目的是对新要素层的属性按一定的数学模型进行计算分析,进而产生用户需要的结果或回答用户提出的问题。
根据某区间铁路线路的复测资料,使用原始数据在系统中建立了两个原始图层,一个图层是某区域线路图,也就是上面所说的基本图层,这个图层包含有铁路、车站、里程、隧道、边界等要素;另一个图层是灾害专题图,这个图层含有的灾害种类有塌方、滑坡、路基下沉、翻浆等。运用逻辑并将两个图层叠加生成了新的图层,即是某区域线路与灾害的叠加图,该叠加图反映了带有灾害情况的铁路沿线情况,表现出灾害的具体发生位置。通过叠加图可以了解到哪一段区间有塌方、滑坡、路基下沉、翻浆等地质灾害,哪段区间存在塌方和路基下沉两种灾害,其中塌方发生在哪里,并且,通过该图并可查找灾害范围及面积,这对线路的养护及灾害预防与治理工作带来了很大的方便。
2.2其它空间分析功能的应用
铁路沿线的公共设施(火车站,商场,邮局,银行,医院,学校等)服务半径的确定,大型水库建设引起的搬迁范围,汽车站服务区的选择,民宅区远离铁路线路缓冲区的建立,以及铁路对其所通过区域经济发展的重要性等,都可以利用缓冲区分析方法来解决。一条铁路线路设计的基本要求是距离最短、行驶时间最短、费用最少、线路的利用率最高,而要达到这些要求,可以运用空间分析中的网络分析功能来实现。同样,GIS的空间统计分析在铁路中也有广泛的应用。
3铁路GIS系统发展趋势
3.1与专家系统相结合
铁路GIS系统的分析功能仅依靠其系统数据库内的数据，它的分析是机械的。然而工程地质条件是复杂多变的，更多的情况需要依靠工程经验综合考虑，所以需要与专家系统相结合，运用专家学者的工程经验和专业知识来帮助GIS系统进一步提高工程分析结果的可靠性与准确性，进而促进铁路工程GIS系统的发展。
3.2实现数据共享
在将来发展中，GIS系统需要建立一个标准的数据模式来实现所有信息资源的共享，以促进信息资源的利用率。
3.3更好的数据处理能力
铁路工程GIS系统具有可视化分析功能，但是目前GIS系统大多应用于数据查询和数据存储管理，数据处理更多的应用于平面图形的分析与处理，三维地质实体模型的空间分析功能有限，比如多期构造形成的复杂地质体的实体模型尚无法构建。随着GIS技术的不断发展，建立面向多维度、多元化数据处理的铁路工程GIS系统是必然的趋势。目前，铁路工程三维协同设计、铁路工程BIM技术的发展使得传统的工程模式已不能满足要求，基于GIS技术的铁路工程模式与铁路工程BIM技术、三维协同设计相结合将是未来发展的必然趋势。
4结束语
虽然本文仅仅讨论了GIS空间分析中叠加分析方法在铁路中的应用,其中实例也仅提到灾害专题图的叠加,实际上还可以在铁路线路图上进行其它专题图的叠加,如涵洞、道口、桥梁、旅游景点、地下设施及河流湖泊水系等。同时,GIS空间分析方法和功能在城市建设、林业、矿产资源开发、区域规划、各种灾害防治工程及国土资源管理等项工作中也有着广阔的应用天地。
参考文献：
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论文作者:刘继九
论文发表刊物:《防护工程》2018年第22期
论文发表时间:2018/11/27
标签：空间论文; 图层论文; 功能论文; 地理信息系统论文; 方法论文; 灾害论文; 铁路论文; 《防护工程》2018年第22期论文;