CN117726196B - 一种用于铁路选线的环境适宜度综合评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铁路选线技术领域，具体公开了一种用于铁路选线的环境适宜度综合评价方法，步骤包括：步骤S1，将研究区域划分为若干体素，将铁路选线信息数据离散至体素中，构建三维综合地理信息模型；步骤S2，确定铁路线路可达范围；步骤S3，可达范围体素与铁路线路结构物进行匹配；步骤S4，计算安全评价指标、经济评价指标和环保评价指标，每个评价指标均包括至少两个子类，计算所有子类的无量纲值和权重，计算每个体素的环境适宜度，从而得到整个研究区域对于铁路选线的环境适宜度。优点是，本发明综合考虑了安全、经济和环保三大评价指标，通过多种子类对体素进行综合评价，为铁路选线提供了导向价值。
Description
技术领域
本发明涉及铁路选线技术领域，具体涉及一种用于铁路选线的环境适宜度综合评价方法。
背景技术
随着铁路建设逐步从平原拓展到了高原，从优良地质延伸到复杂艰险地段，从简易环境约束区域扩张到了复杂多约束领域。铁路选线设计是铁路建设过程中的先导和基础，在铁路建设中具有重要的地位和作用，其影响到了整个铁路建设项目的全局规划和总体设计。复杂变换的地形和优劣不一的地质使得铁路选线设计困难重重。在某些地域，地质良好的地块零星散落在研究区域中，并且该区域地势起伏大。
现有的铁路选线优化方案关注于线路的每一步搜索最优，并且想尽量做到全局最优，但是如此进行搜索具有局限性和缺乏全局性。由于以往的优化方案生成的具有不确定性，并且是考虑地域在线路中的价值，而不是在整个研究区域的价值，很难评判其是否在全局线路中具有高价值。而好的地域才具有好线路，为了提前进行地域的甄选并将每段地域进行全局综合评价，计算各个区域中体素的环境适宜度是较好的解决方案。
综上所述，急需一种用于铁路选线的环境适宜度综合评价方法解决现有技术中的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于铁路选线的环境适宜度综合评价方法，具体技术方案如下：
一种用于铁路选线的环境适宜度综合评价方法，包括如下步骤：
步骤S1：建立三维地理综合信息模型：
步骤S1-1：采集进行铁路选线环境适宜度综合评价的信息数据；
步骤S1-2：将研究区域划分为若干体素，并将步骤S1-1中的信息数据离散至体素中，建立三维综合地理信息模型；
步骤S2：确定铁路线路可达范围，具体是，基于铁路线路的最大坡度约束和展线系数最大限值确定铁路线路可达范围，得到可达范围体素；
步骤S3：可达范围体素与铁路线路结构物进行匹配；
根据体素对应地面的高差和铁路线路结构物的限制高度，将可达范围体素进行区位划分，匹配体素和其对应地面的铁路线路结构物；
步骤S4：计算体素的环境适宜度，所述环境适宜度包括安全评价指标、经济评价指标和环保评价指标；
步骤S4-1：计算安全评价指标、经济评价指标和环保评价指标；所述安全评价指标、经济评价指标和环保评价指标各自包括至少两个子类；
步骤S4-2：综合考虑安全评价指标、经济评价指标和环保评价指标的各个子类，进行无量纲化并确定各个子类的目标权重，计算各个体素的环境适宜度。
优选的，在步骤S1-1中，所述信息数据包括地形信息、地质信息、地质灾害区域信息、地表覆盖物信息和工程单价信息；所述地形信息包括数字高程信息、坡度信息和坡向信息；所述地质信息包括断层信息、岩石特性信息和水土流失信息；所述地质灾害区域信息包括崩塌空间分布信息、滑坡空间分布信息和泥石流灾害空间分布信息；地表覆盖物信息包括植被覆盖信息、土地类型信息、河流信息、保护区信息和水环境功能区信息；工程单价信息包括填方费用信息、挖方费用信息、桥梁工程费用信息、隧道工程费用信息、路基维护费用信息、桥梁维护费用信息和隧道维护费用信息。
优选的，在步骤S2中，所述铁路线路可达范围包括水平可达范围和垂直可达范围；
水平可达范围基于展线系数以及展线系数最大限值确定，表达式如下：
；
；
其中，表示展线系数最大限值；/>表示每个水平网格同起点的水平距离；表示每个水平网格同终点的水平距离；/>表示每个水平网格起点和终点之间的线性距离；/>表示水平网格起点设计高程；/>表示水平网格终点设计高程；/>表示用于考虑曲线和隧道段最大坡度折减的附加系数；/>表示铁路线路的最大坡度约束。
优选的，在步骤S2中，垂直可达范围的计算过程如下：
；
；
；
其中，表示垂直可达范围；/>表示通过起点所能达到相应水平网格对应的垂直可达最小值；/>表示通过起点所能达到相应水平网格对应的垂直可达最大值；表示通过终点所能达到相应水平网格对应的垂直可达最小值；/>表示通过终点所能达到相应水平网格对应的垂直可达最大值；/>表示水平网格起点设计水平距离；/>表示水平网格终点设计水平距离。
优选的，在步骤S3中，区位划分将体素分成九大阈值区域，具体划分参数分别是深埋隧道最小设计埋深、浅埋隧道最小设计埋深、深挖路堑最大设计深度、浅挖路堑最大设计深度、低填路基最大设计高度、高填路基最大设计高度、一般桥梁最大设计高度、高桥最大设计高度和超高桥梁最大设计高度。
优选的，在步骤S4-1中，所述安全评价指标的子类包括结构物稳定性指标、频发地表灾害损害风险指标和地震损害风险指标，计算方式如下：
结构物稳定性指标：
分别计算路基、桥梁和隧道的结构物稳定性；
路基的结构物稳定性表达式如下：
；
其中，表示路基的结构物稳定性；/>表示网格坡度；/>表示体素与地面高程差；
隧道的结构物稳定性表达式如下：
；
其中，表示隧道的结构物稳定性；/>表示围岩等级；/>表示浅埋隧道最小设计埋深；
桥梁的结构物稳定性表达式如下：
；
其中，表示桥梁的结构物稳定性；
结构物稳定性指标的计算表达式如下：
；
其中，表示结构物稳定性指标；/>表示校正系数；/>表示某一结构物的结构物稳定性；
频发地表灾害损害风险指标的计算表达式如下：
；
；
；
其中，表示频发地表灾害损害风险指标；/>表示自身影响；/>表示周围环境影响；/>表示自身信息值；/>表示体素结构物与频发地表灾害的影响程度；/>表示体素结构物的脆弱性权重；/>表示岩土体运动到第/>个体素所在格网时的动能；/>表示岩土体初始状态的动能；/>表示可能会对该体素造成影响的任意体素发展成为频发地表灾害区域的可能性；/>表示其他体素产生的频发地表灾害的影响程度；/>表示岩土体初始所在体素的地面高程；/>表示岩土体运动到第/>个体素对应的地面高程；表示岩土体的重量；
地震损害风险指标的计算表达式如下：
；
其中，表示损伤状态函数，/>表示中度损伤，/>表示严重损伤；/>表示损伤概率函数；/>表示地震动强度测量值；/>表示损伤比系数。
优选的，在步骤S4-1中，所述经济评价指标的子类包括建设与维护成本和线路短直方向的偏离度，计算方式如下：
建设与维护成本的计算表达式如下：
；
其中，表示建设与维护成本；/>表示建设成本；/>表示维护费用；
线路短直方向的偏离度计算表达式如下：
；
；
；
；
其中，表示线路短直方向的偏离度；/>和/>分别表示线路起点的横坐标和纵坐标；/>和/>分别表示线路终点的横坐标和纵坐标；/>和/>分别表示研究区域内任意一点的横坐标和纵坐标。
优选的，在步骤S4-1中，所述环保评价指标的子类包括水土流失影响指数、保护区影响指数、噪音敏感指数、水环境功能区敏感指数和生态生产力敏感指数，计算方式如下：
水土流失影响指数的计算表达式如下：
；
其中，表示水土流失影响指数；/>表示降雨冲蚀系数；/>表示土壤冲蚀系数；/>表示坡长因子；/>表示坡度因子；/>表示覆盖管理因子；/>表示水土保持措施因子；
保护区影响指数的计算表达式如下：
；
其中，表示保护区影响指数；/>表示结构物破环程度权重；/>表示保护区级别影响系数；/>表示体素所占保护区面积；
噪音敏感指数的计算表达式如下：
；
其中，表示噪音敏感指数；/>表示噪音影响权重；/>表示噪音扰民风险大小；
水环境功能区敏感指数的计算表达式如下：
；
其中，表示水环境功能区敏感指数；/>表示水环境功能区的影响系数；/>表示体素所占水环境影响区面积；
生态生产力敏感指数的计算表达式如下：
；
其中，表示生态生产力敏感指数；/>表示不同土地类型的敏感性。
优选的，在步骤S4-2中，环境适宜度的计算表达式如下：
；
其中，表示环境适宜度；/>表示第/>个评价指标的权重；/>表示第/>个评价指标的无量纲值。
优选的，在步骤S4-2中，分别对步骤S4-1中计算得到的结构物稳定性指标、频发地表灾害损害风险指标、地震损害风险指标、建设与维护成本、线路短直方向的偏离度、水土流失影响指数、保护区影响指数、噪音敏感指数、水环境功能区敏感指数和生态生产力敏感指数的评价指标数值进行无量纲化并计算权重；
无量纲化的表达式如下：
；
其中，表示评价指标的无量纲值；/>表示指标指数数值；/>表示体素中该指标指数数值中的最小值；/>表示体素中该指标指数数值中的最大值；
对于第个评价指标的无量纲值表达式如下：
；
其中，表示第/>个体素的无量纲值，/>表示体素的总数；
对于第个评价指标的权重表达式如下：
；
；
其中，表示第/>个评价指标的标准差；/>是评价指标/>与/>之间的线性相关系数；/>表示评价指标/>的无量纲值，/>表示评价指标/>的无量纲值；/>表示/>的均值；表示/>的均值。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
（1）本发明考虑在没有具体线路的基础之上，通过评价体素的优良来计算其环境适宜度大小，为后续选线提供定量参考价值，本发明对整个工程项目的环境适宜度做出提前评价，而非已经有线路的基础之上再去考虑其与其他工程或者环境的匹配性，对于铁路选线具有巨大导向价值。
（2）本发明将综合考虑安全评价指标、经济评价指标和环保评价指标的多个子类，统一考虑进铁路可能会通行的空间体素评价之中，通过评价每个体素的环境适宜度，从而分析出在没有具体线路的基础之上，整个立体空间中离散出的体素对于若通过此处建造铁路的适宜性。
（3）本发明中的安全评价指标、经济评价指标和环保评价指标的子类包括结构物稳定性指标，频发地表灾害损害风险指标，地震损害风险指标，建设与维护成本，线路短直方向的偏离度，水土流失影响指数，保护区影响指数，噪音敏感指数，水环境功能区敏感指数和生态生产力敏感指数，综合考虑了安全、经济和环保三大评价指标，针对每个评价指标均通过不少于两个子类进行综合评价，最终通过计算各个评价指标的权重和无量纲值，得到各个体素的环境适宜度，环境适宜度可以给铁路选线提供参考和导向作用。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明优选实施例中铁路选线环境适宜度综合评价方法的步骤流程图；
图2是本发明优选实施例中体素与结构物适配图；
图3是本发明优选实施例中频发地表灾害信息值计算流程图；
图4是本发明优选实施例中地震损害风险和脆弱性的曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
请参考图1，本实施例公开了一种用于铁路选线的环境适宜度综合评价方法，包括如下步骤：
步骤S1：建立三维地理综合信息模型：
步骤S1-1：采集进行铁路选线环境适宜度综合评价的信息数据；所述信息数据包括地形信息、地质信息、地质灾害区域信息、地表覆盖物信息和工程单价信息；所述地形信息包括数字高程信息、坡度信息和坡向信息；所述地质信息包括断层信息、岩石特性信息和水土流失信息；所述地质灾害区域信息包括崩塌空间分布信息、滑坡空间分布信息和泥石流灾害空间分布信息；地表覆盖物信息包括植被覆盖信息、土地类型信息、河流信息、保护区信息和水环境功能区信息；工程单价信息包括填方费用信息、挖方费用信息、桥梁工程费用信息、隧道工程费用信息、路基维护费用信息、桥梁维护费用信息和隧道维护费用信息。
步骤S1-2：将研究区域划分为若干规则的体素（在本实施例中，体素的尺寸具体为：长度=30m，宽度/>=30m，高度/>=1m），并将步骤S1-1中的信息数据离散至体素中，建立三维综合地理信息模型；
步骤S2：确定铁路线路可达范围，得到可达范围体素，铁路线路为了避免障碍物或者克服起点终点的高差，必须设置为迂回曲折，因此，本实施例中，铁路线路可达范围基于铁路线路的最大坡度约束和展线系数最大限值确定。
具体的，所述铁路线路可达范围包括水平可达范围和垂直可达范围；
水平可达范围基于展线系数以及展线系数最大限值确定，表达式如下：
；
；
其中，表示展线系数最大限值；/>表示每个水平网格同起点的水平距离；表示每个水平网格同终点的水平距离；/>表示每个水平网格起点和终点之间的线性距离；/>表示水平网格起点设计高程；/>表示水平网格终点设计高程；/>表示用于考虑曲线和隧道段最大坡度折减的附加系数。
具体的，在步骤S2中，垂直可达范围的计算过程如下：
；
；
；
其中，表示垂直可达范围；/>表示通过起点所能达到相应水平网格对应的垂直可达最小值；/>表示通过起点所能达到相应水平网格对应的垂直可达最大值；表示通过终点所能达到相应水平网格对应的垂直可达最小值；/>表示通过终点所能达到相应水平网格对应的垂直可达最大值；/>表示铁路线路的最大坡度约束；/>表示水平网格起点设计水平距离；/>表示水平网格终点设计水平距离。
步骤S3：可达范围体素与铁路线路结构物进行匹配；
具体的，如图2所示，根据体素对应地面的高差和铁路线路结构物的限制高度，将可达范围体素进行区位划分，匹配体素和其对应地面的铁路线路结构物；区位划分将体素分成九大阈值区域，具体划分参数分别是深埋隧道最小设计埋深、浅埋隧道最小设计埋深、深挖路堑最大设计深度、浅挖路堑最大设计深度、低填路基最大设计高度、高填路基最大设计高度、一般桥梁最大设计高度、高桥最大设计高度和超高桥梁最大设计高度。
步骤S4：计算体素的环境适宜度，所述环境适宜度包括安全评价指标、经济评价指标和环保评价指标；
步骤S4-1：计算安全评价指标、经济评价指标和环保评价指标；所述安全评价指标、经济评价指标和环保评价指标各自包括至少两个子类；
步骤S4-2：综合考虑安全评价指标、经济评价指标和环保评价指标的各个子类，进行无量纲化并确定各个子类的目标权重，计算各个体素的环境适宜度。
具体的，在步骤S4-1中，所述安全评价指标的子类包括结构物稳定性指标、频发地表灾害损害风险指标和地震损害风险指标，计算方式如下：
结构物稳定性指标：
分别计算路基、桥梁和隧道的结构物稳定性；
路基的结构物稳定性表达式如下：
；
其中，表示路基的结构物稳定性；/>表示网格坡度；/>表示体素与地面高程差；
隧道的结构物稳定性表达式如下：
；
其中，表示隧道的结构物稳定性；/>表示围岩等级；/>表示浅埋隧道最小设计埋深；
桥梁的结构物稳定性表达式如下：
；
其中，表示桥梁的结构物稳定性；
结构物稳定性指标的计算表达式如下：
；
其中，表示结构物稳定性指标；/>表示校正系数；/>表示某一结构物的结构物稳定性；
本实施例中的结构物稳定性分类以结构物种类区分。
表1结构物稳定性分类表
如表1所示，本实施例采用结构物初始脆弱性权重相反排序度量来表示结构物稳定性的校正系数，将稳定性归一指标化。
进一步地，针对于频发地表灾害损害风险，本实施例中将研究区域划分为爆发区域（O区域）、缓冲区域（B区域）和模糊区域（F区域）三种子区域。为统一评价指标，本实施例借鉴风险公式进行计算：
；
其中，表示在给定时间段、给定区域和给定量级内，发生潜在破坏性事件的概率；/>表示事件发生后产生的（潜在）结果；/>表示处于风险中的元素的易损度。
崩塌、滑坡、泥石流的发生受多种因素的影响。在这项研究中，环境因素包括高度、坡度角、坡向、归一化差异植被指数（NDVI）值、同河流的距离、同断层的距离和岩性。这些环境因素的基本信息如表2所示。此外，不同因素对崩塌、滑坡、泥石流发生的影响程度是不同的，可以用信息值()来衡量；/>越大，表示该因素对崩塌、滑坡、泥石流灾害的发生的影响程度越大。
表2信息值模型中环境因素基本信息
本实施例中，使用频发地表灾害(崩塌、滑坡、泥石流)的面积作为信息值的参数，（因素/>的第/>个子类）的信息值计算如下所示，流程如图3所示：
；
其中，表示子类/>（km2）中频发地表灾害的面积；/>表示研究区域（km2）中地表灾害的总面积；/>是示因素/>（km2）的总面积；/>表示研究区域的总面积（km2）。
基于风险公式中，本实施例采用信息值（）来描述体素发展成为频发地表灾害区域的可能性；用频发地表灾害风险等级来表示结构物受到频发地表灾害灾害的影响程度（/>），具体分类标准详见表3；用体素的结构物的脆弱性权重来表示其易损度（/>），根据结构物的不同进行分类，详见表4。
表3灾害影响因素及相应等级
如表4所示，Gravelius指数()常被作为评估泥石流危害风险值的指标，它表示泥石流边界长度和与泥石流面积相等的圆的周长的比值，一般而言，/>越接近于1，其峰值流量越大。
；
其中，表示泥石流周长，/>表示泥石流面积。
对不同地质灾害划分类别确定影响因素及其等级后，根据各地质灾害不同因素所处的等级范围，利用下式确定频发地表灾害的影响程度：
；
其中，分别表示滑坡、崩塌、泥石流地质灾害影响因素评分值； 分别表示滑坡、崩塌、泥石流地质灾害影响因素权重值。
表4结构物脆弱性权重分类
空间中任意体素为共同体，相互独立又在相互影响，其均有可能发展成为O、B区域，只是概率不尽相同。基于此，本实施例中将频发地表灾害风险指标分为自身影响和周围环境影响两个部分。
地表灾害损害风险指标的计算表达式如下：
；
其中，表示频发地表灾害损害风险指标；/>表示自身影响；/>表示周围环境影响。
进一步地，对于自身影响，本实施例采用值的大小来描述其发展成为频发地表灾害区域的可能性，其与频发地表灾害影响程度以及体素结构物的脆弱性权重之积表示所在体素受频发地表灾害风险的自身影响，自身影响的计算表达式如下：
；
其中，表示自身信息值；/>表示体素结构物与频发地表灾害的影响程度；/>表示体素结构物的脆弱性权重。
进一步地，对于周围环境影响，计算空间中任一可能会对目标体素产生频发地表灾害影响的体素爆发崩塌、滑坡、泥石流时产生的危害大小之和，参考以往的研究，采用地质灾害能量和坡度模型分析，周围环境影响的表达式如下：
；
其中，表示岩土体运动到第/>个体素所在格网时的动能；/>表示岩土体初始状态的动能；/>表示可能会对该体素造成影响的任意体素发展成为频发地表灾害区域的可能性；/>表示其他体素产生的频发地表灾害的影响程度；/>表示岩土体初始所在体素的地面高程；/>表示岩土体运动到第/>个体素对应的地面高程；/>表示岩土体的重量。/>
进一步地，如图4所示，对于地震损害风险指标，本实施例基于现有的铁路线形优化概率风险分析模型，采用结构损伤概率计算体素的地震风险，作为地震损害风险指标。所述地震损害风险指标的计算表达式如下：
；
其中，表示损伤状态函数，/>表示中度损伤，/>表示严重损伤；/>表示损伤概率函数；/>表示地震动强度测量值，本实施例中的/>优选采用峰值地面加速度；/>表示损伤比系数，详见表5。
表5结构物损伤比系数
具体的，在步骤S4-1中，所述经济评价指标的子类包括建设与维护成本和线路短直方向的偏离度，计算方式如下：
建设与维护成本的计算表达式如下：
；
其中，表示建设与维护成本；/>表示建设成本；/>表示维护费用。
需要说明的是，本实施例中的建设成本和维护费用可参考工程造价相关内容进行计算，此处不进行详细说明。本实施例中应用的结构物建设成本与维护费用分类如表6所示。
表6结构物的建设成本与维护费用分类表
其中，和/>分别表示浅埋隧道和深埋隧道的单位长度造价；/>表示桥梁运营期每年的单位长度维护费用；/>和/>分别表示一般桥梁和超高桥梁的单位长度造价；/>表示结构物的设计使用年限；/>表示网格宽度；/>表示填挖方单位成本；/>表示填挖方体积。
线路短直方向的偏离度计算表达式如下：
；
；
；
；
其中，表示线路短直方向的偏离度；/>和/>分别表示线路起点的横坐标和纵坐标；/>和/>分别表示线路终点的横坐标和纵坐标；/>和/>分别表示研究区域内任意一点的横坐标和纵坐标。
具体的，在步骤S4-1中，所述环保评价指标的子类包括水土流失影响指数、保护区影响指数、噪音敏感指数、水环境功能区敏感指数和生态生产力敏感指数，计算方式如下：
在本实施例中，水土流失影响指数采用现有的水土流失计算模型计算，所述水土流失影响指数的计算表达式如下：
；
其中，表示水土流失影响指数；/>表示降雨冲蚀系数；/>表示土壤冲蚀系数；/>表示坡长因子；/>表示坡度因子；/>表示覆盖管理因子；/>表示水土保持措施因子；/>
进一步地，保护区影响指数的计算表达式如下：
；
其中，表示保护区影响指数；/>表示保护区级别影响系数，如表7所示；/>表示结构物破环程度权重，如表8所示；/>表示体素所占保护区面积。
表7保护区级别影响系数表
表8结构物对保护区的破坏程度权重
进一步地，本实施例将铁路产生噪音的大小与功能区的边界噪声排放限值进行分类归纳，得出如表9所示的噪音扰民风险评价表。
表9噪音扰民风险评价表
其中，0类标准适用于疗养区、高级别墅区、高级宾馆区等特别需要安静的区域，位于城郊和乡村的这一类区域分别按严于0类标准5分贝执行；
1类标准适用于以居住、文教机关为主的区域，乡村居住环境可参照执行该类标准；
2类标准适用于居住、商业、工业混杂区；
3类标准适用于工业区。
在环境适宜度评价阶段，本实施例通过对噪音的传播范围及其大小做出宏观估计，计算噪音敏感指数。噪音敏感指数的计算表达式如下：
；
其中，表示噪音敏感指数；/>表示噪音影响权重；/>表示噪音扰民风险大小；
进一步地，水环境功能区敏感指数的计算表达式如下：
；
其中，表示水环境功能区敏感指数；/>表示水环境功能区的影响系数，如表10所示；/>表示体素所占水环境影响区面积。
表10水环境功能区的影响系数
进一步地，生态生产力敏感指数的计算表达式如下：
；
其中，表示生态生产力敏感指数；如表8所定义；/>表示不同土地类型的敏感性，如表11所示。
表11土地的生态生产力敏感性
具体的，在步骤S4-2中，环境适宜度的计算表达式如下：
；
其中，表示环境适宜度；/>表示第/>个评价指标的权重；/>表示第/>个评价指标的无量纲值。
具体的，在步骤S4-2中，分别对步骤S4-1中计算得到的结构物稳定性指标、频发地表灾害损害风险指标、地震损害风险指标、建设与维护成本、线路短直方向的偏离度、水土流失影响指数、保护区影响指数、噪音敏感指数、水环境功能区敏感指数和生态生产力敏感指数的评价指标数值进行无量纲化并计算权重；
无量纲化的表达式如下：
；
其中，表示评价指标的无量纲值；/>表示指标指数数值；/>表示体素中该指标指数数值中的最小值；/>表示体素中该指标指数数值中的最大值；/>
对于第个评价指标的无量纲值表达式如下：
；
其中，表示第/>个体素的无量纲值，/>表示体素的总数；
对于第个评价指标的权重表达式如下：
；
；
其中，表示第/>个评价指标的标准差；/>是评价指标/>与/>之间的线性相关系数；/>表示评价指标/>的无量纲值，/>表示评价指标/>的无量纲值；/>表示/>的均值；表示/>的均值。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于铁路选线的环境适宜度综合评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：建立三维地理综合信息模型：
步骤S1-1：采集进行铁路选线环境适宜度综合评价的信息数据；
步骤S1-2：将研究区域划分为若干体素，并将步骤S1-1中的信息数据离散至体素中，建立三维综合地理信息模型；
步骤S2：确定铁路线路可达范围，具体是，基于铁路线路的最大坡度约束和展线系数最大限值确定铁路线路可达范围，得到可达范围体素；
步骤S3：可达范围体素与铁路线路结构物进行匹配；
根据体素对应地面的高差和铁路线路结构物的限制高度，将可达范围体素进行区位划分，匹配体素和其对应地面的铁路线路结构物；
步骤S4：计算体素的环境适宜度，所述环境适宜度包括安全评价指标、经济评价指标和环保评价指标；
步骤S4-1：计算安全评价指标、经济评价指标和环保评价指标；所述安全评价指标的子类包括结构物稳定性指标、频发地表灾害损害风险指标和地震损害风险指标；所述经济评价指标的子类包括建设与维护成本和线路短直方向的偏离度；所述环保评价指标的子类包括水土流失影响指数、保护区影响指数、噪音敏感指数、水环境功能区敏感指数和生态生产力敏感指数，计算方式如下：
水土流失影响指数的计算表达式如下：
Fa＝R'·K·L·S·C'·P；
其中，Fa表示水土流失影响指数；R'表示降雨冲蚀系数；K表示土壤冲蚀系数；L表示坡长因子；S表示坡度因子；C'表示覆盖管理因子；P表示水土保持措施因子；
保护区影响指数的计算表达式如下：
Fn＝ωn·In·Sn；
其中，Fn表示保护区影响指数；ωn表示结构物破环程度权重；In表示保护区级别影响系数；Sn表示体素所占保护区面积；
噪音敏感指数的计算表达式如下：
Fnoise＝∑ωnoise·Pnoise；
其中，Fnoise表示噪音敏感指数；ωnoise表示噪音影响权重；Pnoise表示噪音扰民风险大小；
水环境功能区敏感指数的计算表达式如下：
Fw＝Iw·Sw；
其中，Fw表示水环境功能区敏感指数；Iw表示水环境功能区的影响系数；Sw表示体素所占水环境影响区面积；
生态生产力敏感指数的计算表达式如下：
Feco＝Seco·ωn；
其中，Feco表示生态生产力敏感指数；Seco表示不同土地类型的敏感性；
步骤S4-2：综合考虑安全评价指标、经济评价指标和环保评价指标的各个子类，进行无量纲化并确定各个子类的目标权重，计算各个体素的环境适宜度。
2.根据权利要求1所述的环境适宜度综合评价方法，其特征在于，在步骤S1-1中，所述信息数据包括地形信息、地质信息、地质灾害区域信息、地表覆盖物信息和工程单价信息；所述地形信息包括数字高程信息、坡度信息和坡向信息；所述地质信息包括断层信息、岩石特性信息和水土流失信息；所述地质灾害区域信息包括崩塌空间分布信息、滑坡空间分布信息和泥石流灾害空间分布信息；地表覆盖物信息包括植被覆盖信息、土地类型信息、河流信息、保护区信息和水环境功能区信息；工程单价信息包括填方费用信息、挖方费用信息、桥梁工程费用信息、隧道工程费用信息、路基维护费用信息、桥梁维护费用信息和隧道维护费用信息。
3.根据权利要求2所述的环境适宜度综合评价方法，其特征在于，在步骤S2中，所述铁路线路可达范围包括水平可达范围和垂直可达范围；
水平可达范围基于展线系数以及展线系数最大限值确定，表达式如下：
其中，γmax表示展线系数最大限值；DS表示每个水平网格同起点的水平距离；DE表示每个水平网格同终点的水平距离；DSE表示每个水平网格起点和终点之间的线性距离；HS表示水平网格起点设计高程；HE表示水平网格终点设计高程；ε表示用于考虑曲线和隧道段最大坡度折减的附加系数；Gmax表示铁路线路的最大坡度约束。
4.根据权利要求3所述的环境适宜度综合评价方法，其特征在于，在步骤S2中，垂直可达范围的计算过程如下：
Ω＝(hsmin，hsmax)∩(hemin，hemax)；
其中，Ω表示垂直可达范围；hsmin表示通过起点所能达到相应水平网格对应的垂直可达最小值；hsmax表示通过起点所能达到相应水平网格对应的垂直可达最大值；hemin表示通过终点所能达到相应水平网格对应的垂直可达最小值；hemax表示通过终点所能达到相应水平网格对应的垂直可达最大值；LS表示水平网格起点设计水平距离；LE表示水平网格终点设计水平距离。
5.根据权利要求4所述的环境适宜度综合评价方法，其特征在于，在步骤S3中，区位划分将体素分成九大阈值区域，具体划分参数分别是深埋隧道最小设计埋深、浅埋隧道最小设计埋深、深挖路堑最大设计深度、浅挖路堑最大设计深度、低填路基最大设计高度、高填路基最大设计高度、一般桥梁最大设计高度、高桥最大设计高度和超高桥梁最大设计高度。
6.根据权利要求5所述的环境适宜度综合评价方法，其特征在于，在步骤S4-1中，所述安全评价指标的子类包括结构物稳定性指标、频发地表灾害损害风险指标和地震损害风险指标，计算方式如下：
结构物稳定性指标：
分别计算路基、桥梁和隧道的结构物稳定性；
路基的结构物稳定性表达式如下：
其中，Fsr表示路基的结构物稳定性；β表示网格坡度；Δh表示体素与地面高程差；
隧道的结构物稳定性表达式如下：
其中，Fst表示隧道的结构物稳定性；R表示围岩等级；dsn表示浅埋隧道最小设计埋深；
桥梁的结构物稳定性表达式如下：
其中，Fsb表示桥梁的结构物稳定性；
结构物稳定性指标的计算表达式如下：
Fstability＝σ·Fs(·)；
其中，Fstability表示结构物稳定性指标；σ表示校正系数；Fs(·)表示某一结构物的结构物稳定性；
频发地表灾害损害风险指标的计算表达式如下：
Fl＝INFself+INFsurround；
INFself＝IVself·Sself·Vself；
其中，Fl表示频发地表灾害损害风险指标；INFself表示自身影响；INFsurround表示周围环境影响；IVself表示自身信息值；Sself表示体素结构物与频发地表灾害的影响程度；Vself表示体素结构物的脆弱性权重；En表示岩土体运动到第n个体素所在格网时的动能；E0表示岩土体初始状态的动能；IV0表示可能会对该体素造成影响的任意体素发展成为频发地表灾害区域的可能性；S0表示其他体素产生的频发地表灾害的影响程度；H0表示岩土体初始所在体素的地面高程；Hn表示岩土体运动到第n个体素对应的地面高程；mg表示岩土体的重量；
地震损害风险指标的计算表达式如下：
其中，DSi表示损伤状态函数，i＝1表示中度损伤，i＝2表示严重损伤；Pf表示损伤概率函数；IM表示地震动强度测量值；T表示损伤比系数。
7.根据权利要求6所述的环境适宜度综合评价方法，其特征在于，在步骤S4-1中，所述经济评价指标的子类包括建设与维护成本和线路短直方向的偏离度，计算方式如下：
建设与维护成本的计算表达式如下：
Ffee＝Ffee,C(·)+Ffee,M(·)；
其中，Ffee表示建设与维护成本；Ffee,C(·)表示建设成本；Ffee,M(·)表示维护费用；
线路短直方向的偏离度计算表达式如下：
A＝yE-yS；
B＝xS-xE；
C＝xE·yS-xS·yE；
其中，Fd表示线路短直方向的偏离度；xS和yS分别表示线路起点的横坐标和纵坐标；xE和yE分别表示线路终点的横坐标和纵坐标；xp和yp分别表示研究区域内任意一点的横坐标和纵坐标。
8.根据权利要求7所述的环境适宜度综合评价方法，其特征在于，在步骤S4-2中，环境适宜度的计算表达式如下：
其中，VES表示环境适宜度；Ei表示第i个评价指标的权重；x'i表示第i个评价指标的无量纲值。
9.根据权利要求8所述的环境适宜度综合评价方法，其特征在于，在步骤S4-2中，分别对步骤S4-1中计算得到的结构物稳定性指标、频发地表灾害损害风险指标、地震损害风险指标、建设与维护成本、线路短直方向的偏离度、水土流失影响指数、保护区影响指数、噪音敏感指数、水环境功能区敏感指数和生态生产力敏感指数的评价指标数值进行无量纲化并计算权重；
无量纲化的表达式如下：
其中，x'表示评价指标的无量纲值；x表示指标指数数值；xmin表示体素中该指标指数数值中的最小值；xmax表示体素中该指标指数数值中的最大值；
对于第i个评价指标的无量纲值表达式如下：
x'i＝(x'i(1),x'i(2),…,x'i(n))；
其中，x'i(n)表示第n个体素的无量纲值，n表示体素的总数；
对于第i个评价指标的权重表达式如下：
其中，σi表示第i个评价指标的标准差；rik是评价指标i与k之间的线性相关系数；x'i表示评价指标i的无量纲值，x'k表示评价指标k的无量纲值；表示x'i的均值；/>表示/>的均值。
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