基于GIS的地区级路面管理系统的开发与应用

2014-12-25田浩洋郭建华

交通运输研究 2014年15期

田浩洋，刘钊，郭建华

（东南大学智能运输系统研究中心，江苏南京210096）

0 引言

近年来，交通需求的持续增长促使交通基础设施逐步完善，但基础设施的大力建设也带来了一系列管理问题，如何管理好、养护好公路以及充分发挥公路的社会效益及经济效益，这是现阶段公路管理的重点[1]。

目前运营的公路多是十多年前修建的，路面状况逐渐下滑，路面的养护维修问题显得越来越重要，部分公路由于施工期间的工程质量问题使得路面出现早期破坏。因此，在公路网完善的进程中，公路网管理的主要任务逐步由建设路网转向养护、改建、维护和改善路网等方面[2]。

本文基于现阶段公路管理部门所需解决的问题，利用GIS平台，进行路面管理系统的开发，并依据威海市的道路特性，研制适用于威海市路面管理的地区级路面管理系统，实现管理的可视化与现代化。

1 国内外研究现状

研究发现国外路面管理技术在不同的时期面临不同的任务，研究的重点也有侧重。70 年代初期的北美，在经历了大规模的公路建设后，面临大量的路面养护工作，该阶段研究的重点是准确了解公路网路面破损情况，充分发挥路面养护的社会经济效益。到80年代中期，约有35个州和省已经建成路面管理系统[3]。近些年，国外的路面管理技术主要侧重于预测模型、决策模型以及优先排序模型的优化。

我国路面管理系统的研究起步较晚，80 年代引进了英国的BSM 路面评价系统，“七五”期间，一些科研院所和公路管理部门联合开发了一系列的路面管理系统[4]。交通部公路科学研究所提出了我国公路路面管理系统的基本框架，路面管理系统大致包括数据库管理、路面性能评价、路面性能预测和路面养护决策四部分，并在参考国外模型方法的基础上，建立了一些符合我国实际的模型[5]。国内路面管理系统虽然有所发展，但还处于起步阶段，需要进一步完善，结合各地区路面养护情况开发适宜的路面管理系统。本文研究的系统就是依据威海本地的道路特性，研制适于威海的路面管理系统。

2 系统组成

基于GIS 的路面管理系统主要由数据库管理、图层管理、系统功能模块三部分组成。数据库是路面管理系统的基础，因此在构建系统时，首先要把路面结构、材料、交通、气候、单价等详细数据纳入路面管理系统数据库，为地区级路面管理系统的建立提供更为详细的数据信息[6-7]。基于MapInfo 软件构建的图层，可以方便地实现路面信息的可视化，提供一个良好的用户界面。数据库与图层的构建为实现系统功能提供了基础，本文主要实现数据与图元的查询功能以及路面使用性能的评价功能[8]。系统设计见图1。

图1 系统设计图

2.1 数据库管理

2.1.1 数据采集

构建数据库需要采集道路的相关属性信息，采集的数据依据其存储的性质可以分为静态数据和动态数据两类。

公路的基础数据作为静态数据储存，例如路线的名称、走向、编号、位置，以及区间和路段的位置、路面类型、技术等级、路基宽度、所属政区单位等。该类数据可以设定路网的实体特性，实现整个路网路线、区间、路段、管理养护部门的划分。

公路的技术属性数据作为动态数据存储，例如各路段对象的交通量数据、路面病害数据、路面平整度、路面弯沉、路面抗滑、处置历史数据等。该类数据可作为路面管理、评价和养护的分析数据。

通过对采集的数据进行分类，可以把静态数据内容作为查询以及报表输出的分类标准，而动态数据是分析路面使用性能的依据，可由路面管理系统分析并采用专题图形式呈现，从而实现路面管理的可视化。

2.1.2 GIS数据库的组成

GIS的空间数据与属性数据是分开存储的，在管理系统中，将采集的静态数据存放于空间数据中，在MapInfo 中可利用图元的方式表达出来；将动态数据存放于属性数据中，导入Access 数据库，在程序中与静态的图元建立链接。

要建立数据库，首先要采集数据，并将采集的数据分类录入数据库中，依托GIS平台建立采集数据与地理数据间的联系，使得图元的空间数据和属性数据可与数据库进行良好的交互。对数据库进行操作，可方便的查询统计路面状况信息，再由数据模块对数据信息进行计算分析从而对养护需求计划、性能评价提供养护决策的依据。

2.2 图层管理

Mapinfo 软件是通过地理空间拓扑结构来建立地理图形的空间数据模型，并定义各空间数据之间的关系，从而实现地理图形和数据库的结合。通过建立空间实体和空间索引来定义空间数据模型，利用Table 来存储空间数据和属性数据。空间实体主要由点、线、面三种基本类型组成，采用面向对象的方法，每种实体对象均维护其本身的所有属性。

2.2.1 栅格图与路网的数据连接

要建立栅格图与路网图之间的联系，就必须对栅格图进行配准，配准需要获取一张路网的扫描图，然后用MapInfo 软件打开，以打开表的方式打开栅格图像，进行栅格图的配准。图片配准完成之后，还需要进行投影的设置，这样才能充分考虑到地图的变形，在保持地图与图片之间的正确空间位置关系的基础上，准确显示地理信息。需要明确的是，图片一经数字化后就不能再改变其投影方式，所以选择投影时要尽可能准确适宜。

投影选择完毕后，进行单位选择。接着设置控制点坐标，为了在跟踪地图时能正确判读数字化仪移动头的位置，必须在地图上设置控制点坐标参数。至少选择4个控制点，控制点越多，从数字化板到地图的坐标变换越精确。

2.2.2 空间数据的分层体系

应用GIS进行公路可视化管理必不可少的一步是路面空间数据库的建立，在管理所需的GIS空间数据的操作过程中，帮助用户在使用这些数据时进行空间分析，实现可视化显示。需要建立一个数据库，道路空间的另一项重要任务是获得完整和准确的道路空间数据，这也是实现路面可视化管理的基础。

基于MapInfo 平台建立的空间数据库系统，在使用上用层的概念来组织和管理数据。根据各种地图元素可以分割为不同的层，相似属性归为同一层。每一层都包含有图层对象的数据表。MapX 地图是由一个个图层合成而来。MapX 将其所有基础信息以MapInfo 表的形式组织起来；每一表都是一组MapInfo文件，用来在地图中建立一个图层。

2.2.3 道路网络图制作

路网图分为点线面三个图层来绘制，用点来代表特征点，用线来表征路段，用面来表示居民区、行政区。在地理图形矢量化的过程中，使用MapInfo 平台提供的工具，基本可以完成空间数据的生产任务，但在一些复杂的空间关系地区，如覆盖、囊括不规则的地区，两个地物不能同时展现出来，当完成一个地物的矢量化，如果要解决这一问题，并同时满足实际条件（如边界平行），经过大量实际工作后，找到一个很好的解决方案：有MapInfo 提供的缓冲区分析来实现矛盾的兼容，并可生成对应的属性数据。

2.3 路面使用性能评价指标选择

路面的使用性能包括功能、结构、安全三个方面，功能体现在路面为道路使用者提供的舒适程度（可由路面平整度来表征）；结构体现了路面的物理状况，包括路面损坏情况和结构承载力；路面安全是指路面的抗滑能力。因此，路面使用性能的评价，既需要考虑路面使用状况对路面性能的影响，也要考虑路面使用状况对使用者（车辆、行人）的影响。

本文选择了行驶舒适性指数、路面强度指数、路面状况指数来分别评价路面使用后的功能、结构、安全状况。其中，行驶舒适性指数可由平整度对车辆行驶舒适性的间接影响进行评价；路面强度指数可由路面允许弯沉与实测弯沉的比值进行评价；路面状况指数可由路面的综合破损率进行评价。这三个评价指标分别表征路面的功能、结构、安全。为了从整体进行路面使用性能的评价，本文采用了路面综合指数的评价指标，对路面进行总体评价，即根据道路路面情况，充分考虑影响路面使用性能的因素，给上述三种指标分配适宜的权重，使得综合评价指标能够比较准确地评价当前路面的使用性能。

3 系统功能实现

对于上述选择的评价指标，本文通过三种理论分析方法对比来确定适合该地区地理条件、道路几何状况下的各项指标权重。

（1）回归理论评价方法。具有客观性、有效性、可操作性和可行性，其能真实地反映路面现状，有效地反映路况评价预测和对路面进行决策分析等过程，以经济快捷的方式方便地采集数据。

（2）灰色系统理论方法。将路面结构、外部环境、道路土基、交通荷载等诸多因素综合考虑，采用灰色关联分析对各影响因素的关联程度进行分析，合理调整各项指标权重，通过对原始数据的灰关联分析，推出路面使用性能综合评价公式。

（3）基于系统分析法的路面使用性能评价方法是以模糊综合评价模型为主线，用层次分析法确定各项指标权重，二者相结合的应用方法。

以上三种评价方法各有优、缺点，因地理条件、道路几何状况的差异，评价结果与实际路况会有所差异，通过几种不同的评价方法可以进行比较分析，评价模块的模式图见图2。

图2 评价模块在程序中的实现模式

在图层制作完毕和数据库完善后，便可以将图层与数据库进行绑定，进而开发系统所需的功能。利用MapInfo与MapBasic 算法完成电子地图的制作后，可利用Visual Basic与MapX控件开发数据库查询系统。将做好的电子地图用MapX 控件读入，镶嵌入Visual Basic 中，并进一步在Visual Ba⁃sic 中添加控件和代码，调用后台数据库，完成数据库查询系统。在此基础上，系统进一步开发了性能评价、专题图生成、图表展示等模块，实现了数据和地图的双向信息查询与访问，并提供了传统的数据库与电子地图两个同步操作界面。系统功能结构框架见图3。