基于GIS的公路筑路材料管理系統(tǒng)研究

王 涌

(廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，公路修建技術(shù)突飛猛進(jìn)，新修建的里程數(shù)逐年遞增。隨著公路技術(shù)的日益精進(jìn)，材料的路用性能和科學(xué)系統(tǒng)化的道路養(yǎng)護(hù)管理成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。利用傳統(tǒng)筑路材料進(jìn)行勘查設(shè)計(jì)的方法浪費(fèi)精力與財(cái)力，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到各方面的要求。

很多不必要且復(fù)雜的重復(fù)性工作在道路設(shè)計(jì)過程中時(shí)有發(fā)生，根本原因是由于缺乏可用的數(shù)據(jù)庫。所以在物力、人力與財(cái)力方面造成了不必要的浪費(fèi)。針對此類問題，我們以公路材料地理信息系統(tǒng)為解決手段，在此手段上通過OLE對MapInfo二次開發(fā)利用，建立GIS管理系統(tǒng)，可對筑路材料信息實(shí)時(shí)查詢，也可方便管理。

1 GIS總體設(shè)計(jì)

1.1 筑路材料的信息及指標(biāo)

我國現(xiàn)有的筑路資源信息多來自一線的建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理與養(yǎng)護(hù)單位的資料檔案以及領(lǐng)域內(nèi)一些科研人員整理的相關(guān)數(shù)據(jù)與研究。系統(tǒng)在考慮公路網(wǎng)的分布、職能和規(guī)劃的原則的基礎(chǔ)之上，以各地區(qū)的自然地理氣候環(huán)境特征為導(dǎo)向，對信息進(jìn)行系統(tǒng)的整理統(tǒng)計(jì)與描述。筑路材料描述指標(biāo)應(yīng)具有科學(xué)實(shí)用性和代表性，達(dá)到準(zhǔn)確、簡單和直接地反映其路用性能。

提出土的干濕類型和土的壓實(shí)度這兩個(gè)描述指標(biāo)；在公路工程設(shè)計(jì)中常用于表征土基強(qiáng)度的指標(biāo)為土基的回彈模量與加州承載比(CBR)。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)今在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中選擇Access數(shù)據(jù)庫和MapInfo地理信息系統(tǒng)平臺，并且使用VB++開發(fā)工具語言對其進(jìn)行開發(fā)實(shí)現(xiàn)，并呈現(xiàn)出此數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與可視化信息管理系統(tǒng)的高等級公路網(wǎng)有著緊密聯(lián)系。其系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架圖

2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 筑路材料GIS數(shù)據(jù)類型

數(shù)據(jù)模按照其結(jié)構(gòu)可分為柵格和矢量兩種，詳細(xì)闡述如下：

(1)柵格數(shù)據(jù)是將工作范圍內(nèi)的元素按照一定的規(guī)則或者規(guī)律分解在表格當(dāng)中，從而形成的一種平面表象。柵格數(shù)據(jù)是由許多個(gè)網(wǎng)格組合而成，在柵格數(shù)據(jù)中的每個(gè)網(wǎng)格被稱為一個(gè)像元，表示不同的意義。不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對應(yīng)不同的優(yōu)勢，因此也應(yīng)用在不同的行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)。例如由行列像元組成矩陣的柵格，每個(gè)像元都具有一定數(shù)值，其代表著不同的地理現(xiàn)象。

(2)常用矢量數(shù)據(jù)展現(xiàn)出圖形元素之間、幾何數(shù)據(jù)之間及它們與屬性數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系，矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)又包括點(diǎn)與線實(shí)體及多邊形數(shù)據(jù)3種類型。

點(diǎn)實(shí)體是由單個(gè)的(x，y)坐標(biāo)定位出的某個(gè)點(diǎn)，而這個(gè)點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)中代表著一切地理坐標(biāo)或制圖實(shí)體，例如在筑路領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)常采用點(diǎn)實(shí)體代替料場和交叉口。

線實(shí)體是由直線元素組成的實(shí)體，代表著現(xiàn)實(shí)中的一切實(shí)體。通常每個(gè)線性要素(不同的坐標(biāo)對的組合而成)也稱為鏈。線與鏈之間構(gòu)成了道路網(wǎng)的主要脈絡(luò)，在分析過程中扮演著著至關(guān)重要的角色。多邊形數(shù)據(jù)克服了點(diǎn)實(shí)體與線實(shí)體的局限性，可以更加完美地描述空間地理信息，從而使數(shù)據(jù)的精確性顯著提升。在區(qū)域?qū)嶓w中，業(yè)界人士經(jīng)常用多邊形表示實(shí)物的名稱屬性和分類屬性。

2.2 GIS數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建

管理系統(tǒng)必須包含兩種數(shù)據(jù)才能將材料更加精確地定位與描述。它們分別是空間定位與地理屬性數(shù)據(jù)。

根據(jù)筑路材料數(shù)據(jù)庫所包含的元素以及功能不同可分為以下三大部分：

(1)地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫可解決地形圖比例尺選擇、坐標(biāo)系選擇、投影方式的選擇、數(shù)據(jù)傳輸選擇及地形要素的選擇等多個(gè)方面的問題。

(2)筑路材料資源信息庫從已修建的公路路線得到并作為基礎(chǔ)，在沿線地區(qū)系統(tǒng)收集并存儲筑路材料資源，再進(jìn)行細(xì)化，為今后的使用打下良好的基礎(chǔ)。

(3)方便施工時(shí)可以精準(zhǔn)地選擇料場，系統(tǒng)特意創(chuàng)建了道路空間數(shù)據(jù)庫。

地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)主分為空間數(shù)據(jù)庫與圖形庫兩大模塊，空間數(shù)據(jù)如表1所示。

3 GIS功能的實(shí)現(xiàn)手段與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

GIS圖形操作功能：圖形顯示可以將地理信息與筑路材料信息以不同的層次表達(dá)出來；操作人員可以使用鼠標(biāo)對圖形進(jìn)行放大、縮小及旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行仔細(xì)審查；圖形實(shí)時(shí)查詢功能可以讓操作人員隨時(shí)隨地獲得圖形與屬性數(shù)據(jù)；操作人員也可使用圖形編輯功能對地圖上的圖形實(shí)體內(nèi)容進(jìn)行編輯修改，從而改成滿足各個(gè)方面的要求與格式。

3.2 模塊功能

GIS是一種組合式的模塊化設(shè)計(jì)，其主要組成板塊為主界面設(shè)計(jì)、地圖編輯、屬性查詢等組成。系統(tǒng)主窗體上采用MapInfo菜單命令，同時(shí)也人性化地為其他模塊提供了菜單命令切入通道，圖形操作模塊可在“文件中的打開表”命令找到，此功能是對料場內(nèi)材料數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的管理；分析板塊包括“GPS數(shù)據(jù)”和“最短路徑”兩個(gè)一級菜單。

4 解決GIS關(guān)鍵技術(shù)

4.1 定位參照系

筑路材料的分布與路線有著密切的關(guān)系，所以系統(tǒng)選用線性定位參照系統(tǒng)——里程樁定位出參照系統(tǒng)，從而反映平面坐標(biāo)系統(tǒng)與里程樁線性參照系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性。

若在系統(tǒng)中制作線性定位參照系統(tǒng)，必須在地圖中繪制出可以編輯的具體路線，并按照施工現(xiàn)場的里程樁號對路段進(jìn)行一一標(biāo)注。

(1)路線的定義。在地形圖上擬定該條公路的走向，必須要知道該路的起點(diǎn)與導(dǎo)向點(diǎn)的具體位置與樁號，標(biāo)出上面所擬定路線的計(jì)算機(jī)編碼。在具體設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，首先要以路線的起、終點(diǎn)為導(dǎo)向，在室內(nèi)地形圖上繪制出該條道路可能走向中對應(yīng)的弧段，然后運(yùn)用GIS軟件的命令或程序?qū)⒁陨匣《谓M成一條新的路線，也就初步確定了該條路線的方向，也可根據(jù)設(shè)計(jì)施工的需要，對該路線設(shè)置一定的屬性值。

(2)設(shè)置路線的里程樁。對于在公路設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常采用的里程樁號同實(shí)際距離長度有很大的差別，這主要是因?yàn)樵诠飞辖?jīng)常出現(xiàn)斷鏈現(xiàn)象，所以在設(shè)計(jì)過程中不得不單獨(dú)對路線的起、終點(diǎn)樁號重新設(shè)置，最后選擇內(nèi)插的方法，再把所有的線段組合在一起，所以與實(shí)際有所差別。由此，在建立一個(gè)新的系統(tǒng)時(shí)，關(guān)鍵的一點(diǎn)就是要在線路中設(shè)立一些與實(shí)際樁號數(shù)值一致的控制點(diǎn)，從而可以減小誤差。例如可以在某橋梁、隧道或者河流上設(shè)置一些控制點(diǎn)，在地形圖上確定該點(diǎn)的實(shí)際樁號，最終輸入到GIS系統(tǒng)中的路段上，從而可以極大程度上提高橋梁、隧道或者河流兩側(cè)的信息的精度。

4.2 GIS系統(tǒng)的動態(tài)分段技術(shù)

為了可以更完美地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)雙向動態(tài)可視化，實(shí)時(shí)查析圖形和屬性數(shù)據(jù)，GIS采用動態(tài)分段的形式。

動態(tài)分段是GIS特有功能技術(shù)——動態(tài)分析道路線性特征的屬性并加以顯示的技術(shù)。GIS系統(tǒng)利用VB++和MapX動態(tài)圖層模式進(jìn)行構(gòu)建，系統(tǒng)生成了高效的算法和一系列實(shí)時(shí)更新的底層函數(shù)，從而使系統(tǒng)具有動態(tài)分段功能。其具體操作流程見下頁圖2。

圖2 動態(tài)分段功能實(shí)現(xiàn)示意圖

4.3 最短路徑

最短路徑主要是用來提高設(shè)計(jì)人員選線的工作效率與質(zhì)量，第一步，將路線分段；第二步，將各段中點(diǎn)設(shè)為節(jié)點(diǎn)；第三步，利用系統(tǒng)內(nèi)置的筑路材料拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，使之達(dá)到最短路徑分析，以便找出經(jīng)濟(jì)與高效的最佳供料點(diǎn)位置。

在道路選線中建立拓?fù)潢P(guān)系算法的一些關(guān)鍵步驟是：(1)將可能利用到的數(shù)據(jù)事先處理；(2)將點(diǎn)和弧關(guān)聯(lián)起來；(3)多邊形的生成，并使之與弧段相互聯(lián)系；(4)將系統(tǒng)內(nèi)的多邊形建立新的關(guān)系；(5)仔細(xì)檢查調(diào)整后生成即可。

Dijkstra算法的主要流程：(1)通過對數(shù)據(jù)庫中道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)和邊的讀取，分別獲得計(jì)算機(jī)內(nèi)部對應(yīng)的數(shù)據(jù)；(2)仔細(xì)觀察，找出在這個(gè)道路網(wǎng)絡(luò)中的最高鄰接結(jié)點(diǎn)數(shù)是哪一個(gè)；(3)通過節(jié)點(diǎn)之間的相互連接，實(shí)現(xiàn)構(gòu)造鄰接結(jié)點(diǎn)矩陣與初始判斷矩陣；(4)在道路網(wǎng)絡(luò)中，利用以上矩陣可求出任意兩點(diǎn)間的最短路徑。

為了更好、更高效地為設(shè)計(jì)人員服務(wù)，本系統(tǒng)采用快捷高效的VB語言制作界面和OLE自動啟動MapInfo工具、軟件和服務(wù)器，可減少編程與調(diào)試的繁瑣過程。為了可直接利用Word、Excel等多種格式的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用Access數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理即可。

5 結(jié)語

(1)本文重點(diǎn)介紹了如何建立材料數(shù)據(jù)庫、道路網(wǎng)的矢量地圖表達(dá)方式、構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及如何建立屬性數(shù)據(jù)模型。

(2)該軟件系統(tǒng)提供了一種更加接近實(shí)際的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和開發(fā)方式，解決了數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一存儲管理和最短路徑這一系列技術(shù)問題。

(3)人性化的系統(tǒng)操作界面設(shè)計(jì)，可通過自動或手動的方式對其進(jìn)行修改，提高設(shè)計(jì)精確度與設(shè)計(jì)效率。