基于GIS技術(shù)的高速公路邊坡施工信息管理系統(tǒng)設(shè)計

吳 飛， 沈達(dá)佳

(1.江西省交通工程集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330022；2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063)

高速公路邊坡施工信息管理，是指以邊坡施工作為目標(biāo)系統(tǒng)的信息管理系統(tǒng)。它通過對路基邊坡施工過程中信息的采集、加工和處理，為邊坡施工穩(wěn)定性決策提供依據(jù)。實現(xiàn)邊坡施工信息化能更全面地獲取邊坡相關(guān)數(shù)據(jù)，有助于邊坡施工管理的自動化和高效化[1]。

1 地理信息系統(tǒng)(GIS)及其在高速公路建設(shè)中的應(yīng)用

1.1 GIS概述

GIS是集數(shù)據(jù)采集管理、運(yùn)算分析、顯示描述的技術(shù)系統(tǒng)，具有顯著的面向空間的特征，它可以將目標(biāo)物的地理特征、屬性等進(jìn)行空間表達(dá)和分析。比如在一段高速公路中，地理特征指的是高速公路起訖點(diǎn)，屬性指的是高速公路上的造價、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和車流密度等具有統(tǒng)計信息的數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)的紙質(zhì)地圖，GIS通過將地理位置和統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合更好地提供對目標(biāo)物的認(rèn)識。

1.2 GIS在高速公路建設(shè)中的應(yīng)用

GIS能將高速公路選線設(shè)計、地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境研究涉及的諸多方面知識統(tǒng)一起來，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，例如將數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法與經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會科學(xué)、環(huán)境學(xué)等統(tǒng)一起來運(yùn)用于路線的優(yōu)化設(shè)計[2]。

(1)GIS用于高速公路選線設(shè)計。GIS具有計算機(jī)輔助設(shè)計的功能和圖形疊置分析功能，它不僅在進(jìn)行路網(wǎng)的規(guī)劃、選址、分析與最佳路徑的決策方面有著很大的優(yōu)勢，而且在路網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計等方面也會更加方便。

(2) GIS用于高速公路環(huán)境影響評價。GIS能采集管理與場地有關(guān)的數(shù)據(jù)，比如點(diǎn)面源污染、土地利用狀況等，根據(jù)這些數(shù)據(jù)建立環(huán)境地理信息庫，得出科學(xué)的評價。

(3)GIS 用于高速公路環(huán)境監(jiān)測。通過GIS實時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、分析來提高高速公路環(huán)境監(jiān)測能力。

(4)GIS用于高速公路環(huán)境管理。利用GIS能建立環(huán)境模型，直觀地將結(jié)果顯示出來，有助于解決許多環(huán)境問題。

(5)GIS用于高速公路地質(zhì)災(zāi)害信息管理。GIS在空間圖形數(shù)據(jù)和工程屬性數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害類型及發(fā)生機(jī)理[3]，將這些作為計算機(jī)分析的基礎(chǔ)，用于確定地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生因子和影響程度，并通過模型科學(xué)預(yù)測高速公路各段受地質(zhì)災(zāi)害的影響情況，為有效控制地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生和整治地質(zhì)災(zāi)害問題提供科學(xué)依據(jù)[4]。

(6)GIS用于高速公路建設(shè)項目的工程管理。利用GIS能分別存儲地形圖和工程基本資料等各種不同信息，通過地形圖的點(diǎn)、線、面等實體直觀地反映工程信息，有效加強(qiáng)對大型基礎(chǔ)建設(shè)的全方位管理。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

客戶機(jī)/服務(wù)器(Client/Server，C/S)和瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，B/S)[5]是當(dāng)前軟件體系結(jié)構(gòu)中的兩種主要模式。以本文研究內(nèi)容為目標(biāo)的情況，對比兩種模式，B/S模式在效率、可靠性、維護(hù)、程序移植性等方面具有一定的優(yōu)越性。三層B/S模式體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)三層體系結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)在功能方面主要包含以下七個功能模塊：系統(tǒng)設(shè)置模塊、地理信息維護(hù)模塊、評價指標(biāo)體系模塊、風(fēng)險評價模塊、決策支持子系統(tǒng)、GIS評價模塊、統(tǒng)計分析模塊。其關(guān)系如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊的關(guān)系圖

2.2 系統(tǒng)具體設(shè)計

2.2.1 系統(tǒng)設(shè)置模塊

主要功能是為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行提供各種必需的基礎(chǔ)信息管理功能，包括路段管理、邊坡管理、評價時間管理、評價等級、通知管理。路段管理功能中能建立邊坡與公路的對應(yīng)關(guān)系；評價時間管理功能中為每次評價提供時間周期設(shè)置信息；評價等級功能中為最后評價等級提供評價依據(jù)。其他模塊也為系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了相應(yīng)功能。

2.2.2 評價指標(biāo)體系模塊

主要功能是對各指標(biāo)體系進(jìn)行管理，比如指標(biāo)的分類、添加、修改、刪除和計算權(quán)重設(shè)定等。

2.2.3 地理信息維護(hù)模塊

主要功能是維護(hù)所有合同段邊坡信息管理相關(guān)的地理數(shù)據(jù)，為基于GIS的邊坡施工信息管理和統(tǒng)計提供基礎(chǔ)。

2.2.4 邊坡施工風(fēng)險評價模塊

主要功能是得出指標(biāo)評價分?jǐn)?shù)和綜合評價邊坡施工的風(fēng)險管理。

2.2.5 決策支持子系統(tǒng)模塊

主要功能是根據(jù)施工邊坡風(fēng)險等級提出相應(yīng)的處置對策，同時也提供評價結(jié)果查詢和統(tǒng)計分析等功能。

2.2.6 GIS評價模塊及統(tǒng)計分析模塊

主要功能是在地圖上將所有合同段施工邊坡的綜合評價情況形象直觀地展示出來。用戶可根據(jù)不同需求進(jìn)行不同的顯示設(shè)置。

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫設(shè)計包括：需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)據(jù)庫實施等多個階段。概念結(jié)構(gòu)設(shè)計是指根據(jù)需求分析階段的數(shù)據(jù)建立概念模型。邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計是指將概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的概念模型轉(zhuǎn)化為具體的邏輯結(jié)構(gòu)模型。本文主要介紹數(shù)據(jù)庫設(shè)計中的概念結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)。

2.3.1 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計

被評價合同段與指標(biāo)體系信息具有多對多的聯(lián)系。系統(tǒng)總體E-R圖如圖3所示，其子系統(tǒng)E-R圖如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)總體E-R圖

圖4 子系統(tǒng)E-R圖

2.3.2 數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計

邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計是指將實體、實體的屬性和實體之間的聯(lián)系轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式，從而達(dá)到把在概念設(shè)計階段設(shè)計好的基本E-R圖轉(zhuǎn)換為與數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品所支持的數(shù)據(jù)模型相符合的邏輯結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)相應(yīng)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)表見表1。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)表

指標(biāo)體系相關(guān)信息詳細(xì)內(nèi)容見表2。

表2 區(qū)縣指標(biāo)信息表

評價結(jié)果信息詳細(xì)內(nèi)容見表3。

表3 評價結(jié)果信息表

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)

以微軟的Visual Studio.NET 2005作為開發(fā)平臺，以SQL Server 2005作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以ArcGIS 9作為GIS平臺。

3.1.1 .NET技術(shù)

.Net具有使用多種匯編語言、庫開發(fā)Web應(yīng)用以及微服務(wù)等功能。ASP.Net 是.Net FrameWork的組成部分之一，是微軟公司推出的新一代腳本語言，能同時支持C++、VB等多種開發(fā)語言。ASP.Net在撰寫代碼時能將頁面邏輯和業(yè)務(wù)邏輯分開，更容易實現(xiàn)一些高難度的控制。此外，ASP.Net還提供完備的身份驗證和授權(quán)管理安全控制措施

3.1.2 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

SQL Server 2005具有集成的商業(yè)智能 (BI)工具和關(guān)系型和結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)庫引擎，能提供企業(yè)級的數(shù)據(jù)管理功能和安全可靠的存儲功能。在操作方面，SQL Server 2005具有操作簡單、功能齊全的特點(diǎn)。

3.2 系統(tǒng)工具類的實現(xiàn)

3.2.1 數(shù)據(jù)庫操作類功能的實現(xiàn)步驟

步驟為：①創(chuàng)建DataBaseMgr類；②在靜態(tài)方法中定義數(shù)據(jù)庫連接功能；③在靜態(tài)方法中定義常用數(shù)據(jù)庫的操作命令。

在DataBaseMgr類中預(yù)先定義其他需要在數(shù)據(jù)控件上綁定的各類數(shù)據(jù)，這樣可以減少頁面模塊中的代碼量。

3.2.2 工具類功能的實現(xiàn)

工具類中主要包含密碼轉(zhuǎn)換、Word文檔存入、Excell文件導(dǎo)入等功能，下面分別介紹其實現(xiàn)方法。

(1)密碼轉(zhuǎn)換。根據(jù)密碼對安全性的要求，這里采用.Net中提供的“MD5”方法來完成密碼轉(zhuǎn)化。

(2)Word文檔存入。通過FileStream類將文檔內(nèi)容讀入到字節(jié)型數(shù)組中，然后執(zhí)行保存操作。

(3)Excell文件導(dǎo)入。Excell文件導(dǎo)入需要具備通用性特點(diǎn)。本文分別將文件對象和字段數(shù)量作為參數(shù)，將文件頭部定義為：public static DataSet upLoadExcel(HttpPostedFile hpf，int countcol)，判斷文件類型是否為xls和文件大小是否為零，當(dāng)文件滿足要求，通過System.IO文件操作類將文件保存到服務(wù)器目錄中，再通過System.Data.OleDb中的數(shù)據(jù)操作類讀取xls的數(shù)據(jù)寫入到DataSet對象中，最后取得返回的DataSet對象后循環(huán)讀取記錄,并存儲到相關(guān)數(shù)據(jù)表中。

(4)日期選擇。日期選擇需要具有合法性。本文采用JavaScript與ASP.Net相結(jié)合的模式來實現(xiàn)日期的選擇輸入。

(5)矩陣相乘。定義任意長度的兩個二維組參數(shù)，進(jìn)行矩陣計算，最后將計算結(jié)果返回到二維數(shù)組中。

3.2.3 評價指標(biāo)管理

通過.NET中的TreeView控件實現(xiàn)指標(biāo)的添加、修改、刪除等操作評價指標(biāo)樹體系的管理原理：初始化樹根，通過樹的遍歷算法在數(shù)據(jù)庫中找到不同子類，最后給樹添加子節(jié)點(diǎn)。

3.2.4 指標(biāo)權(quán)重計算

指標(biāo)權(quán)重的計算主要是根據(jù)不同專家對指標(biāo)重要性不同結(jié)果進(jìn)行計算，在計算權(quán)重的過程中系統(tǒng)要判別該指標(biāo)權(quán)重是否有效，過濾掉不符合要求的指標(biāo)權(quán)重組，最后對計算結(jié)果取平均值，得到指標(biāo)權(quán)重。系統(tǒng)會根據(jù)各級指標(biāo)數(shù)量的不同，動態(tài)地形成滿足數(shù)量的行列數(shù)。

3.2.5 綜合評價

評價指標(biāo)數(shù)據(jù)被錄入后，用戶可以通過綜合評價模塊查看評價結(jié)果，如圖5所示。

圖5 邊坡施工滑坡風(fēng)險評價主界面

點(diǎn)擊“危險性評價隸屬度計算”，彈出新窗口，如圖6所示。點(diǎn)擊窗口右下方的“隸屬度計算”，計算被選中指標(biāo)的隸屬度。

圖6 危險性評價隸屬度計算界面

點(diǎn)擊下一步，進(jìn)入“權(quán)重計算”窗口，如圖7所示。權(quán)重分為準(zhǔn)則層和分析指標(biāo)層兩層計算。分別在“權(quán)重計算”窗口中，在評價指標(biāo)矩陣中輸入專家打分，要求矩陣的對角位置的數(shù)值互為倒數(shù)，且矩陣中每項值都不大于9。

圖7 權(quán)重計算界面

關(guān)閉“權(quán)重計算”窗口，點(diǎn)擊“邊坡施工滑坡風(fēng)險評價”中的按鈕“滑坡危險性評價”，彈出“危險性評價”窗口，如圖8所示。按“一級綜合評級”“二級綜合評價”“綜合評價結(jié)論”順序進(jìn)行計算。分別點(diǎn)擊對應(yīng)窗口下方的“計算”，即可進(jìn)行施工期滑坡風(fēng)險評價。

圖8 滑坡危險性評價界面

關(guān)閉“危險性評價”窗口，點(diǎn)擊邊坡施工滑坡風(fēng)險評價中的按鈕“滑坡危害范圍確定”。彈出新窗口，根據(jù)窗口中表格的屬性，對應(yīng)輸入實際值，可以計算滑坡的危害范圍。

關(guān)閉“滑坡危害范圍確定”窗口，點(diǎn)擊“邊坡施工滑坡風(fēng)險評價”中的按鈕“潛在受災(zāi)體價值統(tǒng)計”，彈出新窗口，根據(jù)窗口中的文字提示輸入對應(yīng)實際數(shù)據(jù)，按照“建筑財產(chǎn)類”“耕地、資源類”“線狀工程設(shè)施”“潛在受災(zāi)體總價值”順序進(jìn)行計算，得到潛在受災(zāi)體總價值。

圖9 潛在受災(zāi)體價值統(tǒng)計界面

4 結(jié) 論

通過對路基邊坡施工過程中信息的采集、加工和處理，基于GIS技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)了高速公路施工期邊坡風(fēng)險評價系統(tǒng)，為工程管理人員對邊坡風(fēng)險進(jìn)行管理提供了可視化、系統(tǒng)化輔助決策支持。從而使得邊坡施工信息化管理工作高速、高效運(yùn)行。