基于三維GIS地圖公路資產(chǎn)養(yǎng)護數(shù)據(jù)展示平臺設計研究

李宇軒

摘要 文章首先闡述了三維GIS的特點，然后結(jié)合工程實例，具體分析了基于三維GIS技術的公路資產(chǎn)養(yǎng)護數(shù)據(jù)展示平臺主要功能架構(gòu)設計與實現(xiàn)方法，最后對該平臺的應用前景進行了展望。平臺通過引入三維模型集成多源數(shù)據(jù)，全方位、多維度展示公路基礎設施的運營狀態(tài)，提升公路養(yǎng)護數(shù)據(jù)的可訪問性和查詢效率，為養(yǎng)護數(shù)據(jù)分析及決策提供支持，從而進一步提高公路資產(chǎn)管理的智能化和數(shù)字化水平。

關鍵詞 GIS技術；公路資產(chǎn)；公路養(yǎng)護；三維模型；養(yǎng)護數(shù)字化；數(shù)字孿生技術

中圖分類號 U418文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）05-0013-03

0 引言

目前，公路養(yǎng)護管理存在數(shù)據(jù)孤島和信息展示不統(tǒng)一的問題，現(xiàn)有的系統(tǒng)通常只針對特定項目進行開發(fā)，缺乏集中、直觀的平臺統(tǒng)一展示和分析養(yǎng)護數(shù)據(jù)。隨著數(shù)字化和智能化技術的發(fā)展，三維GIS地圖公路資產(chǎn)養(yǎng)護數(shù)據(jù)展示平臺的設計變得尤為重要，不僅能整合不同來源的養(yǎng)護數(shù)據(jù)，還能通過先進的三維可視化技術提供更加直觀、清晰的數(shù)據(jù)展示，從而幫助管理者更有效地進行決策和管理[1]。此外，這種集成了數(shù)字孿生技術的平臺還能提高養(yǎng)護數(shù)據(jù)的利用效率，優(yōu)化公路資產(chǎn)管理流程，同時，對公路基礎設施的維護和管理提供強有力的技術支持。

1 三維GIS的特點

三維GIS在二維GIS的基礎上，增加了對地球表面的第三維度，即高度或深度。相比于二維GIS，三維GIS能夠更好地分析和處理地理空間數(shù)據(jù)，使用準確的三維地理模型可以幫助使用者更好地理解地理空間數(shù)據(jù)，進行可視化分析。三維GIS在數(shù)據(jù)處理和分析中具有以下特點：

1.1 多維度信息展示

采用三維GIS技術，可以清晰地顯示公路的地形、地貌，同時，三維GIS地圖能夠展示公路的多個維度信息，包括公路的位置、走向、寬度、高度、坡度、曲度等，使得使用者可以更全面地了解公路的情況[2]。

1.2 空間關系模擬

利用三維GIS技術，可以對公路周圍的地形、地貌、江河等進行模擬，以幫助使用者更好地了解和評估公路建設和運營情況。

1.3 多維度空間分析

三維GIS還具有強大的多維度空間分析功能。這是其特有的功能，能夠?qū)臻g對象進行三維空間分析和操作[3]。

1.4 良好的擴展和更新性

三維GIS地圖具有良好的擴展和更新性能，可與各類系統(tǒng)進行集成，例如養(yǎng)護管理系統(tǒng)、交通管理系統(tǒng)、健康監(jiān)測系統(tǒng)、應急指揮系統(tǒng)等，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。同時，實時更新數(shù)據(jù)便于使用者及時了解最新的信息。

2 三維GIS地圖公路資產(chǎn)養(yǎng)護數(shù)據(jù)展示平臺構(gòu)架與實現(xiàn)

2.1 工程概況

固原地區(qū)高速養(yǎng)護項目部管養(yǎng)高速公路共5條，管養(yǎng)總里程456.543 km，其中，主線里程406.436 km，匝道及連接線總里程為50.107 km。橋梁673座，其中，特大橋4座、大橋192座、中橋176座、小橋301座。隧道共計14座，其中，特長隧道1座、長隧道3座、中隧道6座、短隧道4座。全線橋隧比為24.7%。

該養(yǎng)護項目部已建立多套養(yǎng)護相關系統(tǒng)，但缺乏養(yǎng)護大數(shù)據(jù)統(tǒng)計展示平臺，當前需整合并充分利用各系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據(jù)，匯聚數(shù)據(jù)感知、采集、分析、決策等關鍵信息，并充分結(jié)合三維模型等數(shù)字孿生融合技術，建立公路養(yǎng)護數(shù)據(jù)展示平臺的生態(tài)圈。鑒于此，為了提升項目部養(yǎng)護數(shù)字化水平及管理效率，需研究設計基于養(yǎng)護大數(shù)據(jù)驅(qū)動的三維GIS地圖公路資產(chǎn)養(yǎng)護數(shù)據(jù)展示平臺，通過該平臺實現(xiàn)養(yǎng)護數(shù)據(jù)資源整合，解決信息孤島問題，提升養(yǎng)護管理及公路運營效率。

2.2 平臺模塊組成

在三維GIS地圖公路資產(chǎn)養(yǎng)護數(shù)據(jù)展示平臺的構(gòu)架中，核心部分包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)展示模塊，這三個模塊相互協(xié)作，共同實現(xiàn)平臺的功能。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是從多樣化的數(shù)據(jù)源中收集關于公路資產(chǎn)及養(yǎng)護的相關信息，包括但不限于公路狀況監(jiān)測系統(tǒng)、交通流量監(jiān)控設備、結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測設備等站點，提供道路病害狀況、交通量狀況、結(jié)構(gòu)安全狀況等對道路有影響的關鍵信息，為道路養(yǎng)護提供了堅實的數(shù)據(jù)支撐。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊需對收集到的原始數(shù)據(jù)進行一系列復雜的處理過程。首先，進行數(shù)據(jù)清洗，識別并糾正數(shù)據(jù)集中的錯誤和不一致性，如去除重復記錄、校正錯誤數(shù)據(jù)和填補缺失值等。然后，將數(shù)據(jù)根據(jù)類型或?qū)傩赃M行分組，以便于后續(xù)處理。最后，通過機器學習算法、數(shù)據(jù)挖掘技術和復雜的統(tǒng)計方法等數(shù)據(jù)分析工具進行深入分析。通過數(shù)據(jù)處理模塊處理好的數(shù)據(jù)更規(guī)范、有序，便于統(tǒng)計和展示。

2.2.3 數(shù)據(jù)展示模塊

數(shù)據(jù)展示模塊利用三維GIS技術將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直觀且易于理解的“視覺格式”，包括三維地圖、交互式圖表和模擬場景等。三維地圖提供了地理特征的真實展示，幫助用戶更直觀了解公路資產(chǎn)的空間分布情況；交互式圖表，如柱狀圖、餅圖、折線圖和散點圖，允許用戶通過交互操作深入了解數(shù)據(jù)細節(jié)；模擬場景則能夠展現(xiàn)不同公路養(yǎng)護策略的潛在影響。此模塊的設計重點是使用戶能夠直觀、快速識別不同等級的公路技術狀況區(qū)域，進行深入的數(shù)據(jù)分析，并支持基于大數(shù)據(jù)的養(yǎng)護決策制定，有效提升了輔助決策的質(zhì)量和速度[4]。

2.3 平臺主要功能實現(xiàn)

三維GIS地圖公路資產(chǎn)養(yǎng)護數(shù)據(jù)展示平臺，主要是統(tǒng)計和展示公路主要資產(chǎn)及養(yǎng)護業(yè)務相關信息。平臺針對公路基礎設施的特點，綜合BIM、三維GIS、三維模型等技術，研究公路圖像三維建模及模型融合技術。即在二維平面GIS地圖的基礎上通過一定技術手段融合、疊加三維模型。

平臺主要包括主題首頁及養(yǎng)護業(yè)務功能，主題首頁主要展示公路資產(chǎn)數(shù)據(jù)宏觀信息，包括路線、橋梁、隧道、邊坡地圖點位及各類統(tǒng)計圖表，同時，可根據(jù)搜索條件檢索相關信息。業(yè)務功能主要包括基礎數(shù)據(jù)、養(yǎng)護巡查、技術狀況、養(yǎng)護決策、養(yǎng)護維修、應急事件等業(yè)務功能數(shù)據(jù)的地圖可視化展示。

為了將各類公路設施及養(yǎng)護數(shù)據(jù)直觀、清晰、多維度展示，平臺采用了多樣化的數(shù)據(jù)展示方式，包括GIS地圖、柱形圖、折線圖、餅圖、矩陣圖、數(shù)據(jù)列表等。另外，平臺創(chuàng)新性地在GIS地圖的基礎上通過一定技術手段融合、疊加、輕量處理傾斜攝影三維模型，形成高精度的三維GIS實景地圖，能反映地物周邊真實情況，還原基礎設施表面紋理，實現(xiàn)公路設施病害清晰可見。

2.3.1 主題首頁

主要展示整個公路資產(chǎn)的重要信息，同時，展示道路、橋梁、隧道、邊坡地圖點位及統(tǒng)計圖表，如圖1所示。建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)展示標準的“智慧駕駛艙”，以統(tǒng)計圖表的形式生動、直觀地展示各類信息，解決系統(tǒng)間信息不流通、數(shù)據(jù)雜亂等問題。

2.3.2 基礎數(shù)據(jù)

展示路線及橋梁、隧道、邊坡、收費站、服務區(qū)地圖點位信息，同時，可查詢上述公路資產(chǎn)的詳細數(shù)據(jù)。以“養(yǎng)護一張圖”形式展示公路基礎設施主要資產(chǎn)的點位及詳細信息，資產(chǎn)分布情況一目了然，實現(xiàn)公路基礎設施地圖可視化顯示。

2.3.3 養(yǎng)護巡查

展示人工巡查、車載視頻巡查、無人機巡查記錄及對應的軌跡信息，同時，可查詢上述巡查記錄所關聯(lián)的病害信息，如圖2所示。直觀展示巡查路線、巡查狀態(tài)及關聯(lián)病害等信息，軌跡數(shù)據(jù)可視化存儲便于巡查責任劃分和出勤考核。

2.3.4 技術狀況

通過多種方式展示公路路面、橋梁、隧道的定期檢查評價結(jié)果信息，同時，可查詢上述設施各單元、部件或構(gòu)件詳細評價結(jié)果信息，如圖3所示。地圖上直觀展示不同技術狀況等級的評定單元，顏色區(qū)分，技術狀況評價結(jié)果一目了然，解決大量數(shù)據(jù)顯示雜亂問題。

2.3.5 養(yǎng)護決策

直觀展示路面、橋梁、隧道養(yǎng)護決策路段或位置信息，同時，可查詢上述設施各決策路段、部件或構(gòu)件詳細決策信息，如養(yǎng)護類型、養(yǎng)護措施、維修費用等。地圖上直觀展示不同養(yǎng)護類型的決策路段及詳細信息，顏色區(qū)分。養(yǎng)護路段位置及養(yǎng)護類型一目了然。

2.3.6 養(yǎng)護維修

展示公路設施上病害點位及詳細信息，同時，可展示公路施工區(qū)域位置及關聯(lián)的病害信息。地圖上可直觀展示待維修、維修中、已維修狀態(tài)的病害信息，便于養(yǎng)護管理部門了解所管轄路段病害分布情況、維修狀態(tài)及施工區(qū)域位置。

2.3.7 應急事件

展示公路設施上應急事件點位信息，同時，可查詢應急事件處理狀態(tài)及其他詳細信息。地圖上直觀展示待處理及已處理狀態(tài)的事件信息，便于安全管理部門了解所管轄路段應急事件分布情況及處理狀態(tài)。

2.3.8 工具應用

主要包括地圖管理、圖層管理、結(jié)構(gòu)BIM模型、傾斜攝影三維模型顯示、測量工具。方便用戶根據(jù)不同使用場景需求，選擇不同工具輔助進行平臺地圖查詢、瀏覽、測算等操作。

3 應用展望

三維GIS地圖公路資產(chǎn)養(yǎng)護數(shù)據(jù)展示平臺，更適用于網(wǎng)級公路養(yǎng)護管理單位人員應用，如管轄多條路線的交通局、公路局、城養(yǎng)中心、運營公司及養(yǎng)護公司等。通過建設基于“大數(shù)據(jù)+智能化”的三維GIS地圖公路資產(chǎn)養(yǎng)護數(shù)據(jù)展示平臺，制定基于國家規(guī)范及行業(yè)標準的平臺數(shù)據(jù)融合機制，匯聚公路基礎設施各類養(yǎng)護數(shù)據(jù)，以統(tǒng)計圖表、三維實景地圖等多種直觀方式進行數(shù)據(jù)展示，提高養(yǎng)護大數(shù)據(jù)查詢效率及利用價值，便于管理者及時作出精準的運營決策，增加公路使用壽命，減少運營資金投入。另外，通過平臺匯聚信息展示功能，可全方位了解整個公路設施的運營狀態(tài)，提高應急事件及災害事件的預警反應速度，合理分配有限的應急資源，加快事件事故處理速度，緩解擁堵狀況，提高行車人員出行質(zhì)量，減少事故發(fā)生率，提高公路設施的安全管理和運營水平。

4 結(jié)語

該文主要探討了三維GIS地圖公路資產(chǎn)養(yǎng)護數(shù)據(jù)展示平臺的設計與實現(xiàn)。首先闡述了平臺的整體設計及功能特點，然后詳細介紹了平臺數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)展示三大核心模塊，強調(diào)了每個模塊在整個平臺中發(fā)揮的重要作用，最后對平臺主要的功能設計進行了相關描述，同時，對該平臺后續(xù)應用前景進行了深入展望。綜上所述，通過研發(fā)基于高精度三維GIS地圖的公路資產(chǎn)養(yǎng)護數(shù)據(jù)展示平臺，可實現(xiàn)公路養(yǎng)護大數(shù)據(jù)資源的全面整合與多維度展示，這不僅有助于消除信息孤島問題，而且能夠為用戶提供更深入的數(shù)據(jù)挖掘價值，從而為公路資產(chǎn)的數(shù)字化管理和智慧養(yǎng)護提供強有力的支持。

參考文獻

[1]陳海榮. 基于GIS技術高速公路養(yǎng)護數(shù)據(jù)平臺的開發(fā)與應用[J]. 交通世界， 2021（12）： 129-130.

[2]丁美. 面向不同管理需求的交通基礎設施養(yǎng)護數(shù)據(jù)平臺建設[J]. 公路交通技術， 2020（2）： 138-144.

[3]陳彤， 張小兵， 劉春暉， 等. 大數(shù)據(jù)管理平臺在公路養(yǎng)護管理中的應用[J]. 運輸經(jīng)理世界， 2023（18）： 129-131.

[4]張成帥. 高速公路路面養(yǎng)護大數(shù)據(jù)分析平臺設計[J]. 交通世界， 2020（11）： 83-84.