基于ＧＩＳ的橋梁評估可視化研究

摘 要：為了確保橋梁的安全性，避免重大的經濟損失，必須對橋梁進行評介。在地理信息系統的基礎上，建立了橋梁的安全性評介管理系統，實現了橋梁評估結果在橋梁模型上顯示的可視化。

關鍵詞：安全性評價；地理信息系統；可視化

中圖分類號：TU375.5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3198（2007）09-0278-02

1 引言

橋梁建成后，在使用過程中經常有事故發生，給國家造成巨大的經濟損失，這引起國內外對橋梁安全性評估的重視。該領域的科學工作者在橋梁的安全性評估方面作了大量的工作，并取得了一系列研究成果。近年來，地理信息系統(GIS)技術飛速發展，該系統的空間數據建模取得了巨大的進展，隨著研究的進一步深入，針對不同的應用領域已經有多種不同形式的數據模型提出。文獻［1］提出基于GIS的滑坡可視化的研究方法，文獻［2、3、4］分別提出基于GIS的城市、鐵路、立交橋可視化的研究方法。地理信息系統技術的發展也為橋梁評估研究提供了一個新的途徑，這也為橋梁評估可視化提供了一個強有力的基本工具。

2 基于GIS的橋梁評估系統

恩施南泥渡公路大橋位于湖北省恩施市南泥渡，是滬蓉國道主干線宜昌到利川段上一座獨立特大橋。跨徑布置為：2×20+0.08+240+0.08+2×20，全橋長334.16m。主橋上部為上承式鋼管混凝土桁構式肋拱，凈跨徑220米，凈矢高44米，凈矢跨比1/5，拱軸系數m=1.756。拱肋為變高等寬的鋼管混凝土桁構。橋面結構采用T形梁，引橋及拱上建筑采用20米跨度混凝土簡支T型梁，引橋墩為雙柱式橋墩，兩岸交界墩均置于拱座上，橋臺采用重力式U形橋臺。

基于GIS的橋梁評估系統直接地展現橋梁評估的信息，這里以這座橋為例，運用Visual Basic程序設計語言開發了橋梁的安全性評價系統，本系統包括了權重輸入、綜合評價、橋梁可視化模型展示，從而實現橋梁安全性評價管理的可視化。

2.1 系統的設計原則

（1）科學性。該系統根據GIS軟件的優點進行分工，在數據庫設計、系統功能設計方面實現科學清晰的數據結構與組織，力求系統的科學性。

（2）實用性。數據庫的建立和系統的開發應滿足評估管理部門對信息查詢、信息統計或決策分析的要求，同時系統結構應簡潔，方便、靈活，用戶界面友好，以便于系統操作人員的管理和使用。

（3）統一性與規范性。系統設計應遵循統一、規范的信息編碼和坐標系統、規范的數據精度與符號系統等。在此原則下，本系統建立包括工程項目各種屬性、圖形、圖像等數據在內的標準數據庫。

2.2 系統的建立及設計

系統分為數據庫管理模塊、可視化與分析模塊和橋梁安全性評估模塊3個功能模塊，每個子系統由數個模塊組成。系統建立的框架如圖1所示。數據庫管理模塊包括對橋梁評估的數據進行讀寫操作，以及刪除，可以對以前的數據時進行各種操作。可視化與分析模塊主要是制作和顯示橋梁圖形。包括屏幕制圖、智能捕捉與編輯修改、圖形符號生成與管理、分析功能、圖形保存輸出與打印。還包括圖形縮放、漫游，對橋梁圖形進行無級縮放及漫游顯示等功能以及對空間數據庫(圖形數據)和屬性數據庫進行管理。通過該模塊用戶可以查詢橋梁的空間實體的屬性信息，也可以對橋梁模型本身進行數據維護。

橋梁安全性評估主要包括對橋梁輸入的原始參數進行評估，將橋梁的原始圖形進行分析，橋梁評估數據的存儲、管理、分析及圖表的打印。橋梁的評估模型又分為權重輸入子模塊和損傷度輸入子模塊、以及評估結果輸出子模塊。①權重讀入模塊：主要功能是通過計算機編程來讀入橋梁部件屬性中的橋梁評價權重指標，它包括權重讀入、權重顯示、錯誤提示。②損傷讀入模塊：主要功能是讀入橋梁部件屬性中的橋梁評價損傷指標。③橋梁評估及結果寫入模塊：當讀入橋梁的的權重和損傷度以后，系統自動進行評價，得出橋梁的安全性指標，該模塊的功能還包括將橋梁各部件的損傷評價的結果橋梁空間模型的橋梁部件屬性中。

2.3 橋梁評估模型的建立

影響橋梁安全性評估的因素很多，對其安全性進行評估是個比較復雜的過程。要對其進行安全性的評估，首先要分析其各種影響因素。影響橋梁安全性評估的因素包括各種內部因素及外部因素，這些因素之間又互相影響，互相作用，十分復雜。

為了保證評價過程的可行性和合理性，評價指標的選擇應滿足以下條件：(1)指標的選擇應結合橋梁結構的實際情況，突出主要方面，使建立的評價指標體系既能反映橋梁結構損傷的絕大部分信息，又能盡量避免和排除那些對評估結果無影響和影響甚小的指標，以達到簡化分析的目的；(2)各個指標之間應盡可能相互獨立，能從不同方面反映橋梁結構的性能特征，盡量避免由于指標間的相交或重復而帶來的分析不便和分析誤差；(3)各指標值的確定要簡單易行，其值可以通過對實測資料的分析、建立數學模型或由專家評議等途徑來得到；(4)各指標對橋梁結構性能的總體影響程度應具有可比性，并能通過一定的運算規則進行指標的合成。

在我國的《公路橋涵養護規范》規范中規定：全橋總體技術狀況等級評定，宜采用考慮橋

梁各部件權重的綜合評定方法。亦可按重要部件最差的缺損狀況評定，或對照橋梁技術狀況評定標準進行評定。橋梁各部件技術狀況的評定方法如下：①根據缺損程度(大小、多少或輕重)缺損對結構的使用功能影響程度(無、小、大) 和缺損發展變化狀況(趨向穩定、發展緩慢、發展較快)等三個方面，以累加評分方法對各部件缺損狀況作出等級評定。②重要部件(如墩臺與基礎上部承重構件，支座)以其中缺損最嚴重的構件評分，其他部件根據多數構件缺損狀況評分。

根據上述的一級子系統、二級子系統和評價指標，可建立混凝土橋梁損傷評估層次結構模型。為了使橋梁評估的結果盡可能詳細，反映橋梁的真實情況，系統結合《公路養護技術規范》和層次分析法的思想把橋梁的評價指標細分為三層，每個評價指標根據情況的不同又分為若干個子指標。根據所建立的指標層次關系，可以對全橋進行綜合評定，綜合評定采用下列計算式：

式中：Ri─按表中方法對各部件確定的評定標度值為0“表示完好狀態，或表示沒有設置的構造部件

”5“表示危險狀態，或表示原未設置，而調查表明需要補設的部件

Wi─各部件權重，∑Wi=100

Dr─全橋結構技術狀況評分（0-100）；評分高表示結構狀況好，缺損少，Dr≥88一類，88>Dr≥60二類，60>Dr≥40三類，40>Dr四類五類。Dr≥60的橋梁，并不排除其中有評定標度Di≥3的部件，仍有維修的需要。橋梁技術狀況評定等級分一類、二類、三類、四類、五類。

2.4 橋梁可視化模型的建立

采集橋梁的尺寸，作為橋梁幾何建模的標準。根據橋梁結構形式的不同以及評估的層次的要求不同把橋梁劃分為相對獨立的部件。在GIS軟件進行建模，對特殊形狀的物體進行建模比較困難，需要通過其它的方法來實現。對規則的物體，用AUTOCAD建模非常方便。橋梁的基本部件都是些規則的物體，可在AUTOCAD中通過“交”、“差”、“并”等幾何體運算［5］，以實際橋梁的尺寸為標準，成比例建立橋梁的各個部件的模型。按照各部件間的結構層次關系，將各部件連接組合起來就得到了整個橋梁的空間模型。每一個部件都有自己的身份標識，當需要修改橋梁模型時只需修改相應部件模型的參數，即可完成模型的修改。

建立橋梁多級比例尺模型，根據橋的不同比例尺，建立不同層次的橋梁模型。利用多級比例尺可以快速調度數據，隨著比例尺的不斷增大，模型的分辨率逐級提高，橋梁模型的部件也越來越精確。在多層次橋梁模型中，根據顯示范圍的大小可以靈活方便地自動調入不同層次的數據，這樣，既可以一覽橋梁全貌，也可以看到局部構件的微小細節。

2.5 查詢功能的實現

作為圖形用戶界面環境下的應用系統，GIS系統提供一種可視化的查詢手段，依托橋梁空間模型完成對圖上空間目標“所見即所得”的查詢。在GIS中每一個橋梁部件單元都對應著數據庫中的數據，有其特定的ID號，將空間數據和屬性數據形成關聯，實現數據與地圖圖元的對應關系，關聯將兩種數據模型連成一體，可以方便地從空間數據檢索屬性數據或從屬性數據檢索空間數據。在地圖數字化過程中建立每個圖元的標示碼，然后建立內部的屬性數據表，最后通過標示碼字段，在系統應用程序開發過程中利用數據綁定將屬性數據與空間數據進行聯接，這樣完成了空間數據庫與屬性數據庫的關聯。

單元的屬性和查詢包括圖查文和文查圖雙向的查詢。圖查文，是指根據設施的位置來查詢橋梁部件或全橋的權重、評估結果、及其它屬性信息；文查圖，就是通過對屬性信息進行條件查詢，獲得符合條件的橋梁部件的基本情況，比如查詢橋梁中符合安全評估結果為差的橋梁部件名稱及橋梁部件形狀及在橋梁三維模型中的分布。查詢的方式比較多，如直接查詢，模糊查詢、多條件組合查詢等。查詢的方式有以下三種通用查詢方法。①點擊查詢：用鼠標單擊橋梁空間模型，顯示其基本信息，并以屬性列表的形式顯示出來。②屬性查詢：給出一定的屬性條件，高亮度顯示查詢結果，并彈出查詢到的圖形元素的基本屬性列表。如圖3所示查詢主拱圈的屬性。③空間查詢：空間查詢用以根據地物的空間特性和拓撲關系進行實體查詢。

參考文獻

［1］申杰，劉浩吾，鄭小玉. 一種新的滑坡可視化方法［J］. 巖石力學與工程學報，2002，(9):1364-1367.

［2］祝國瑞，高山. 虛擬城市的3維建模［J］. 測繪通報，2004，(6):46-49.

［3］蔣紅斐，詹振炎.鐵路線路可視化設計實現方法研究［J］.中國鐵道科學，2002，(6)：72-76.

［4］邵振峰，李德仁，程起敏等.立交橋建模的集成方法研究［J］.測繪信息與工程，2003，(8):1-3.

［5］鐘登華，宋洋. 大型水利工程可視化仿真方法研究［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2004，(1):121-128.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”