公路施工期環境管理信息系統設計與實現

錢玉寶 （安徽省路港工程有限責任公司，安徽 合肥 230022）

0 前言

管理信息化是實現高效管理、標準化管理的重要基礎和有效方法，目前在公路工程質量管理等方面有建立信息管理平臺的相關報道，但在整合利用當前信息手段的基礎上建立復合型、綜合性高速公路施工期環境保護管理系統的研究尚未見報道。當前在工程環境管理工作中，相關環境保護工作的信息化管理還處于人工處理和計算機輔助管理相結合的階段，一般利用計算機進行文字處理，或者依托工程管理信息系統來匯總工程監理（含環境監理）有關工作，信息化管理水平總體不高。由于公路施工期環境管理存在抽象、半定量等自身的特點，公路建設環境保護管理存在點多、線長、面廣、因素復雜等困難，工程環境管理人員常常不能全面、及時、準確做出正確的開展決策和管理[1]。

因此，有必要依托當前迅速崛起的移動終端、PC終端和展示終端相結合的信息化管理網絡體系，開展公路建設項目施工期環境管理信息平臺和決策支持系統(DecisionSupportSystem，簡稱DSS)的研究、設計與開發，在高速公路施工期環境保護管理工作中實現“互聯網+環境保護管理”，切實提高建設單位、監理單位的環境保護管理能力，豐富環境保護管理手段。

1 概述及需求分析

1.1 概述

高速公路施工環境保護管理是典型的線性工程施工管理，常常存在施工點位比較分散、施工環節交錯進行、施工人員流動性高等特點，因此對此類工程進行施工期全過程、全路線段的總體統一管理就比較困難，因此需要加強施工過程管理的信息化、靈活性和可視化工作，實現高效性管理、標準化管理，需要構建可視化程度高、實用性強、功能完善的施工期環境管理信息系統，針對項目建設單位、施工單位、監理單位、監測單位等不同單位在項目施工中的管理職責和管理權限，設定信息平臺使用功能[2-3]。

采用現代3S技術和IT、數據庫技術相結合，對信息平臺中的屬性數據、專題數據、空間數據、多媒體數據進行分類采集、存儲管理、查詢統計處理分析和可視化輸出表達，探索各類屬性、空間、多媒體數據儲存模型與存儲規范標準，實現海量多源數據的高效采集、管理、查詢、分析、可視化表達、三維動態仿真、評估與共享，同時構建主要包括移動終端、PC終端和展示終端3個展示形式下的信息網絡構架體系，為高速公路施工期環境管理移動化辦公、PC端處理和大平臺展示提供技術支撐[4-6]。

圖1 “三端”融合的信息平臺構建示意圖

1.2 需求分析

1.2.1 用戶需求

施工期全過程環境管理信息系統主要面對建設單位以及相關用戶。根據用戶類型、應用需求的不同，可將目標用戶分為建設單位、施工單位、監理單位、監測單位、咨詢單位、沿線公眾等6個用戶群，并據此完成相應的功能和數據的需求分析與設計。

建設單位主要是指施工期全過程環境管理的主管單位，對環境管理信息化平臺系統有較高使用和操作權限，該系統為其提供總體和全局性狀態和參數信息，實現對整體信息的管理和處理功能。而施工單位、監理單位、監測單位是環境管理信息化平臺系統的使用主體，通過該系統上報施工現狀、環境監理報告和通知、施工期環境監測數據信息等，相關信息的有機整合能夠為建設單位提供高速公路施工期施工現場環境保護管理的第一手基礎數據。對于公路沿線的公眾而言，該系統僅提供一般的環境保護現狀和環境影響情況等相關工程信息瀏覽和意見反饋功能。

圖2 信息平臺用戶需求分析示意圖

1.2.2 功能需求

高速公路施工期全過程環境管理信息化平臺主要包括基礎數據采集、施工環境保護工作信息管理、公路沿線生態環境影響和施工環節專題分析等功能，既能滿足建設單位和相關單位的日常辦公需求，又能實現對施工期公路沿線環境影響及其動態變化的信息化管理。

圖3 信息平臺功能需求分析示意圖

系統需要為不同的目標用戶群提供相應的應用功能：為管理層提供較高的瀏覽、查詢、統計、分析、報表、制圖和顯示等“一站式”應用功能，且能使其一鍵操作就能快速返回結果；為施工單位、監理單位、監測單位提供數據采集、上報、顯示輸出等功能；為公眾提供基本的業務瀏覽、信息反饋功能。

1.2.3 數據需求

高速公路施工期全過程環境管理信息化平臺系統涉及到地形數據、遙感數據、施工信息數據、交通設施等空間分布數據、用戶數據、三維模型數據、多媒體數據、生態環境要素數據等，數據類型多樣，具有多源、海量、異質和分布式等特點。根據數據的來源和特點，可將該系統所需要的數據分為以下7個類型：

①空間數據，主要為與各地理試題空間分布和位置有關的數據，包括行政區、植被類型、施工位點、水系等；

②屬性數據，用以描述事物或現象的特性，包括名稱、類別、等級、時間、數量、體積等；

③專題數據，主要指施工單位的施工有關數據，監測單位的現場環境監測數據，以及監理單位的現場監理情況數據等；

④三維模型數據，主要是邊坡開挖和防護等三維建模所需的模型與數據，包括點數據、線數據、面數據和體數據以及紋理等；

⑤關系數據，用來描述地理實體之間空間關系的數據，包括拓撲關系、方位關系和距離關系等；

⑥影像數據，主要指該系統所需的遙感影像和三維實體影像等數據；

⑦多媒體數據，主要是該系統所需的文本、音頻、視頻、圖形和圖像等數據。

2 系統總體設計

在現有的公路建設項目管理信息系統技術基礎上，提出了高速公路施工期全過程環境管理信息化平臺總體架構，其框架架構如圖4所示。

建立的施工期環境管理信息系統主要由3個用戶群體構成：建設單位作為管理用戶，施工單位、監理單位和監測單位作為目標用戶，公眾作為監督用戶。

圖4 信息平臺總體架構設計示意圖

2.1 管理用戶

建設單位作為管理系統的最高權限者，能夠對提交到該系統的所有信息進行查閱，包括施工單位提供的施工現場情況、監理單位提供的監理月報、監測單位提供的監測數據、公眾對于項目施工的意見等施工現狀的全方面的信息。

同時，針對監理單位、監測單位上報的施工單位在施工期間出現的環境問題勒令施工單位按相關環保要求進行整改，并要求監理單位和監測單位對整改后情況進行核實，直到滿足相關標準為止。對上報環境敏感區的施工現場狀況能進行統計分析其是否超過相關標準，對于各類數據能夠輸出為Excel文檔信息用于后期分析，輸出環境管理較好或有環境問題的位點分布圖等方面的輸出要求。

對公眾的相關意見進行答復，根據對項目施工過程的全面了解對公眾的疑問及建議篩選采納，使項目能夠順利有序開展。

2.2 目標用戶

施工單位、監理單位和監測單位作為管理系統的目標用戶，負責對管理系統數據庫中基礎數據的采集。施工單位有責任定期將施工現狀及施工中采取的環境保護相關措施情況照片及相關信息上傳到環境管理信息系統中，及時的反應施工現場的環境保護共走落實情況。

監理單位需定期提交監理月報，以月報和巡查報告的形式定期督促施工單位落實公路施工期建設過程中涉及到的相關環保措施的落實情況，特備對于臨時施工用地的恢復情況，環保設施的建設情況等，將相關影像數據和監理過程數據及時提交到環境管理信息系統中。

監測單位需根據建設項目工程進度，定期開展環境影響方面的常規監測數據，并將法定的監測報告上傳到環境管理信息系統中，對其中的環境影響不達標內容進行重點突出和顯示，提示相關管理單位加強環境影響和污染問題的整改，同時配合建設單位進行環境保護措施落實后的補充監測工作。

2.3 監督用戶

公眾作為監督用戶，可以通過環境管理信息系統對項目施工中出現的環境問題進行上報，并查詢建設單位的答復意見，從而實現高速公路施工期環境保護管理工作的反饋和完善步驟，確保施工期環境環保管理工作有序開展。

3 系統平臺的開發與實現

建立完整的可視化施工期環境管理信息系統，其中主要涵蓋信息發布、圖文管理、視頻監控、環境管理等內容，通過遙感數據庫、航拍數據庫和現場調查數據的構建和實現，可以為不同用戶提供滿足各自環境保護管理工作需求的施工期環境管理供給平臺，依托該平臺以手機移動通信端、辦公端和大屏幕展示端等不同終端顯示形式，形成不同管理需求的多方位的信息通信和交流網絡，不同環境管理人員根據需要對公路施工期全過程、全方位、全要素開展環境保護管理操作，實現任何時間、任何地點都能夠對項目建設過程中的環境保護管理進展進行跟蹤和監督。在已經建立的系統數據庫基礎上，開發手機終端、辦公PC終端、大屏幕展示終端等多平臺的使用，并對不同平臺的使用權限進行明確，使施工期環境管理信息系統能夠為全過程環境管理框架體系的良好運轉提供輕松、便捷、高效的管理平臺。

基于GIS建立最廣泛應用的組件式GIS(Component GIS)開發技術，選擇SuperMap Objects6作為GIS開發組件，以高級程序設計語言Microsoft Visual Studio2008/C#為支持，實現專題應用分析模型與GIS應用的集成，建立了公路施工期環境管理地理信息系統（Highway Environmental Management GIS,HEMGIS），利用該系統可以實現高速公路路域生態環境信息獲取、調查統計、分析評價等各項環境保護管理工作，同時可以為公路施工期環境保護相關信息的可視化提供展示平臺。

利用UML統一建模語言對高速公路施工期環境保護管理信息系統進行總體設計，包括系統層次圖、行為建模、靜態建模、系統體系結構模型、接口設計等。數據庫采用SuperMap自定義的SDB引擎對屬性數據與空間數據進行統一管理。在此基礎上完成系統開發實現和功能演示。

3.1 PC端的實現

3.1.1 系統主界面

系統底層SDB數據屬于面狀數據集施工期環境保護管理工作中重點關注的區域，主要包括公路沿線的典型取土場、棄土場、拌合站、預制場、互通立交區等對周邊生態環境、社會環境、大氣環境、聲環境、水環境等影響比較嚴重和敏感的路段。

3.1.2 屬性信息查詢

①點擊菜單欄“查詢”→“圖查屬性”，雙擊地圖窗口不同要素進行屬性查詢。

②當雙擊重點實施環境管理的區域圖層時，信息系統平臺能夠及時顯示敏感目標或管理對象的屬性信息，并更新出階段性工程進展的實地照片，相關信息需要結合現場工程進度定期更新。

例如，公路高邊坡開挖路段施工中的環境保護工作，如圖6為開挖路段，從信息平臺反饋信息可以看出邊坡開挖深度達到8m～9m，施工前期開挖坡口線外的植被破壞比較嚴重，目前分級邊坡已經完成，下一步需要協調開展水土流失防治工程如截水溝、急流槽的建設，同時邊坡生態恢復工作需要盡快開展。建設單位、施工單位、監理單位和監測單位根據各自環境保護管理職責，在不同權限內提供下一步工作推進計劃，并通過施工期環境管理信息平臺發布，并根據管理權限不同在手機用戶端和PC管理端進行管理信息推送，為施工期工程項目推進和環境保護管理提供便捷。

圖5 開挖路段

圖6 取土場

3.1.3 距離、面積量算功能

在信息系統中設置了距離和面積的計算功能，主要用于遠程開展環境管理時能夠實現距離、面積的定量估算。

例如，對公路沿線的大型取土場實施情況進行遠程管理時，單擊工具欄的“距離量算”或“面積量算”圖標，在地圖窗口進行距離和面積量算，在工具欄右側顯示量算結果，如圖7所示。通過遠程的距離量算和面積量算，建設單位可以方便的獲得本項目全線典型施工點位如取土場、棄土場、預制場和拌合站、施工營地等面源環境影響區域的準確位置、擾動面積、土地的當前利用情況等環境保護管理信息，同時通過現場影像數據的實時更新，準確掌握公路全線臨時施工用地等相關場地的使用情況，為施工期環境保護過程管理和后期竣工環保驗收管理提供重要支撐。

圖7 DEM三維可視化

3.1.4 DEM三維可視化

在工程設計施工圖和遙感分析解譯圖層疊加的基礎上，結合公路施工沿線的矢量地形圖數據，構建施工期環境管理信息系統中的DEM三維可視化平臺，該平臺能夠實現對公路施工沿線重要環境敏感點、重點環境影響施工環節和施工工序的遠程三維瀏覽，用于施工中的日常巡查和對工程沿線環境情況和工程情況的總體瀏覽。

通常需要打開DEM數據，同時按照開展管理工作中需要重點關注的點位和目標，進行瀏覽路線和瀏覽高度等相關參數的設定，在設置的飛行路線與飛行高度控制下進行公路施工期全線環境管理的三維DEM瀏覽。

3.1.5 輸出地圖

施工期環境管理信息系統能夠為建設單位、監理單位等相關環境保護管理單位和管理者個人提供相應的地圖數據輸出功能，能夠根據各單位職能和管理權限，提供不同環境敏感點、不同施工環節和環保措施落實情況的現場地圖，供不同層級管理者使用。例如，建設單位領導更關心宏觀的環保措施落實情況，可以利用平臺的輸出地圖形式總體查看全線不同類型、不同環保措施落實點位情況；而對于具體某標段環境管理者，則更關心本標段內的取棄土場實施情況等信息，也可以通過平臺及時了解相關內容，相關內容可以以地圖形式輸出，供傳閱、存檔、通知等需要使用。

具體操作，單擊菜單欄“專題制圖”——＞“輸出地圖”，輸出當前地圖窗口顯示區域為BMP格式圖片。

圖9 輸出圖片

3.2 移動終端的實現

已建立的施工期環境管理信息系統能夠在PC端前和大屏幕前進行有關數據的上報、意見處理、實時監控等相關環境保護管理工作。但通常建設單位、監理單位等相關管理人員的人力資源有限，環境保護相關管理人員需要去施工現場處理各類工程和環境問題，只有部分時間能在辦公室PC端前利用信息平臺進行項目操作層面的環境管理，因此在移動終端對現場情況進行定性查閱和信息接收等顯得尤為重要。

為了保證移動終端的處理速度，對其功能實現較PC端進行了簡化，只保留基本查閱和主要環境管理通知類信息的推送功能，保證其在大多數情況下能夠滿足不同管理者對施工期環境保護管理和措施落實情況的掌握，針對出現的問題及時處理，實現多平臺的共同處理，使得施工期環境管理信息系統能夠更為有效和全方位的服務于施工期環境管理體系。該功能主要通過手機APP形式實現。

4 結語

在總結國內外研究現狀的基礎上，依托公路工程信息管理平臺總體架構，針對高速公路施工期環境保護管理特點和需求，在整合利用當前移動終端、PC終端和展示終端管理需求的基礎上，建立復合型、綜合性高速公路施工期環境保護管理系統總體架構，實現滿足不同用戶環境管理需求的移動終端、PC終端和展示終端“三端”融合的高速公路施工期全過程環境管理信息化平臺構建。

針對施工期環境管理信息系統中建設單位管理用戶，施工單位、監理單位和監測單位目標用戶，公眾監督用戶的需要，提出并構建了基于項目宏觀管理的遙感影響數據庫和針對重點對象遠程定點監控、航拍監測、現場監測相結合的環境管理數據庫系統，為信息平臺構建提供環境保護管理基礎數據。

提出采用組件式GIS開發技術，選擇SuperMap Objects6作為GIS開發組件，以高級程序設計語言Microsoft Visual Studio2008/C#為支持的高速公路環境管理地理信息系統（Highway Environmental Management GIS,HEMGIS）開發思路和方法，建立了基于地理信息系統的高速公路施工期環境保護管理的信息獲取、調查統計、分析評價等環境管理模塊化設計方案，構建了手機移動終端、PC終端和展示終端環境保護管理信息供需網絡，為高速公路施工期環境管理提供了重要方法。