基于GIS的公路筑路材料管理系統研究

王 涌

(廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著國家經濟的高速發展，公路修建技術突飛猛進，新修建的里程數逐年遞增。隨著公路技術的日益精進，材料的路用性能和科學系統化的道路養護管理成為當前的研究熱點。利用傳統筑路材料進行勘查設計的方法浪費精力與財力，已遠遠達不到各方面的要求。

很多不必要且復雜的重復性工作在道路設計過程中時有發生，根本原因是由于缺乏可用的數據庫。所以在物力、人力與財力方面造成了不必要的浪費。針對此類問題，我們以公路材料地理信息系統為解決手段，在此手段上通過OLE對MapInfo二次開發利用，建立GIS管理系統，可對筑路材料信息實時查詢，也可方便管理。

1 GIS總體設計

1.1 筑路材料的信息及指標

我國現有的筑路資源信息多來自一線的建設、設計、施工、監理與養護單位的資料檔案以及領域內一些科研人員整理的相關數據與研究。系統在考慮公路網的分布、職能和規劃的原則的基礎之上，以各地區的自然地理氣候環境特征為導向，對信息進行系統的整理統計與描述。筑路材料描述指標應具有科學實用性和代表性，達到準確、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度這兩個描述指標；在公路工程設計中常用于表征土基強度的指標為土基的回彈模量與加州承載比(CBR)。

1.2 系統設計

現今在系統設計過程中選擇Access數據庫和MapInfo地理信息系統平臺，并且使用VB++開發工具語言對其進行開發實現，并呈現出此數據庫，系統數據庫的設計與可視化信息管理系統的高等級公路網有著緊密聯系。其系統的總體設計框架如圖1所示。

圖1 系統總體設計框架圖

2 數據結構設計

2.1 筑路材料GIS數據類型

數據模按照其結構可分為柵格和矢量兩種，詳細闡述如下：

(1)柵格數據是將工作范圍內的元素按照一定的規則或者規律分解在表格當中，從而形成的一種平面表象。柵格數據是由許多個網格組合而成，在柵格數據中的每個網格被稱為一個像元，表示不同的意義。不同的數據結構對應不同的優勢，因此也應用在不同的行業領域內。例如由行列像元組成矩陣的柵格，每個像元都具有一定數值，其代表著不同的地理現象。

(2)常用矢量數據展現出圖形元素之間、幾何數據之間及它們與屬性數據的邏輯關系，矢量數據結構又包括點與線實體及多邊形數據3種類型。

點實體是由單個的(x，y)坐標定位出的某個點，而這個點在現實中代表著一切地理坐標或制圖實體，例如在筑路領域內經常采用點實體代替料場和交叉口。

線實體是由直線元素組成的實體，代表著現實中的一切實體。通常每個線性要素(不同的坐標對的組合而成)也稱為鏈。線與鏈之間構成了道路網的主要脈絡，在分析過程中扮演著著至關重要的角色。多邊形數據克服了點實體與線實體的局限性，可以更加完美地描述空間地理信息，從而使數據的精確性顯著提升。在區域實體中，業界人士經常用多邊形表示實物的名稱屬性和分類屬性。

2.2 GIS數據庫的創建

管理系統必須包含兩種數據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據。

根據筑路材料數據庫所包含的元素以及功能不同可分為以下三大部分：

(1)地理基礎數據庫可解決地形圖比例尺選擇、坐標系選擇、投影方式的選擇、數據傳輸選擇及地形要素的選擇等多個方面的問題。

(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，在沿線地區系統收集并存儲筑路材料資源，再進行細化，為今后的使用打下良好的基礎。

(3)方便施工時可以精準地選擇料場，系統特意創建了道路空間數據庫。

地理信息系統數據主分為空間數據庫與圖形庫兩大模塊，空間數據如表1所示。

3 GIS功能的實現手段與應用

3.1 系統功能的實現與應用

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出來；操作人員可以使用鼠標對圖形進行放大、縮小及旋轉，進行仔細審查；圖形實時查詢功能可以讓操作人員隨時隨地獲得圖形與屬性數據；操作人員也可使用圖形編輯功能對地圖上的圖形實體內容進行編輯修改，從而改成滿足各個方面的要求與格式。

3.2 模塊功能

GIS是一種組合式的模塊化設計，其主要組成板塊為主界面設計、地圖編輯、屬性查詢等組成。系統主窗體上采用MapInfo菜單命令，同時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，此功能是對料場內材料數據進行合理的管理；分析板塊包括“GPS數據”和“最短路徑”兩個一級菜單。

4 解決GIS關鍵技術

4.1 定位參照系

筑路材料的分布與路線有著密切的關系，所以系統選用線性定位參照系統——里程樁定位出參照系統，從而反映平面坐標系統與里程樁線性參照系統的關聯性。

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

(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與導向點的具體位置與樁號，標出上面所擬定路線的計算機編碼。在具體設計過程當中，首先要以路線的起、終點為導向，在室內地形圖上繪制出該條道路可能走向中對應的弧段，然后運用GIS軟件的命令或程序將以上弧段組成一條新的路線，也就初步確定了該條路線的方向，也可根據設計施工的需要，對該路線設置一定的屬性值。

(2)設置路線的里程樁。對于在公路設計過程中經常采用的里程樁號同實際距離長度有很大的差別，這主要是因為在公路上經常出現斷鏈現象，所以在設計過程中不得不單獨對路線的起、終點樁號重新設置，最后選擇內插的方法，再把所有的線段組合在一起，所以與實際有所差別。由此，在建立一個新的系統時，關鍵的一點就是要在線路中設立一些與實際樁號數值一致的控制點，從而可以減小誤差。例如可以在某橋梁、隧道或者河流上設置一些控制點，在地形圖上確定該點的實際樁號，最終輸入到GIS系統中的路段上，從而可以極大程度上提高橋梁、隧道或者河流兩側的信息的精度。

4.2 GIS系統的動態分段技術

為了可以更完美地實現系統雙向動態可視化，實時查析圖形和屬性數據，GIS采用動態分段的形式。

動態分段是GIS特有功能技術——動態分析道路線性特征的屬性并加以顯示的技術。GIS系統利用VB++和MapX動態圖層模式進行構建，系統生成了高效的算法和一系列實時更新的底層函數，從而使系統具有動態分段功能。其具體操作流程見下頁圖2。

圖2 動態分段功能實現示意圖

4.3 最短路徑

最短路徑主要是用來提高設計人員選線的工作效率與質量，第一步，將路線分段；第二步，將各段中點設為節點；第三步，利用系統內置的筑路材料拓撲網絡，對節點進行設置，使之達到最短路徑分析，以便找出經濟與高效的最佳供料點位置。

在道路選線中建立拓撲關系算法的一些關鍵步驟是：(1)將可能利用到的數據事先處理；(2)將點和弧關聯起來；(3)多邊形的生成，并使之與弧段相互聯系；(4)將系統內的多邊形建立新的關系；(5)仔細檢查調整后生成即可。

Dijkstra算法的主要流程：(1)通過對數據庫中道路網絡數據、網絡的結點和邊的讀取，分別獲得計算機內部對應的數據；(2)仔細觀察，找出在這個道路網絡中的最高鄰接結點數是哪一個；(3)通過節點之間的相互連接，實現構造鄰接結點矩陣與初始判斷矩陣；(4)在道路網絡中，利用以上矩陣可求出任意兩點間的最短路徑。

為了更好、更高效地為設計人員服務，本系統采用快捷高效的VB語言制作界面和OLE自動啟動MapInfo工具、軟件和服務器，可減少編程與調試的繁瑣過程。為了可直接利用Word、Excel等多種格式的數據，系統采用Access數據庫統一管理即可。

5 結語

(1)本文重點介紹了如何建立材料數據庫、道路網的矢量地圖表達方式、構建網絡拓撲結構以及如何建立屬性數據模型。

(2)該軟件系統提供了一種更加接近實際的系統結構設計和開發方式，解決了數據庫的統一存儲管理和最短路徑這一系列技術問題。

(3)人性化的系統操作界面設計，可通過自動或手動的方式對其進行修改，提高設計精確度與設計效率。