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(jì)

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(duì)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(shí)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(dòng)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(jià)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和車流密度等具有統(tǒng)計(jì)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(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合更好地提供對(duì)目標(biāo)物的認(rèn)識(shí)。

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(jì)、地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境研究涉及的諸多方面知識(shí)統(tǒng)一起來，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如將數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法與經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)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(jì)[2]。

(1)GIS用于高速公路選線設(shè)計(jì)。GIS具有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jì)等方面也會(huì)更加方便。

(2) GIS用于高速公路環(huán)境影響評(píng)價(jià)。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(píng)價(jià)。

(3)GIS 用于高速公路環(huán)境監(jiān)測。通過GIS實(shí)時(shí)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(jì)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(xiàng)目的工程管理。利用GIS能分別存儲(chǔ)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(shí)體直觀地反映工程信息，有效加強(qiáng)對(duì)大型基礎(chǔ)建設(shè)的全方位管理。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(duì)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(gè)功能模塊：系統(tǒng)設(shè)置模塊、地理信息維護(hù)模塊、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系模塊、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模塊、決策支持子系統(tǒng)、GIS評(píng)價(jià)模塊、統(tǒng)計(jì)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(jì)

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(píng)價(jià)時(shí)間管理、評(píng)價(jià)等級(jí)、通知管理。路段管理功能中能建立邊坡與公路的對(duì)應(yīng)關(guān)系；評(píng)價(jià)時(shí)間管理功能中為每次評(píng)價(jià)提供時(shí)間周期設(shè)置信息；評(píng)價(jià)等級(jí)功能中為最后評(píng)價(jià)等級(jí)提供評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系模塊

主要功能是對(duì)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(jì)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(jì)提供基礎(chǔ)。

2.2.4 邊坡施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模塊

主要功能是得出指標(biāo)評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)和綜合評(píng)價(jià)邊坡施工的風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)等級(jí)提出相應(yīng)的處置對(duì)策，同時(shí)也提供評(píng)價(jià)結(jié)果查詢和統(tǒng)計(jì)分析等功能。

2.2.6 GIS評(píng)價(jià)模塊及統(tǒng)計(jì)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(píng)價(jià)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(jì)

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)包括：需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫實(shí)施等多個(gè)階段。概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)是指將概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)

被評(píng)價(jià)合同段與指標(biāo)體系信息具有多對(duì)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(jì)

邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指將實(shí)體、實(shí)體的屬性和實(shí)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(jì)階段設(shè)計(jì)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(píng)價(jià)結(jié)果信息詳細(xì)內(nèi)容見表3。

表3 評(píng)價(jià)結(jié)果信息表

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)

以微軟的Visual Studio.NET 2005作為開發(fā)平臺(tái)，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(tái)。

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(shí)支持C++、VB等多種開發(fā)語言。ASP.Net在撰寫代碼時(shí)能將頁面邏輯和業(yè)務(wù)邏輯分開，更容易實(shí)現(xiàn)一些高難度的控制。此外，ASP.Net還提供完備的身份驗(yàn)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(jí)的數(shù)據(jù)管理功能和安全可靠的存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)

3.2.1 數(shù)據(jù)庫操作類功能的實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)方法。

(1)密碼轉(zhuǎn)換。根據(jù)密碼對(duì)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(duì)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(duì)象中，最后取得返回的DataSet對(duì)象后循環(huán)讀取記錄,并存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)日期的選擇輸入。

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

3.2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)管理

通過.NET中的TreeView控件實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的添加、修改、刪除等操作評(píng)價(jià)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(jì)算

指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算主要是根據(jù)不同專家對(duì)指標(biāo)重要性不同結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)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(duì)計(jì)算結(jié)果取平均值，得到指標(biāo)權(quán)重。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)各級(jí)指標(biāo)數(shù)量的不同，動(dòng)態(tài)地形成滿足數(shù)量的行列數(shù)。

3.2.5 綜合評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)被錄入后，用戶可以通過綜合評(píng)價(jià)模塊查看評(píng)價(jià)結(jié)果，如圖5所示。

圖5 邊坡施工滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主界面

點(diǎn)擊“危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)隸屬度計(jì)算”，彈出新窗口，如圖6所示。點(diǎn)擊窗口右下方的“隸屬度計(jì)算”，計(jì)算被選中指標(biāo)的隸屬度。

圖6 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)隸屬度計(jì)算界面

點(diǎn)擊下一步，進(jìn)入“權(quán)重計(jì)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(jì)算。分別在“權(quán)重計(jì)算”窗口中，在評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣中輸入專家打分，要求矩陣的對(duì)角位置的數(shù)值互為倒數(shù)，且矩陣中每項(xiàng)值都不大于9。

圖7 權(quán)重計(jì)算界面

關(guān)閉“權(quán)重計(jì)算”窗口，點(diǎn)擊“邊坡施工滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)”中的按鈕“滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)”，彈出“危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)”窗口，如圖8所示。按“一級(jí)綜合評(píng)級(jí)”“二級(jí)綜合評(píng)價(jià)”“綜合評(píng)價(jià)結(jié)論”順序進(jìn)行計(jì)算。分別點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)窗口下方的“計(jì)算”，即可進(jìn)行施工期滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

圖8 滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)界面

關(guān)閉“危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)”窗口，點(diǎn)擊邊坡施工滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(duì)應(yīng)輸入實(shí)際值，可以計(jì)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(xiǎn)評(píng)價(jià)”中的按鈕“潛在受災(zāi)體價(jià)值統(tǒng)計(jì)”，彈出新窗口，根據(jù)窗口中的文字提示輸入對(duì)應(yīng)實(shí)際數(shù)據(jù)，按照“建筑財(cái)產(chǎn)類”“耕地、資源類”“線狀工程設(shè)施”“潛在受災(zāi)體總價(jià)值”順序進(jìn)行計(jì)算，得到潛在受災(zāi)體總價(jià)值。

圖9 潛在受災(zāi)體價(jià)值統(tǒng)計(jì)界面

4 結(jié) 論

通過對(duì)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(jì)實(shí)現(xiàn)了高速公路施工期邊坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，為工程管理人員對(duì)邊坡風(fēng)險(xiǎn)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。