基于三維GIS的道路養護系統設計與研究

摘要：針對現有道路養護系統在自動檢測和三維應用方面存在的不足，文章在研究三維GIS（地理信息系統）技術、路面檢測技術和數據管理可視化等關鍵技術的基礎上，提出一種基于三維GIS的道路養護系統設計方案，構建系統總體架構，介紹系統的功能結構、功能模塊及其實現過程，并分析系統在數據管理、自動化數據提取及處理、三維可視化建模方面的創新點。應用結果表明，該系統可提高道路養護工作的效率和精細化程度，在道路養護管理方面具有較高的可行性和一定的實用價值。

關鍵詞：三維GIS；自動檢測；道路養護；系統設計

中圖分類號：U418；U495"""" 文獻標識碼：A""""" 文章編號：1674-0688（2024）03-0093-04

0 引言

隨著交通基礎設施建設的不斷發展和完善，道路養護問題日益凸顯。道路養護是指在道路建設完成后，對道路進行定期的維護和保養，保證其安全、順暢地運行。道路養護過程中需要綜合考慮路況、交通流量、道路設計等多種因素。傳統的道路養護方法往往依賴人工巡查和簡單的測量設備，不僅效率低下，還難以獲取全面的道路信息。目前，國內外對于道路養護的研究主要集中在路面檢測、病害識別和預防性養護等方面。隨著地理信息系統（GIS）的發展，將地理信息系統強大的空間數據管理和分析能力應用于道路養護中，是提高道路養護效率和精度的有效途徑［1］。然而，道路情況復雜多變，現有的道路養護地理信息系統的功能大多還停留在二維分析階段，在道路養護過程中對空間的分析能力存在一定的局限性，已無法滿足如今的道路養護管理的需求。三維GIS技術的發展為提升道路養護工作質量提供了新的解決方案。三維GIS空間分析和可視化技術能夠更準確地收集和分析道路信息，實現對道路環境全面、立體的展示和分析。

近年來，相關學者針對將地理信息應用于道路養護方面的研究取得了一定的進展。啜二勇［2］利用BIM（建筑信息模型）和GIS技術構建帶有道路二維設計屬性的三維實景模型，為既有高速公路的養護設計和日常管理提供了一種可視化手段 。車德福等［3］針對道路設施養護系統在數據更新和養護效率方面存在問題，開發了一套基于GIS的公路養護系統，該系統提供了數據管理、檢查、維護、故障處理一體化等全流程的解決方案。朱庭波［4］介紹了公路養護管理形式和關鍵養護技術，分析養護管理中存在的問題，提出新型的公路養護策略。陳曉敏等［5］針對橋梁養護管理中存在的數據不一致的問題，提出將GIS和BIM技術應用于橋梁養護管理中，并對養護效果進行評價和分析。劉士寬等［6］分析公路養護資產精細化管理方面存在的問題，設計和開發真三維公路養護全資產綜合管理平臺，解決了養護管理中數據整合和共享不足的問題，避免重復投資。然而，現有的研究仍存在一些不足之處，如將高精度三維GIS技術應用于道路養護方面的研究相對較少、缺乏對道路狀況的全面評估、無法精確到車道級的三維可視化等。因此，本文基于三維GIS技術，構建道路養護系統總體架構，旨在整合空間數據、道路設施信息和養護管理數據，提供全面的道路養護管理和決策支持。通過該系統，用戶可以實時查看道路設施的狀態和養護需求，幫助其完善養護方案，還能提高養護工作的可視化、規范化、精準化水平。

1 關鍵技術研究

1.1 三維GIS技術

三維GIS技術是一種通過集成地理信息系統和三維可視化技術，實現對地球表面和地下空間的全方位、多角度、多尺度的空間數據分析和展示的技術，它能將地理空間數據（如地形、地貌、建筑物、道路等）以三維模型的形式呈現，使用戶更直觀、真實地掌握地球表面和地下狀況。用戶可以通過三維GIS技術進行空間分析、路徑規劃、資源管理等，幫助決策者更好地理解和解決與空間相關的問題。在道路養護系統中，三維GIS技術可用于構建道路、橋梁、隧道、邊坡的三維模型，提供全面、直觀、立體的道路環境展示和分析場景。此外，三維GIS可用于空間分析和決策，為道路養護決策提供支持。

1.2 路面檢測技術

路面檢測技術是指通過各種傳感器和圖像處理技術，對路面進行病害檢測和識別。將采集到的三維數據進行處理和分析后，提取路面的高程、坡度、曲率等信息，對路面的幾何形狀進行描述和分析。該技術還能評估路面的平整度，通過測量路面的顛簸程度、波動度等指標，為道路維護和改善方案的制訂提供科學依據。常見的路面病害包括裂縫、擁包、坑槽等，在三維道路養護系統中，路面檢測技術可以與三維GIS技術相結合，實現在三維空間中對路面病害的精確檢測和定位。

1.3 數據管理和可視化技術

數據管理和可視化技術是一種利用三維GIS技術對道路養護數據進行管理和可視化展示的技術。該技術通過集成和整合道路養護相關的數據（如路面狀況、維護記錄、養護方案等），以空間數據庫的形式進行存儲和管理。通過使用三維可視化技術，可將這些數據以三維模型的直觀方式呈現給用戶，提供更全面、真實的道路養護信息。用戶可以通過系統的界面瀏覽道路情況，查看特定路段的養護記錄、狀況評估等詳細信息，還可以實時監測道路狀況，比較不同時間段的道路數據變化情況，以便及時調整養護策略。

2 系統架構設計

基于三維GIS技術的道路養護系統的總體架構采用面向服務的多層體系結構設計，系統架構層次包括數據采集層、數據存儲層、數據處理與管理層、三維GIS引擎層、養護決策支持層及用戶界面層（見圖1）。

（1）數據采集層。該層負責獲取路面的海量三維數據，通過車載傳感器、無人機、衛星遙感等技術手段獲取道路幾何信息、路面狀況信息、交通流量數據等。數據采集層是整個系統的輸入端，其質量直接影響后續數據處理和分析質量。

（2）數據存儲層。該層用于長期存儲道路養護的相關數據，包括各類模型數據庫、文件系統等。數據存儲層需要具備高效的數據存取能力和數據安全性，確保數據的可靠性和完整性。

（3）數據處理與管理層。該層負責對采集到的數據進行處理、分析和管理，包括數據預處理、數據清洗、數據集成和數據存儲等模塊。數據預處理模塊用于對原始數據進行去噪、濾波等處理，數據清洗模塊用于清除錯誤或不完整的數據，數據集成模塊用于將多源數據整合為統一的數據模型，數據管理模塊用于統一管理道路養護數據。

（4）三維GIS引擎層。該層負責對道路養護數據進行空間建模和可視化呈現，包括三維地圖引擎、三維數據庫引擎等組件，用于生成和展示道路養護的三維地理信息。通過將道路養護數據與地理空間信息結合，可以實現對道路狀況、養護計劃等信息的可視化呈現。

（5）養護決策支持層。該層基于道路養護數據和三維地理信息的分析，提供養護決策支持，包括路況評估模塊、養護策略優化模塊、資源分配模塊等。養護決策支持層可以通過對道路狀況進行評估，優化養護策略，并合理分配養護資源，以提高道路養護效果和資源利用效率。

（6）用戶界面層。該層為用戶提供與系統交互的界面，包括圖形界面、移動應用等。用戶可以通過該層進行養護數據查詢、三維可視化展示、養護計劃管理等操作。用戶界面層的設計應考慮用戶友好性和易用性，以便用戶能輕松地操作和獲取所需的道路養護信息。

3 系統功能設計

基于三維GIS技術的道路養護系統旨在提供一個綜合、高效的道路養護管理平臺，利用三維GIS技術對道路養護進行全面管理和監控。該系統將道路數據、養護數據、環境數據等進行整合，包含三維場景展示、道路設施管理、養護數據管理、養護決策支持、統計分析與報告、路面檢測和道路環境分析模塊（見圖2）。

3.1 三維場景展示模塊

三維場景展示模塊利用三維GIS技術將道路養護的相關數據和信息在三維地理信息地圖上進行展示。通過地圖可視化，用戶可以直觀地查看道路設施的位置、形狀、尺寸等信息，掌握道路狀況和養護情況，為決策提供參考。同時，系統具備交互式操作功能，用戶可通過交互式操作調整地圖視角，例如放大或縮小地圖范圍等。

3.2 道路設施管理模塊

道路設施管理模塊提供設施檔案管理、巡檢和維修計劃管理、巡檢記錄管理、維修管理及報廢管理等功能，能夠實現對道路設施的全面管理和維護。通過該模塊，用戶可以有效地管理道路設施的基本信息，定期巡檢和維護，記錄巡檢結果和維修情況，并且對老化或損壞的設施進行報廢管理。

3.3 養護數據管理模塊

養護數據管理模塊提供了數據采集、預處理、清洗、集成和存儲等功能，能夠有效地管理和維護道路、橋梁、隧道養護的相關數據。用戶可以通過該模塊采集和錄入養護數據，預處理和清洗原始數據，整合多源數據。此外，該模塊能提供數據的長期存儲和管理功能，確保養護數據的完整性和可追溯性。

3.4 養護決策支持模塊

養護決策支持模塊基于道路養護數據和三維地理信息數據，通過道路狀況評估、養護策略優化和資源分配等功能，為養護決策提供科學依據。用戶可以利用該模塊對道路狀況進行評估，識別潛在的問題和風險，并基于評估結果制定養護策略。該模塊還能通過優化分配養護資源，提高資源利用效率和養護成本效益。養護決策支持模塊的綜合分析和決策能力，有助于優化養護規劃，提升道路養護的效果和質量，同時降低養護成本和風險。

3.5 統計分析與報告模塊

統計分析與報告模塊基于養護數據和其他相關數據，提供多種統計分析方法和算法，幫助用戶深入了解道路養護情況和存在的問題。用戶可以通過該模塊進行數據的聚合、分組、計算和可視化展示，洞察全面的養護數據。同時，該模塊支持生成定制化的報告，根據用戶需求和要求，將養護工作總結、巡檢結果、維修記錄等內容自動整合后生成報告。該模塊為用戶提供了數據驅動的決策支持和信息展示，幫助用戶快速了解道路養護情況以及發現問題，并為決策者提供決策參考，提高道路養護的效率和決策質量。

3.6 路面檢測模塊

路面檢測模塊利用先進的傳感器和檢測技術，對道路表面進行高精度的數據采集和分析，獲取路面的平整度、損壞程度及縱橫坡變化等關鍵參數。用戶可以通過該模塊快速獲得路面狀況的定量化結果，包括路面質量指標、病害類型和病害分布圖等。該模塊還提供數據的可視化展示和報告生成，幫助用戶直觀地了解路面狀況，并為養護決策提供科學依據。該模塊能夠幫助用戶及時發現路面問題，制訂有效的養護計劃，提高道路的可靠性和使用壽命，從而提升交通的安全性和出行的舒適度。

3.7 道路環境分析模塊

道路環境分析模塊通過整合多源數據，包括地理信息數據、交通流量數據、氣象數據等，對道路的環境因素進行綜合分析。用戶通過該模塊能夠了解道路周邊的土地利用情況、交通流量分布、氣候特征等信息，以及與道路養護相關的環境信息。該模塊還提供了數據可視化展示和模型分析功能，幫助用戶發現潛在的環境問題，如交通擁堵、氣候變化對道路的影響等，并為養護決策提供科學依據。

4 系統創新點

（1）在時空數據一體化管理方面，基于三維GIS技術的道路養護系統實現了道路設施的時空一體化管理。該系統通過將時間序列數據與地理空間數據相結合，分析道路設施在不同時間點的狀態和變化趨勢，為養護計劃制訂提供更全面和準確的信息。這種時空一體化管理方式提高了道路養護工作的精細化和科學化水平。

（2）在自動化數據提取與處理方面，該系統集成了數據分析、機器學習和檢測識別算法等技術，能自動提取和處理路面數據，包括道路平整度、車轍、縱橫斷面數據、填挖方量信息等，還能自動識別和分析道路設施的病害類型、程度和影響范圍，減少了人工干預和數據處理的成本，提高了病害檢測的準確性和效率。

（3）在三維可視化建模方面，該系統通過利用GIS技術將道路養護數據與三維地理信息相結合，實現道路的三維建模和可視化展示。通過將道路的幾何形狀、縱橫坡信息、地物分布等數據整合到三維地理信息系統中，幫助用戶直觀地掌握道路的養護狀況和需求，在三維模型中查看道路的平整度情況、病害位置、養護記錄等信息，有利于方便、快捷地進行養護工作的分析和決策。

5 結語

本文針對道路養護系統的設計需求，研究基于三維GIS技術的道路養護系統的功能設計方法，利用三維GIS技術對道路環境進行全面、立體的展示和分析，實現了道路養護數據的全面采集、存儲和管理、決策支持、可視化展示等功能，有助于用戶更好地了解道路狀況、設施分布及其相互關系，提高決策和管理的準確性和效率，為道路養護提供有力的支持。該系統以其創新的技術和功能，為道路養護工作提供了全面、準確、智能的解決方案，提高了養護工作的效率、質量和可持續性，在道路養護領域具有一定的實用價值。

6 參考文獻

［1］薛欣.路橋維護管理系統的設計與實現［D］.北京：北京郵電大學，2020.

［2］啜二勇.無人機攝影與BIM+GIS建模技術在既有道路養護中的應用研究［J］.交通世界，2023（28）：94-96.

［3］車德福，邱柯寒，師鵬飛，等.基于GIS的公路養護管理信息化系統的設計與實現［J］.公路，2022，67（12）：362-367.

［4］朱庭波.公路工程的養護管理及新技術運用探討［J］.交通科技與管理，2023，4（15）：171-173.

［5］陳曉敏，李煥強.基于GIS+BIM技術的營運高速公路橋梁養護管理技術研究［J］.土木建筑工程信息技術，2022，14（3）：44-49.

［6］劉士寬，劉俊杰，崔秋洋，等.真三維公路養護全資產綜合管理平臺研究［J］.地理空間信息，2019，17（1）：89-91，104.

*陜西測繪地理信息局科技創新項目“實景三維海量數據服務關鍵技術研究”（SCK2020-02）。

【作者簡介】權西瑞，男，陜西澄城人，工程師，研究方向：三維地理信息系統開發；王凱，男，湖北天門人，正高級工程師，研究方向：實景三維技術研究及應用；宋向陽，男，陜西渭南人，工程師，研究方向：三維地理信息系統開發；呂佩，男，陜西渭南人，工程師，研究方向：地理信息系統開發及應用。

【引用本文】權西瑞，王凱，宋向陽，等.基于三維GIS的道路養護系統設計與研究［J］.企業科技與發展，2024（3）：93-96.