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GIS技术在公路管理中的应用
GIS技术在公路管理
中的应用
摘要
随着社会经济的发展,公路基础设施不断健全,相比较以往公路管理日益复杂,因此传统的管理方式已经远远不能满足公路发展的需要。
建立一个方便、快捷的管理信息系统,既能形象、准确地反映实际情况,又便于查询与编辑,已成为新形势的公路管理发展趋势。
地理信息系统是处理地理数据的输入、输出、查询、分析和辅助决策的计算机系统,它在近三十年的时间内取得了惊人的发展,并广泛应用于资源调查、环境评估、交通安全、公共设施管理等领域。
本文从GIS技术目前在许多领域获得广泛应用以及其基础理论出发,阐述GIS系统在公路管理中的开发技术手段及应用功能,并指出GIS技术在公路管理的应用领域。
关键词:
1、GIS技术;2、公路管理;3、应用
目录
目录5
一、绪言6
(一)研究背景及意义6
(二)研究现状6
二、GIS技术的基础理论8
(一)GIS的研究内容8
(二)GIS的特征8
(三)GIS的功能及应用9
三、GIS系统在公路管理的开发11
(一)GIS系统开发的意义11
(二)GIS系统开发的技术手段11
(三)系统功能介绍12
四、GIS技术在公路管理中的应用14
(一)GIS在公路统计管理中的应用14
(二)GIS在基本地图管理中的应用14
(三)GIS在专题地图管理中的应用15
(四)GIS在公路设计、工程建设中的应用15
(五)GIS公路地理信息系统充分利用和社会化共享16
五、结论17
致谢18
参考文献19
一、绪言
(一)研究背景及意义
近年来,我国公路建设迅猛发展,截止2012年底高速公路通车里程达到9.62万公里,公路总里程达423.75万公里,公路网建设已基本完成,公路里程总数位居世界第二位。
然而在公路建设取得飞速发展的同时,目前我国落后的公路管理水平与日益增长的公路管理需要间的矛盾正日益加剧。
尽管我国交通行业和相关的部委、研究机构从1990年开始即开发出了多个针对公路管理的智能化管理系统,交通管理部门根据当时计算机技术条件的创建基础设施资产管理系统、高速公路收费系统、监控系统、通信系统等,这些系统也确实为有效地管理公路业务提供了必要的支持,但这辟现行的信息管理系统并不能很好地满足当今公路管理、维修、养护发展的实际需要,一些地方由于落后的公路管理已经对公路的运行效率、安全水准和服务水平带来了严重影响
随着我国国民经济的快速发展,公路里程和公路等级不断提高,这就对公路管理提出了更高要求。
但是目前公路的管理水平还相对落后,许多工作还在使用传统的手工管理,这使公路的效益未能得到充分发挥。
这就需要借助计算机技术来改进公路管理工作。
采用GIS(地理信息系统)就是改进公路管理,实现公路管理现代化、计算机化、信息化的最佳手段。
(二)研究现状
GIS系统作为各种先进技术的集成平台,已经成为城市规划、设施管理、工程建设等领域的重要工具,也是交通行业流行并具有很大发展前景的解决方案。
而信息化的空间数据研究和分析应用也都是基于GIS的数据组织和管理。
1、国外研究现状
路面管理系统(PMSPavementManagementSystem)概念最早由加拿大在上世纪60年代初提出,当时的路面管理系统是隶属于项目级的系统,实质上是一个设计系统,其目的在于对公路路面、线形以及道路容量等路网技术缺陷进行消除和改善,对原始的设计方案进行优化,其中当以加韋大安大略省的OPAC系统最具有代表性。
之后从20世纪70年代开始,美国在大规模公路网建设完成之后,面临着大量的公路需要进行养护和管理的迫切周面。
为适应这种迅速激增的公路养护管理要求,美国于开始了路面管理术的研究。
为了准确地评价公路网内的路面破损情况,把有限的养护资金合理的分配到最能有效提高路网服务能力的路段上,科研人员建立了路面破损情况的数据库,并研发了一系列的路面破损检测方法和设备,制定了评价模型和养护排序优先选用模型。
2、国内研究现状
我国在公路养护管理系统方面的研究起步较晚,直到20世纪80年代才逐渐开始探索这方面的内容,其最初的研究也是从路面管理系统开始的。
“七五”期间,在借鉴国外公路养护管理系统建立的经验基础上,由交通运输部公路科学研究所、同济大学等科研单位共同研发建立了我国的干线公路路面评价养护系统,即路面信息管理系统CPMS(ChinaPavementManagementSystem)。
这一系统的建立标志着我国在公路路面管理上实现信息化和现代化的一个新飞跃。
该系统的主要功能包括:
路面技术状况数据的自动化检测、路面技术状况评价、公路日常养护管理计划制定、公路养护需求分析、公路养护预算和预测、公路大中修养护计划制定、公路专项养护计划制定、公路养护投资效益分析、公路养护资金优化分配等,近年来,随着GIS技术的发展CPMS系统也随之发展,目前CPMS中引入了GIS模块,但该模块目前只能实现可视化的路面评价,而不能实现对公路养护需求进行动态分析。
近年来,随着高速公路的大规模的建设完工并开始投入运营阶段,公路管理部门迫切需求一个具有适合我国实际情况的高速公路管理系统,我国对高速公路管理系统的研究进入了快速发展的时期北京、上海、广东和山东等省市和地区都建立了自己的路面管理系统但是,这些路面管理系统都是相互独立的路面管理系统,而且这些系统在实际应用过程中上存在以下缺陷:
1.我国的路面管理系统还主要以借鉴国外经验为主,缺少对我国现实情况的针对性,使用当中脱离养护管理的实际需求;2.各系统间相互独立,不能满足公路养护管理部门对于资源共享的要求;3.系统的使用方法过于复杂,特别对于一线养护部门使用来讲难度较大;4.缺少对路面历史数据的积累和使用情况的跟踪研究,使理论得不到进一步的发展和完善。
二、GIS技术的基础理论
(一)GIS的研究内容
地理信息系统是在地理学研究和生产实践的需求中产生,地理信息系统的应用使技术系统不断完善,并逐渐发展了地理信息系统的理论;理论研究又指导开发新一代高效地理信息系统,并不断拓宽其应用领域,加深应用的深度;地理信息系统的应用,又对理论研究和技术方法提出了更高的要求。
这三个方面的研究内容是相互联系相互促进的。
GIS的主要研究内容:
1)输入:
大多数的地理数据是从地图输入GIS,常用的方法是数字化和扫描。
目前GIS的输入正在越来越多地借助非地图形式,遥感就是其中的一种形式,遥感数据已经成为GIS的重要数据来源。
2)存储:
GIS中的数据分为栅格数据和矢量数据两大类,如何在计算机中有效存储和管理这两类数据是GIS的基本问题。
大多数的GIS系统中采用了分层技术,即根据地图的某些特征,把它分成若干层,整张地图是所有层叠加的结果。
在与用户的交换过程中只处理涉及到的层,而不是整幅地图,因而能够对用户的要求作出快速反应。
3)地理数据的操作和分析:
GIS中对数据的操作提供了对地理数据有效管理的手段。
对图形数据(点、线、面)和属性数据的增加、删除、修改等基本操作大多可借鉴CAD和通用数据库中的成熟技术。
通过GIS提供的空间分析功能,用户可以从已知的地理数据中得出隐含的重要结论,这对于许多应用领域是至关重要的。
GIS的空间分析分为两大类:
矢量数据空间分析和栅格数据空间分析。
4)输出:
将用户查询的结果或是数据分析的结果以合适的形式输出是GIS问题求解过程的最后一道工序。
输出形式通常有两种:
在计算机屏幕上显示或通过绘图仪输出。
(二)GIS的特征
传统的数据库系统一般使用文本数据库来表示信息及其之间的关系。
最多在段落中加入一些图片来增强信息的直观性。
但是对于公路,城市道路等与地理位置密切相关的数据库来说,仅用文本形式来表达信息是不够的,不仅不足以表达具体的地理位置关系而且还可能使一些重要信息因表达不清而给使用者造成理解上的错误。
地理信息系统(GIS)为用户建立了直观、快捷的地图式数据库给决策者提供了便捷的操作工具。
它具有以下几个特点:
1)地图上有两类信息,一是描述地理特征的位置、形状及其空间关系的空间信息,二是关于地理特征的描述信息。
GIS可将两类信息连接起来并能维护和管理地图特征之间的空间联系。
2)拓扑结构。
一般的地图我们可以直接看出地理特征的空间关系在数字化地图上空间联系称为拓扑。
拓扑关系由计算机自动生成,应用拓扑关系数据存储更有效。
计算机可以更快地处理大量的数据。
3)组织地图信息。
GIS一般将地图特征逻辑地组织为数据层。
使用者可只将需要的数据层打开查看相关信息。
4)特征和属性的连接。
GIS可将特征和属性连接起来,特征与属性一一对应。
(三)GIS的功能及应用
GIS的基本功能包括:
(1)数据采集与输入功能:
数据采集是通过各种数据采集设备(全站仪、数字化仪)来获取现实世界的描述数据,并输入GIS系统。
(2)数据编辑与处理:
对采集的数据进行编辑、格式转换、拼接等一系列的处理工作。
(3)数据存储、组织与管理功能:
GIS以其特有的功能对数据进行存储、组织和管理,以保障高效的再现真实环境和进行各种分析。
(4)空间查询与空间分析功能:
进行空间查询、地形分析、土地适应性分析、网络分析、叠置分析、缓冲区分析、决策分析等。
(5)数据输出功能:
以图形、表格和统计图表的形式来显示空间数据及分析结果。
GIS技术的应用领域非常多,主要应用领域如图2-1所示:
图2-1GIS技术的主要应用领域
三、GIS系统在公路管理的开发
(一)GIS系统开发的意义
近几年来,该系统在公路建设中开始得到应用,已开发出一些比较成功的公路地理信息系统。
这些项目一般都针对公路的建设与管理特点,根据公路建设对信息处理的实际需要和公路的地方特点,综合运用了地理信息系统和现代数据库技术。
GIS的开发是公路建设与管理的基础性工作,它对于实现我国公路信息的统一管理与综合应用、推动公路行业的信息化进程具有重大作用,为公路管理、建设和评价提供了科学化的现代信息技术手段。
目前,公路交通管理数据量大,且大部分存在于工程图纸上,信息仍然以普通的数据库属性信息为主。
此外,庞大的信息量与单调的查询方式也构成了鲜明的对比。
因此,把电子地图这一重要的信息源带到交通管理上来已是势在必行。
利用GIS的产品及其信息可视化技术,能集数据管理、数据分析、图形管理、图形编辑、彩色图形输出等功能于一体,可方便、有效、快速地存储、更新、操作、统计、分析和显示所有交通网络信息,对公路交通的管理将起到非常积极的作用。
考虑到当前和未来的公路管理的需求,现有技术水平和管理水平及目前的经济状况,公路交通管理地理信息系统的目标如下:
1)能为公路的主管部门提供及时、准确、较全面的有关公路的信息;2)为交通部、省政府、交通厅和公路管理部门及相关单位提供管理和决策依据及辅助手段;3)实现数据与图形、图像的综合处理,解决沿线定位和空间定位的互换;4)对数据库中的数据进行检索和分析,进行智能决策,判断公路路况并制定养护对策;5)能以多种方式进行公路各类统计分析,输出公路各类专题图、报表等;6)具有一定的开放功能,用户可以在工作需要时,对系统进行扩充;7)提供一套较完整的系统建设与维护的技术文档资料。
(二)GIS系统开发的技术手段
1、图形集成技术
利用图形集成的方法来解决传统的GIS应用系统中图形处理和数据处理分离的问题,把GIS与其它编程开发语言的优点相互结合,提高该系统的开发能力和手段。
2、动态分段技术
所谓动态分段,就是GIS中一种对线性特征的属性动态分析显示的技术,即某一线性特征的属性在用GIS进行分析显示时,其图形分布空间地理位置通过计算其属性的数据而来。
例如,一条路段的路线概况图形可根据计算其起止点里程桩而生成,不需要在图上数字化。
动态分段对GIS在公路交通的应用极为关键,可以说,没有动态分段就没有真正实用价值的公路数据库。
利用该系统软件所提供的开发工具,并根据公路线性空间的特点,有效地实现公路线性动态分段的技术,使得在公路数据库中可进行多个属性集的动态查询显示,大大地减少了数据冗余和重复的手工数字化工作。
3、空间数据的存贮与采集
把公路数据库的空间数据划分为公路、桥梁、隧道、立交、行政区划、河流、乡镇、村庄等点、线、而特征层,利用系统的专题图层来进行有效的存贮管理。
对空间数据的采集提供3种方式输入数据:
1)数字化仪;2)屏幕矢量化;3)扫描矢量化。
在矢量化的过程中,同时输入图形对象的基本属性,与后台的数据库建立一一对应关系。
4、图形与数据查询
公路数据库可以存储大量的道路基础资料,管理人员可以通过这个系统在计算机屏幕上显示出整个公路的地理位置、路而状况等,可在屏幕上随机点取某个路段或构造物,要求计算机显小出相关的资料(包括数据、图形、照片、录像等),也可以输入一些技术指标,要求计算机显示相关的路段和构造物。
数据查询包括基本数据查询、公路路线数据查询和分类计算查询;图形查询包括公路概况查询、公路养护情况查询、隧道查询、桥梁查询、立体交叉工程查询、交通量查询、交通事故查询等内容。
(三)系统功能介绍
利用GIS可实现公路交通的图形、属性库的有效管理,方便而灵活的数据查询、统计、分析,多样的数据表现等。
1、分层管理功能
GIS对基础地理信息和专业地理信息进行分层管理和维护,目_用不同的符号分层显小,系统分层设置如下:
公路线形及布局、公路路而状况、道路相关标志标线、路曰及路段交通设施、路名标注、建筑物及其标注、公安机关(市局、分局、派出所等)、交管局及其职能部门、停车场、警力分布、路曰监控点、可变信息板、宾馆饭店、大型体育和娱乐场所、其它标注等。
2、对图形数据和属性数据的编辑和修改
系统提供相应工具对图形、属性数据进行编辑和修改,可以非常灵活地对它们进行增、删、改等操作,并同时改变与后台数据库的对应关系。
还可以将改变后的地图放回到大型数据库中去,以实现真正的数据共享。
3、道路管理和查询
系统提供查询工具以方便地对各个路段进行信息查询。
可查询所有基础地理特征和专业地理特征的属性信息,可按用户所确定的条件表达式来检索出满足条件的图形和属性,目_使图形与属性保持一致。
可按用户所确定的道路(或街道)名称、等级、公交站点名称、公安局(派出所)名称、交警队名称、停车站(场)名称、可变信息板名称进行定位。
即可以将用户指定的地理特征以显著色显小在屏幕上。
4、数据的统计和分析
系统有多种数据表达方式,数据表的浏览方式、图形表现方式和统计图的方式。
系统还提供范围图、直方图、饼图、等级符号图、点密度图、独立值图和格网图等7种专题图,形象直观地对用户数据库中所选择的字段进行分析。
5、交通查询
利用现有图形上的交通线路结点信息,任意输入2点的地址,便可查询出2点之间所经过的交通线路、公里数、各站站名及名称;当改变线路时,可在图上实时进行修改,并输入新的站名,这些信息也可上载到中央数据库中。
6、图形输出
系统可输出整个和区域的省市地图、交通线路图;各路段状况图等。
可输出各单位属性的报表;打印条件查询结果。
还可以将地图与各种专题图、统计图表、浏览表、图例、查询信息等组织在一起打印。
7、决策支持
通过各种内部数据的分析和处理,进行计算机智能决策,为公路管理部门提供强有力的决策支持。
8、其它功能
系统包括图形缩放、漫游功能,可对所有基础地理信息和专业地理信息进行无级缩放及漫游显示。
数据维护功能,可对本系统的各类基础地理信息和专业地理信息进行编辑、更新、备份、恢复等。
四、GIS技术在公路管理中的应用
(一)GIS在公路统计管理中的应用
在传统的信息系统中,数据主要保存在数据库中,如果数据库中的数据仅以文字的形式表现出来,不仅形式呆板,而且可能将一些重要的信息隐藏在文字背后,在实际公路管理中,有许多问题需要借助地图来解决,如何解答这个问题呢?
最原始的解决方案是使用一张纸地图,在上面将数据库的数据标出,然后在地图上分析,这种方法非常繁琐,如果利用GIS提供的数据的地理属性,就可以将这些数据分层、分类叠加在电子地图上,并且地图对象与数据库属性数据建立连接关系,这样通过GIS就可以轻松实现地图与数据库的双向查询。
统计管理人员可以根据公路地理分布,按公路不同属性进行里程统计、构造物统计等,将数据进行直观的、可视化的分析和查询,基本上实现了坐在办公室里就能看路,这是GIS最具有代表性的数据可视化功能。
GIS的查询功能按照使用方法可以分为数据查询、空间查询两种。
1)数据查询。
GIS的数据查询功能是公路管理中常用的查询方法,管理人员可以通过数据查询,了解数据所在的空间位置,如选择CPMS网级结果数据中下一年度需要进行大修的路段,GIS就会显示出这些路段在路网中的正确位置。
2)空间查询。
与数据查询相反,空间查询是通过空间范围的选定查询在此范围内所选相关信息的属性数据。
如确定距离公路处在50km范围以内的桥梁,只要在屏幕上公路处为圆心画一个50km半径的圆,GIS就会显示这一范围内的所有桥梁在地图上的位置及相关信息。
(二)GIS在基本地图管理中的应用
GIS的制图方法比传统的人工或自动绘图方法要灵活得多。
以GIS为基础的图形数据库是可以延续的,比例尺也不受限制,图件可以以任何地点为中心,比例尺任意,使用突出效果的特殊字符有效地显示所选择的信息。
公路管理部门借助于地图辅助进行公路管理。
公路图除包括行政区划、城市、村庄、铁路及水系等一般信息外,特别包括与公路有关的信息如:
公路编码、公路名称、走向、等级、里程等。
GIS电子地图与普通地图不同,它将表示不同物理内容的地图分门别类进行描述、存储及管理。
每一部分称作一个图层,通常一个图层只表示单一的内容。
如海洋、水域、行政区划、村镇、公路等。
GIS显示地理数据时,采用图层叠加的方法显示所需的信息。
应用GIS独具特色的地图表现能力,可以将公路及公路相关信息可视化。
基本地图管理操作包括地图的数字化及修改、放大、缩小、漫游、图层控制、在地图上计算距离、显示全图及地图的输出等功能。
公路信息是变化的信息,各地区每年都有大量的新建、改建的公路。
利用GIS可以方便、迅速地将这些变化及时地反映到地图上,形成新的公路图,与传统的、周期长、更新慢的手工制图方式相比,GIS电子地图可以达到一次投入,多次产出的效果,可以为各部门提供详实、准确、直观的公路路况资料。
(三)GIS在专题地图管理中的应用
专题地图是在基本地图上,以不同的方式显示信息所形成的地图。
包括具有各种公路属性特点的专题地图、可对外公开出版的公共交通图等。
GIS可以根据公路管理需要输出各种专题地图如行政区划图、地形图、路面状况指数、路面行驶质量指数、路面强度指数、路面技术等级分布、路面等。
级、交通量等图,利用专题地图可直观地了解公路的各项基本情况,为各项决策提供辅助性依据。
由于二维地图的基本要素是点、线和面,专题地图也分为点状图、线划图和区域图三种基本形式。
1.点状图
点状图用符号在地图上描述点的信息。
根据所在点的属性数据的不同,符号可以有大小、颜色及形状的变化。
例如:
道班分布图可以用不同的符号大小和颜色表示道班的规模、人数及养护里程等信息。
2.线划图
线划图利用线的宽度及颜色的变化反映线的属性数据。
公路在地图上是线性结构,因此线划图在公路管理GIS中应用最为广泛。
例如:
可以用不同颜色的线表示不同的公路行政等级、表示路面的不同使用性能、还可以用不同颜色和宽度的线描述路网交通量的大小变化。
3.区域图
区域图利用网格的形状及颜色的变化,反映区域的不同属性数据。
例如:
可以用不同的网格形状及颜色,填充不同的行政区域,以反映区域公路网的密度。
(四)GIS在公路设计、工程建设中的应用
GIS在测设中的运用是近几年的事。
从国内来看,一些省市已经开始着手尝试把GIS技术引入到初设和施工图设计中去,并已取得了良好的效果。
GIS可以为公路设计人员在工作上提供许多便利。
首先在选线设计中,可以通过鼠标在数字化地形图选取控制点,控制点连线后,路线的大致走向就基本确定下来了。
第二在纵断面设计中,由于数字化地面模型的存在,在平面选线完成后,公路软件就能自动沿平面选线生成地形纵剖面图。
通过绘图仪拉出拉坡图,设计好纵断面设计线,也可以在屏幕上交互完成纵断面设计。
第三在横断面设计上,在完成平面设计和纵断面设计后,公路软件就可以自动生成横断面图,同时能够自动完成土石方数量表。
(五)GIS公路地理信息系统充分利用和社会化共享
计算机和网络技术的发展,极大地改变了人们的生产和生活。
随着Internet技术的迅猛发展,以Internet为基础的InternetGIS技术为公路地理信息系统的充分利用和社会化共享提供了可能,面向社会公用多媒体信息服务领域和国际地理信息服务领域,为国家大中型工程建设、城市建设和城市资源开发、交通建设和交通监控、旅游资源开发和旅游服务等各个领域提供最新的基础地理信息资料服务。
过去,GIS往往被认为是一项专门技术,随着技术的发展和社会需求的增大,公路GIS不仅仅应用于公路部门的管理,而且还应用到其它部门的管理,同时还进入人们的日常生活领域中,公路GIS的应用将逐步走向公众,通过网络将空间信息传到千家万户,实现数据信息共享。
运用公路GIS地理信息系统建立的旅游信息系统和道路信息系统,可以为用户提供优质、快捷、高效的服务,提高经济效益。
总之,GIS是伴随着计算机技术飞速发展的新技术。
随着GIS技术的普及和应用的深入,用户对GIS软件本身会提出更高的要求,而GIS技术的发展也将会有更多应用功能得以实现。
五、结论
GIS开发应用的意义,还不仅在于完成一个可供应用的管理系统、更好地进行公路管理,而且随着这个系统的推广应用,将对今后公路管理人员水平的提高,管理工作的科学化,行业技术的规范化,职工信息意识的强化,效率观念的增强,旧传统管理模式的冲击都将产生巨大的影响与推动作用。
尽管在我国开展公路数据库的开发建设存在着各种各样的困难,但无疑这项工程的开发是加速我国公路管理现代化的一项最基础的工作和最有效的举措。
随着国内公路里程的不断增加,可以预见,建设在GIS软件上的公路数据库系统,在我国具有极其广阔的推广应用前景。
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