公路地理信息系统建设方法与应用探讨.pdf

公路地理信息系统建设方法与应用探讨 朱爱民 孙效敏 山东交通学院 济南250023 山东省交通规划设计院 济南250031 摘 要 探讨公路交通地理信息系统建设的特点与方法 论述GIS在公路建设与管理中 的应用 对交通GIS系统建设和应用中的一些实际问题进行讨论 提出了一些合理的建议与 方法 关键词 地理信息系统 全球定位系统 公路设计 养护管理 1 引言 地理信息系统 Geographic InformationSystem 简称 GIS 是在计算机软 硬件平台支撑下 以采集 存贮 管理 分析描述地球表面与空间分布有关数据 的空间信息系统 公路交通无论其基础设施建设 还是其养护管理 都与地理空间信息密切相关 在公 路建设与管理工作中 研究应用GIS新技术 可有 效地提高公路建设与管理的数字化和信息化水平 本文根据公路交通工作的特点 结合作者近几年 GIS应用研究的工作体会 对公路GIS建设中的若 干实际问题进行探讨 论述GIS在公路建设与管理 中的应用 提出一些合理化建议 促进公路信息化建 设工作的发展 2 公路地理信息系统建设 公路地理信息系统建设的总体目标是开发公路 信息资源 实现分散的各部门信息资源共享 为公路 专题管理和科学决策服务 为公路科技发展和公路 运输安全提供技术支持 因此 需建设开发应用型 的公路地理信息系统 主要工作内容包括可行性研 究 软硬件配置 系统设计与测试等 其中 公路交 通地理数据库的开发建设与地理信息数据的采集是 系统建设的关键 2 1 地理信息系统软 硬件配置 1 地理信息系统硬件配置 由计算机与一些外 围设备联接形成 主要包括 a 数据输入采集设备 数字化仪 扫描仪 解析 或数字化测图仪 GPS测量仪器等 b 数据存储 管理 加工和分析的设备 c 数据输出设备 绘图仪 图形终端 打印机等 d 通讯传送设备 总线 调制解调器 电话线 网络线等 2 地理信息系统软件选择 目前国内应用较广泛的GIS平台软件有ARC Info MapInfo Map GIS GeoStar等 作为GIS平台 支撑软件 所选用的GIS软件必须具备海量数据的 存储和管理能力 同时具备多用户高效的并发访问 机制等 用来存储和管理所有的空间和属性数据 结合GIS不同的应用目的 在选择GIS软件平台 时 还应考虑系统的可伸缩性 系统的开放性 多用 户的并发访问 INTERNET解决方案等 2 2 公路交通地理数据库的数据内容与数据结构 1 公路交通地理数据库的数据内容 公路交通地理数据库的数据内容应包括公路带 状地形数据和道路成果数据库 其中公路带状地形 数据包括等高线 高程点地貌要素和各类建筑物 线 状 点状地物等 这类数据应按照公路规划设计要求 的带状宽度与要求建库 而道路成果数据库包括道 路几何数据 曲线半径 缓和曲线长等 公路用地范 围 沿线桥函 服务设施 交通标志位置等 这类数 据库是公路养护管理 车辆导航用电子地图的基础 表1为公路交通GIS各层次专题数据库的种类及 其主要内容 表1 公路GIS数据库的种类及其主要内容 专题数据库 种 类 内 容 基 础 数据库 测量资料和图件 地质资料和图件 管理与机构 建 设档案 气象条件 航测 遥感数据 勘测报告 图表 工程设计 施工及验收报告等 公路资源 数 据 库 公路线路状况及附属物 桥涵 隧道 道口 车站 管 线 病害线路状况 环境状况 规程规则 里程桩 边 界点 规划设计 形变监测等 社会经济 资源数据库 人文资料 地理环境 历史变迁与发展 社会经济统 计 经济现状调查 人口分布 交通状况 调查数据 监查管理 政策法令 风俗习惯等 2 交通地理数据库的数据结构 GIS必须以给定的内部数据结构为基础 通过 合理的组织方式 有效地实现系统的应用目的 达到 不但可以有效地对数据库中的各种信息进行处理与 631 东 北 公 路 2003年 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 分析 而且还能够为领导或政府决策提供依据 内 部数据结构是描述地理实体的数据本身的组织方 法 内部数据结构基本上可以分为矢量结构和网络 结构两大类 据此 GIS中的数据结构主要有基于 矢量的数据结构和基于栅格的数据结构 在GIS 的发展初期 大多数GIS只具有单一的矢量数据结 构或栅格数据结构 随着计算机科学的发展 目前的 一些GIS软件已结合了两种数据结构 或采用混合 数据结构和矢量栅格一体化的数据结构 大大优化 了GIS的性能 不管哪种数据结构 都可以用来描 述表征自然地理实体点 线 面等特征的信息 矢量 的数据结构统一的单元是点 线和多边形 而栅格数 据结构 统一的单位是栅格 这两种方式各有利弊 两种数据结构的特点比较见表2 表2 数据结构的特点 项 目矢量数据结构栅格数据结构 结构特征严密而复杂不严密且简单 数据获取获取数据较慢可快速获取 拓扑关系表达利于拓扑分析难以表达拓扑关系 空间变化能力较差较强 空间位置精度较高较低 存储量数据存储量较小数据较存储量较大 1 3 GIS的空间坐标系与公路交通地理数据的组织 具有公共地理定位基础是GIS系统的主要特 点 对于一般的GIS系统 所有的地理要素 要按 经纬度或者特定的坐标系统进行严格的空间定位 才能使其具有多维性 区域性 时序性特征的空间要 素进行复合和分解 将隐含其中的信息变为显示表 达 支持空间问题处理与决策 这种坐标系既可以 是大地坐标系 也可以是城市区域的独立坐标系 但无论采用何种独立坐标系 系统内部都必须提供 与大地坐标系之间严格的转换参数 以便数据能及 时纳入统一坐标系统 而对于交通GIS系统来说 在数据的技术组织方面 由于公路部门常采用线性 参照的方法来确定属性信息的空间位置 因而需要 采用公路沿线的里程数建立空间位置与属性数据间 的关联 从而支持线性参照的属性数据 并应实现沿 线定位与测量用空间定位的互换 以实现按里程进 行空间数据与属性数据的查询 建立直观的公路设 施检索方式 当划定某一路段时 该GIS可以用区 域统计功能统计出道路长度 桥梁跨数 路面面积等 属性 1 4 GIS数据的采集方法及其分析 数据是地理信息系统的血液 在地理信息系统 的建设中 数据的采集输入约占整个工作量的70 80 数字化地图是GIS数据源 现将各种获取方 法归纳分析如下 1 4 1 地形图资料的矢量化 该方法适合于具备地形图资料的情况下 矢量 化的方式有以下两种 1 手扶跟踪矢量化 基本方法是 利用已有的图纸 将其进行扫描 形成栅格图 进行手扶跟踪各个要素 并处理相互关 系并建立相应拓扑关系 最后形成矢量图 其特点是 操作简单 技术含量低 但人工作业 操作随意性大 数据的精度和一致性难以保证 2 自动扫描矢量化 基本方法是利用已有的图幅 将其进行扫描 由 扫描仪器直接进行矢量化处理并建立相应拓扑关 系 形成矢量图 其特点是 快捷 省力 省时自动化程度高 但 目前此种方法仍处于研究阶段 由于扫描技术的硬 件能力 包括分辨率 速度 幅面和价格的限制 以及 相应的扫描处理软件存在理论与技术的障碍难以逾 越 因此若用这种方法其后处理工作量还相当大 今后随着软硬技术的不断发展 自动扫描矢量化技 术将更加成熟 1 4 2 数字摄影测量方式 1 基本方法 利用影像资料 如航摄像片或卫 星影像或近景像片 用数字摄影测量仪器和软件将 其进行数字采集 最后编辑成图 2 该方法的特点 图幅精度较高 可以形成多 种产品 如 DTM 数字地面模型 DEM 数字高程 模型 DOM 数字正射影象 DL G 数字线画图 DRG 数字栅格图等 但软 硬件设备要求高 技 术含量高 1 4 3 实地数字测图 1 基本方法 利用GPS 电子全站仪等 在野 外实测直接生成数字地图 这一方法适合于在没有 现成图纸和航摄像片时 新建区的大比例尺的地形 测图 或需要高精度地物点位的区域 2 该方法特点 精度好 现势性强 但成图速 度慢 工作量大 不易于大面积生产 在公路GIS的建设中 可视具体情况综合考虑 应用以上方法 但由于数据库规模大 数据类型复 杂多样 数据的采集 整理工作量巨大 为加快公路 GIS数据库建设 应尽量考虑利用测绘部门的基础 地理数据资料 而对于公路交通的属性数据 如公 路等级 编号 交叉类型 路面形式和状况 交通量 731 第26卷第3期 朱爱民 孙效敏 公路地理信息系统建设方法与应用探讨 1995 2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 等 可作为一个个的层面由公路勘察设计和公路管 理部门采集汇总 避免重复劳动 各部门密切合作共 同提高公路GIS的建设与应用水平 3 GIS技术在公路建设与管理中的应用 广义上GIS技术可应用于所有与空间位置有 关的工作领域 从GIS的应用范围及发展层次上区 分 GIS的主要应用模式如图1所示 不同的应用 目的要考虑采用不同的应用模式 也就是说 在进 行GIS建设之前要根据应用目的确定系统的范围 避免追求大而全或者所建立的系统不能满足要求而 带来的时间 投资等的浪费 图1 GIS的应用模式 从图1可以看出 GIS作为信息社会的基础设施 其应用非常广泛 GIS的应用具有强大生命力 公路交 通工作主要包括交通基础设施建设与管理及车辆运输 的调度监控等 在这些工作领域中应用GIS技术 并与 GPS技术和网络技术等相结合 将有力地推动公路交 通的信息化建设 以下主要介绍GIS技术在公路建设 与管理中的典型应用及其前景分析 3 1 GIS技术在新建公路工程规划设计中的应用 公路规划设计需要大量的地形数据信息 且很 大部分信息具有三维空间特征 GIS所具有的空间 分析和数据处理功能 可以提供公路规划设计所需 要的数字地形模型 DTM 具有强大的三维交互地 形可视化环境 可使设计者方便地进行线路规划设 计 沿线设施位置的选定 可视化环境评估及有关问 题的统计分析等 这对于提高公路规划设计质量具 有重要意义 在地面数据的获取方面应用GPS技 术 RS 遥感 技术和数字摄影测量技术 通过建立 公路工程GIS数据库 并把公路GIS与公路设计 CAD系统衔接起来 是目前国内外公路勘测设计方 法的发展方向 3 2 GIS技术在已建公路养护与管理中的应用 随着我国公路密度的逐年增加 土地资源与人口 数量的矛盾日益突出 新建公路数量会逐步减小 加强 对已建成使用公路的养护与管理将变得愈加重要 因 此 要在公路养护管理部门开发应用基于GIS技术的 公路养护管理信息系统 这种公路养护管理信息系 统 一方面可为地方交通部门和公路养护管理部门的 养护与管理提供及时 准确 全面的空间信息和属性信 息 另一方面通过对公路性能状况指标的分析 可为省 地市公路管理部门提供养护管理决策依据 并具备基 本的网络功能 以便与地方其他有关部门 如土地利 用 城建 民航 铁路等 交换信息和面向社会提供各种 咨询服务 为实现以上功能 该系统需在GIS的基础 上建立各公路行政区域性的公路数据库 建立包括由 数据信息模块 路况分析评价模块 政策分析模块 计 划决策及输出模块等组成的集成管理系统 这样 系 统不仅可完善地表达路段的空间 属性数据 还能对所 采集的公路设施检测数据进行分析评价 提出和编制 公路设施的养护 修理和改建计划 提高现有公路的养 护管理的信息化水平 使现有公路基础设施发挥更大 的经济效益 4 结语 本文探讨了公路交通GIS的建设方法及其在 公路建设与管理中的应用 其目的是使空间信息资 源在公路交通领域得到充分合理的利用 促进GIS 技术在公路中的应用 当今世界已进入信息时代 国家已将地理信息系统建设纳入我国信息化基础设 施建设 面对国内外信息化发展形势 公路交通行 业应抓住机遇 统一规划 积极借鉴应用GIS GPS 等当代测绘领域的高新技术 推动公路交通信息化 建设的发展 提高在制定交通建设规划 项目可行性 研究和公路养护管理等工作中的信息化水平 参考文献 1 吴信才 地理信息系统原理 方法及应用 M 武汉 中国地质大 学出版社 1998 2 朱照宏 公路计算机辅助工程 M 北京 人民交通出版社 2000 Highway Geological Information System Setting up and Application Abstract Features and Method of setting up highway geological information systen GIS were discussed the application of GIS on highway construction and management wa