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公路地理信息管理系統(tǒng)中立交橋的表示方法
精品源自教學(xué)論文 公路地理信息管理系統(tǒng)中立交橋的表示方法
摘要:立交橋是公路設(shè)施中一個重要的組成部分。結(jié)合立交橋在公路設(shè)施管理GIS中表示方法研究的實(shí)踐,介紹了立交橋在GIS上表示的模型、屬性數(shù)據(jù)庫的建立、匝道編碼的方法以及網(wǎng)絡(luò)分析等關(guān)鍵技術(shù)。對今后的發(fā)展提出一些展望。
關(guān)鍵詞:立交橋;GIS;數(shù)據(jù)模型;編碼方法;路徑分析
1 概述
近年來,我國已陸續(xù)開發(fā)了公路路面——橋梁管理系統(tǒng)和公路設(shè)施管理系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)對公路設(shè)施的空間信息、公路設(shè)施損壞狀況在空間的分布等進(jìn)行管理的需求,又以地理信息系統(tǒng)(GIS)為平臺建立公路設(shè)施管理地理信息系統(tǒng)。利用GPS和GIS技術(shù)的結(jié)合,運(yùn)用路網(wǎng)線性參照系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了在GIS系統(tǒng)軟件ARC/INFO環(huán)境下的動態(tài)分段技術(shù)和路徑選擇等功能。公路設(shè)施管理地理信息系統(tǒng)的建立對于提高管理水平和服務(wù)水平發(fā)揮了積極作用。
但隨著對管理工作要求的進(jìn)一步提高,特別是對如重車過橋路線的選擇、最佳(短)路徑的選擇等空間網(wǎng)絡(luò)分析功能提出的更高的要求,按照傳統(tǒng)的將立交橋以一個點(diǎn)的形式來表征已經(jīng)不能滿足管理需求。本文結(jié)合立交橋在公路設(shè)施管理GIS中表示方法研究的實(shí)踐,介紹了立交橋在GIS上表示的模型、屬性數(shù)據(jù)庫的建立、匝道編碼的方法以及網(wǎng)絡(luò)分析等關(guān)鍵技術(shù)。
2 需求分析
國家標(biāo)準(zhǔn)和交通部制訂的“公路數(shù)據(jù)庫指標(biāo)體系規(guī)范”、“公路數(shù)據(jù)庫編目編碼規(guī)則”、“公路路況普查數(shù)據(jù)指標(biāo)集”等規(guī)范對橋梁數(shù)據(jù)庫從數(shù)據(jù)項(xiàng)、數(shù)據(jù)格式及編碼規(guī)則都作了詳細(xì)的規(guī)定,但對立交橋數(shù)據(jù)庫僅涉及了主橋,而對匝道數(shù)據(jù)庫的規(guī)定不夠詳細(xì)。在實(shí)際管理工作中,由于高等級公路網(wǎng)中立交橋的數(shù)量比較多,形式又各異,每座立交橋或一座立交橋不同的匝道的技術(shù)狀況各不相同,如果籠統(tǒng)地對一座立交橋進(jìn)行損壞調(diào)查、損壞狀況及承載能力的評價,將很難正確地得出結(jié)論;另外,由于部分立交橋沒有全部互通,以及部分匝道的承載能力、平縱曲線、養(yǎng)護(hù)維修等條件的限制,在網(wǎng)絡(luò)分析中重車路線選擇、最短(佳)路徑選擇等均要求對匝道進(jìn)行分析�；谶@些實(shí)際管理工作的需求,要求對立交橋進(jìn)行細(xì)化,要將每條匝道納入管理范圍。
3 立交橋在GIS上的表示模型
立交作為公路的一部分,除了具有道路和橋梁的基本特征外,更有其復(fù)雜的空間架構(gòu),這就為如何利用計(jì)算機(jī)圖形來表征它增加了難度和復(fù)雜度。
一般地,當(dāng)參照地域范圍比較廣時(比如,以整個城市為參照),可通過抽象地將立交表征為一個對象,即通過兩條或更多條道路的交點(diǎn)將其表示,此時,立交以一個點(diǎn)的形式存在,如ARC/INFO軟件就提供了將立交作為點(diǎn)來處理,通過對該點(diǎn)的一系列相關(guān)數(shù)據(jù)的設(shè)置來表達(dá)立交橋的屬性。這種模型可以比較詳細(xì)的通過數(shù)據(jù)來描述立交,在相關(guān)數(shù)據(jù)處理時比較方便,但缺乏形象性,且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
當(dāng)參照地域局限在某一范圍時(如為立交本身),可通過拓展將立交橋抽象為“立交道路”,一個立交橋可看作數(shù)條或數(shù)十條“立交道路”組成,“立交道路”之間的相互連接和交錯通過每一段“立交道路”來表征。這種模型對于立交圖形的構(gòu)建比較方便,且在進(jìn)行包括其他道路數(shù)據(jù)的運(yùn)算時可以不做特別處理,但由于計(jì)算機(jī)圖形平面二維的限制,在形象性表達(dá)和交互處理時不近人意。
經(jīng)對比和分析,可采取如下模型:把一個立交橋作為一個大對象,將匝道(含立交橋主橋)作為子對象,在每一個匝道上賦予屬性數(shù)據(jù),在圖形顯示和數(shù)據(jù)處理時以匝道為對象,這樣所有匝道就構(gòu)成了立交橋整體。即滿足了立交的形象表達(dá),同時在數(shù)據(jù)處理上進(jìn)行了細(xì)化,可以對每條匝道進(jìn)行處理,又顯得比較簡潔。
4 立交橋數(shù)據(jù)庫的建立
4.1立交橋?qū)傩詳?shù)據(jù)
4.1.1 屬性數(shù)據(jù)的組成
根據(jù)立交橋設(shè)施的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),一個立交橋有其整體的數(shù)據(jù),比如橋梁代碼、中心樁號、設(shè)計(jì)荷載等級、抗震等級等,這部分?jǐn)?shù)據(jù)可采用交通部路況普查橋梁概況的數(shù)據(jù)項(xiàng)和格式;同時每條匝道又有其獨(dú)立的數(shù)據(jù),如最小平曲線半徑、最大縱坡等。每一條匝道用一個總表和一個分表的數(shù)據(jù)來表示�？偙頂�(shù)據(jù)主要有匝道代碼、匝道名稱、起點(diǎn)路名稱及代碼、訖點(diǎn)路名稱及代碼、匝道總長、匝道重復(fù)長度、匝道總面積、匝道最大寬度、匝道最小寬度、匝道最多車道數(shù)、匝道最少車道數(shù)、匝道最小平曲線半徑、匝道最大縱坡、竣工日期、管理單位及代碼、建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位等內(nèi)容。分表是根據(jù)匝道橋跨分類、寬度的不同等具體情況進(jìn)行分段處理,每一段用一張分表來表示,分表的數(shù)據(jù)項(xiàng)主要有匝道分段代碼、起訖點(diǎn)樁號、跨徑長度、分段長度、寬度、凈寬度、車道數(shù)、行車道寬度、人行道寬度、橋下凈空、上部結(jié)構(gòu)形式、橋墩類型、橋臺類型、支座類型、橋面鋪裝類型、伸縮縫類型、上部截面形式、上部材料類型、橋墩材料類型、橋臺材料類型、基礎(chǔ)形式、通航等級、技術(shù)狀況評定等內(nèi)容。
4.1.2 匝道代碼的編碼方法
匝道代碼是數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵字段,通過它建立屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)之間的連接,并通過它可以判斷經(jīng)過立交橋時從一個方向到另一個方向的連通與否。為滿足這樣的功能需求,可采用如下的編碼方法。
匝道代碼由13位字母或數(shù)字組成,其中前10位是匝道編碼,后3位為分段順序碼,其中匯總表中的分段順序碼為000;10位匝道編碼中前5位代表匝道起點(diǎn)斷面編碼,后5位表示訖點(diǎn)斷面編碼;5位起訖點(diǎn)斷面編碼中的前4位代表起訖點(diǎn)路線的編碼,如外環(huán)線為S120,滬杭高速公路為G065等,后1位表示該路線進(jìn)出本立交的兩個斷面的代碼,用“0”表示小樁號斷面,以“1”表示大樁號斷面。如莘莊立交,該立交有滬杭高速公路(G065)、滬閔路(G320)、莘奉路(S104)以及外環(huán)線(S120)4條公路相交,共有6個進(jìn)出斷面組成,根據(jù)以上原則分別可以編制為G0650、G3200、G3201、S1040、S1200、S1201,然后根據(jù)每條匝道起訖斷面的不同可以分別進(jìn)行編碼如S1200、G0650000(表示從徐浦大橋到滬杭高速公路的匝道)、S1040、S1201000(表示莘奉路到外環(huán)線虹橋機(jī)場方向的匝道)。
圖1編碼示意42立交橋空間數(shù)據(jù)
數(shù)字化地圖一般采用AutoCAD的DWG格式,立交橋圖紙也同樣采用AutoCAD的格式,AutoCAD是一種應(yīng)用較為廣泛的繪圖軟件,一般以DXF格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,其數(shù)據(jù)格式已成為大多數(shù)繪圖軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)格式之一。AutoCAD的文件由多種繪圖實(shí)體(Entity)組成,其實(shí)體采用坐標(biāo)描述,實(shí)體間不具備拓?fù)涿枋鲂畔�。而GIS軟件采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與AutoCAD不同,需將AutoCAD的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的GIS軟件的數(shù)據(jù)格式,以便于管理數(shù)據(jù),本系統(tǒng)開發(fā)采用的GIS軟件為ESRI公司的ARC/INFO軟件,需將AutoCAD的基礎(chǔ)地圖轉(zhuǎn)換為ARC/INFO的數(shù)據(jù)格式。進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時,每一種繪圖實(shí)體都會轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的疊合層(Coverage)要素(Feature),ARC/INFO采用疊合層(Coverage)將多種數(shù)據(jù)組織一起,疊合層中可包含多種類型的要素( Features),如弧段(Arcs)、節(jié)點(diǎn)(Nodes)、標(biāo)記點(diǎn)(Label Points)、配準(zhǔn)點(diǎn)(Tics)、多邊形(Polygons)、注記(Annotation)等。ARC/INFO的要素間具有拓?fù)潢P(guān)系,AutoCAD的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ARC/INFO的數(shù)據(jù)格式后,其繪圖實(shí)體會轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的ARC/INFO數(shù)據(jù)要素,表1給出了二者之間的對應(yīng)關(guān)系。
ARC/INFO采用弧段——節(jié)點(diǎn)拓?fù)?Arc-Node Topological)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對繪圖要素進(jìn)行組織。ARC/INFO采用弧段拓?fù)浔?AAT表)、多邊形拓?fù)浔?PAT表)及節(jié)點(diǎn)拓?fù)浔?NAT表)來描述各繪圖實(shí)體之間的關(guān)系(相鄰、相交等),采用點(diǎn)(包括節(jié)點(diǎn)、形狀點(diǎn))的坐標(biāo)來定義繪圖實(shí)體的位置,ARC/INFO繪圖顯示時,對NAT表、PAT表、AAT表及弧段坐標(biāo)表進(jìn)行檢索,由NAT表、PAT表、AAT表取得各疊合層要素間的拓?fù)潢P(guān)系,由弧段坐標(biāo)表取得繪圖點(diǎn)的坐標(biāo),完成繪圖顯示。CAD圖形轉(zhuǎn)換為ARC/INFO的疊合層格式時不具有拓?fù)潢P(guān)系,需為疊合層建立拓?fù)潢P(guān)系。系統(tǒng)根據(jù)不同圖層的具體情況,采用ARC/INFO的CLEAN或BUILD命令為各疊合層建立了拓?fù)潢P(guān)系。
對于立交地圖數(shù)據(jù),不僅要通過矢量數(shù)據(jù)表征出立交的空間效果,而且要做到與已經(jīng)存在的GIS地圖數(shù)據(jù)的無縫整合,這就增加了立交地圖數(shù)據(jù)處理的難度。一般要經(jīng)過立交匝道的繪制、屬性數(shù)據(jù)的編輯、地圖比例的調(diào)整和糾正、立交與現(xiàn)存道路的人工糾偏等工作。
表1AutoCAD與ARC/INFO的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換對應(yīng)
AutoCAD繪圖實(shí)體〖〗ARC/INFO
數(shù)據(jù)要素〖〗注釋線段〖〗弧段〖〗這些繪圖實(shí)體轉(zhuǎn)換為兩點(diǎn)的弧段可具有任意寬度的直線
填充體〖〗弧段〖〗轉(zhuǎn)換為四點(diǎn)或五點(diǎn)的弧段圓
弧段〖〗弧段〖〗轉(zhuǎn)換為弧段,圓由361個點(diǎn)組成,每度一個點(diǎn),起、終點(diǎn)在同一位置多義線〖〗弧段〖〗可轉(zhuǎn)換為同一弧段,其上有多個節(jié)點(diǎn)點(diǎn)
形體〖〗點(diǎn)注記〖〗點(diǎn)或注記〖〗可轉(zhuǎn)換為注記或注記文字放在屬性表中的點(diǎn)塊〖〗點(diǎn)、弧段、注記〖〗塊可轉(zhuǎn)換為多種疊合層要素,取決于塊中所含的實(shí)體類型5路徑分析
公路地理信息系統(tǒng)為管理人員提供了公路設(shè)施(路面、橋梁等)的設(shè)備狀況及地理空間信息,要求不僅要為管理人員進(jìn)行決策提供輔助支持,還要為管理者進(jìn)行最佳(短)路徑、重車過橋路線的選擇提供有效的信息及決策支持。
5.1ARC/INFO的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型(Network Data Model)
ARC/INFO軟件具有空間分析功能。在ARC/INFO中,網(wǎng)絡(luò)由一系列相互連接的線性物體組成,資源(Resources)可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。網(wǎng)絡(luò)是對現(xiàn)實(shí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)(如公路網(wǎng))的抽象與概括,在ARC/INFO中,網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)絡(luò)連線(Network Links)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(Network Nodes)、站點(diǎn)(Stops)、轉(zhuǎn)向(Turns)和中心(Centers)組成。
網(wǎng)絡(luò)連線構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)的骨架,連線具有屬性,包括連線阻抗(Link Impedance)及連線需求(Link Demand)。[1] [2] 下一頁 精品源自教學(xué)論文 精品源自教學(xué)論文> 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為連線的起終點(diǎn)或連線間的交點(diǎn)。連線在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處相交。交叉口、立交橋等可表示為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有節(jié)點(diǎn)需求 (Node Demand)的屬性信息。
站點(diǎn)是路徑分析(Path或Tour)所要經(jīng)過的位置。
轉(zhuǎn)向表示在節(jié)點(diǎn)處從一條網(wǎng)絡(luò)連線到另外一條連線的轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)向主要表示連線間的關(guān)系,如在交叉口進(jìn)行左轉(zhuǎn)需花費(fèi)更多的時間,而單行道禁止U型轉(zhuǎn)彎。圖2給出了轉(zhuǎn)向的一個簡例,每個節(jié)點(diǎn)可能存在的轉(zhuǎn)向數(shù)為n2個(n為弧段數(shù))。
轉(zhuǎn)向具有阻抗的屬性,當(dāng)阻抗值<0時表示禁止轉(zhuǎn)彎或立交橋某一方向到另一方向的不連通;節(jié)點(diǎn)不設(shè)轉(zhuǎn)向時表示該節(jié)點(diǎn)處沒有阻抗。表2給出了具有轉(zhuǎn)向阻抗的節(jié)點(diǎn)的一個簡例。轉(zhuǎn)向發(fā)生在節(jié)點(diǎn)處,但其屬性信息單獨(dú)維護(hù)在轉(zhuǎn)向?qū)傩员碇?TRN表),用戶可往該表中添加轉(zhuǎn)向的阻抗信息。
圖2轉(zhuǎn)向示意中心指具有資源(Resources)或能夠吸引資源的位置。
5.2 現(xiàn)狀數(shù)據(jù)調(diào)查
在ARC/INFO的路徑分析中,用戶指定路徑所必須經(jīng)過的幾個點(diǎn)(在ARC/INFO中用站點(diǎn)表示)及指定站點(diǎn)的訪問順序,ARC/INFO會按用戶指定的條件(如行程時間最短、路程最短等)為用戶尋找出一條最優(yōu)路徑。
5.2.1 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換
進(jìn)行路徑分析等網(wǎng)絡(luò)分析時,需將已有的數(shù)據(jù)需轉(zhuǎn)化為ARC/INFO所特有的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型采用節(jié)點(diǎn)—連線的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),需將路徑分析的起訖點(diǎn)、路線經(jīng)過的橋梁等轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)—連線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
路線分析的起訖點(diǎn)在ARC/INFO中用站點(diǎn)(Stops)表示,起訖點(diǎn)的屬性信息可存放在站點(diǎn)屬性表中,用戶可通過鼠標(biāo)在數(shù)字化圖上任意點(diǎn)取點(diǎn)位來定義起訖點(diǎn)。
在路線的選擇中,橋梁可視為點(diǎn)狀層。相應(yīng)地在ARC/INFO的路徑分析中,橋梁應(yīng)定義為節(jié)點(diǎn)(或站點(diǎn)),重車可在所有橋梁間選擇適合通過的橋梁,并生成最佳路線。
表2連線阻抗表
5.2.2 屬性數(shù)據(jù)調(diào)查
在路徑分析中需調(diào)查的屬性數(shù)據(jù)很多,如起訖點(diǎn)、路線現(xiàn)狀、交通量、交叉情況、橋梁狀況等,這里主要介紹立交橋有關(guān)數(shù)據(jù)的調(diào)查。立交橋的屬性數(shù)據(jù)根據(jù)本文第4章所介紹的數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行采集,主要采集匝道(含主橋)的現(xiàn)狀,由此得出路線分析時立交橋的阻抗、轉(zhuǎn)向等數(shù)據(jù),從而為路線的選擇提供決策數(shù)據(jù)。
5.2.3路徑分析的實(shí)現(xiàn)
以重車過橋路徑分析為例簡單介紹路徑分析的實(shí)現(xiàn)。
系統(tǒng)根據(jù)重車對橋梁荷載的需求,如掛車—120、特—汽300等,在已有數(shù)據(jù)(包括橋梁承載能力、已有重車路線等)中采用相應(yīng)的路徑分析算法尋找出一條合適的路線。我們也可通過指定路徑所必須訪問的站點(diǎn),經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析模塊進(jìn)行分析后,可給出相應(yīng)的最佳路線(如行程時間最短、路程最短等)。
在路徑分析中,用戶也可通過指定一系列路徑分析所不能通過的點(diǎn)(如立交橋并不互通或匝道正在進(jìn)行維修等)從而實(shí)現(xiàn)限制路徑選擇的目的,則所有通過該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接的路線皆被禁止,系統(tǒng)會繞過該點(diǎn)。
6 結(jié)語
立交橋作為公路設(shè)施中一個不可或缺的部分,使得研究立交橋不僅僅停留在設(shè)施管理,同時在交通控制、緊急救援等相關(guān)城市基礎(chǔ)設(shè)施課題中都有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和空間地理信息技術(shù)的發(fā)展,以及三維GIS技術(shù)的日益興起,如何給立交建立一個更加直觀和貼切的科學(xué)模型,是一個值得探討的課題 上一頁 [1] [2] 精品源自教學(xué)論文
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