公路地理信息管理系統(tǒng)中立交橋的表示方法

1、公路地理信息管理系統(tǒng)中立交橋的表示方法公路地理信息管理系統(tǒng)中立交橋的表示方法摘要：立交橋是公路設施中一個重要的組成部分。 結(jié)合立交橋在公路設施 管理GIS中表示方法研究的實踐,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絡分析等關(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)了公路路面一一橋梁管理系統(tǒng)和公路設施管理 系統(tǒng)。為實現(xiàn)對公路設施的空間信息、公路設施損壞狀況在空間的分布等進行管 理的需求,又以地理信息系統(tǒng)（GIS）為平臺建立公路設施管理地理信息系統(tǒng)。利用 GPS和GIS技術(shù)的結(jié)合，運用路線性

2、參照系統(tǒng),實現(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。公路設施管理地理信息系統(tǒng)的建立對 于提高管理水平和服務水平發(fā)揮了積極作用。但隨著對管理工作要求的進一步提高，特別是對如重車過橋路線的選擇、 最佳（短）路徑的選擇等空間絡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)合立交橋在公路設施管理 GIS中表示方法研究的實踐,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絡分析等關(guān)鍵技術(shù)。2需求分析國家標準和交通部制訂的“公路數(shù)據(jù)庫指標體系規(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)

3、指標集”等規(guī)范對橋梁數(shù)據(jù)庫從數(shù)據(jù)項、 數(shù)據(jù)格式及編碼規(guī)則都作了詳細的規(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。在實際管理工作中，由于高等級公路中立交橋的數(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)護維修等條件的限制，在絡分析中重車路線選擇、最短（佳）路 徑選擇等均要求對匝道進行分析?；谶@些實際管理工作的需求，要求對立交橋 進行細化，要將每條匝道納入管理范圍。3立交橋在GIS上

4、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，更有其復雜 的空間架構(gòu)，這就為如何利用計算機圖形來表征它增加了難度和復雜度。一般地，當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將其表示，此時,立 交以一個點的形式存在,如ARC/INFO軟件就提供了將立交作為點來處理，通過對 該點的一系列相關(guān)數(shù)據(jù)的設置來表達立交橋的屬性。這種模型可以比較詳細的通過數(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 雜。當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

5、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，且在進行包括其他道路數(shù)據(jù)的運算時可以不做特別處理 但由于計算機圖形平面二維的限制，在形象性表達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,同時在數(shù)據(jù)處理上進行了細化，可以對每條匝道進行處理，又顯得比較簡 潔。4立交橋數(shù)據(jù)庫的建立立交橋?qū)傩詳?shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù)的組成根據(jù)立交橋

6、設施的數(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、設計荷載等級、抗震等級等，這部分數(shù)據(jù)可采用交通部路況普查 橋梁概況的數(shù)據(jù)項和格式；同時每條匝道又有其獨立的數(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、起點路名稱及代碼、訖點路名稱及代碼、匝道總長、匝道 重復長度、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、 建設單位、設計單位等內(nèi)容。分表是根據(jù)匝道橋跨分類、寬度的不同等具體情況 進行分段處理，每一段用一張分表來表示，

7、分表的數(shù)據(jù)項主要有匝道分段代碼、起 訖點樁號、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、 基礎形式、通航等級、技術(shù)狀況評定等內(nèi)容。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0

8、00;10位匝道編碼中前5位代表匝道起 點斷面編碼，后5位表示訖點斷面編碼;5位起訖點斷面編碼中的前4位代表起訖 點路線的編碼,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 出本立交的兩個斷面的代碼，用“0”表示小樁號斷面，以“T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 不同可以分別進行編碼如 S1200 G0650000表示從徐

9、浦大橋到滬杭高速公路的 匝道)、S1040 S120XX00表示莘奉路到外環(huán)線虹橋機場方向的匝道 )。圖1編碼示意2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多邊形(Polygons)、注記'AutoCAD的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ARC/INFO據(jù)要素,表1給Topo logical)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對 繪圖要素進行組織。ARC/INFO采用弧段拓撲表(AAT表)、多邊形拓撲表(PAT表) 及節(jié)點拓撲表(NAT表)來描述各繪圖實體之間的關(guān)系(相鄰、相交等),采用點(包 括節(jié)點、形狀點)的坐標來定義繪圖實體的位置,ARC/INFO繪圖顯示時,對NAT表、 PAT表、A

10、AT表及弧段坐標表進行檢索,由NAT表、PAT表、AAT表取得各疊合層 要素間的拓撲關(guān)系，由弧段坐標表取得繪圖點的坐標，完成繪圖顯示。CAD圖形轉(zhuǎn)AutoCAD的格式'AutoCAD是一種應用較為廣泛的繪圖軟件,一般以DXF格式進行 數(shù)據(jù)交換，其數(shù)據(jù)格式已成為大多數(shù)繪圖軟件進行數(shù)據(jù)交換的標準格式之一。 AutoCAD的文件由多種繪圖實體(Entity)組成,其實體采用坐標描述,實體間不 具備拓撲描述信息。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

11、/INFO軟件,需將AutoCAD的基礎地圖轉(zhuǎn)換為 ARC/INFO的數(shù)據(jù)格式。進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時,每一種繪圖實體都會轉(zhuǎn)換為相應的疊合 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 (Nodes)、標記點(Label Points)、配準點(Tics)、 (Annotation)等。ARC/INFO的要素間具有拓撲關(guān)系 ARC/INFO的數(shù)據(jù)格式后，其繪圖實體會轉(zhuǎn)換為相應的 出了二者之間的對應關(guān)系。ARC/INFO采用弧段一一節(jié)點拓撲(Arc-Node換

12、為ARC/INFO的疊合層格式時不具有拓撲關(guān)系,需為疊合層建立拓撲關(guān)系。系統(tǒng) 根據(jù)不同圖層的具體情況,采用ARC/INFO勺CLEAN或 BUILD命令為各疊合層建立 了拓撲關(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AutoCAD與ARC/INFO的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換對應AutoCAD繪圖實體ARC/INFO數(shù)據(jù)要素注釋線段弧段這些繪圖實體轉(zhuǎn)換為兩點的弧段可 具有任意寬度的直線填充體弧段轉(zhuǎn)換為四點或

13、五點的弧段圓弧段弧段轉(zhuǎn)換為弧段,圓由361個點組成,每度一個點,起、終點 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)點點形體點注記點或注記可轉(zhuǎn)換為注記或注記文字放在屬性表 中的點塊點、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施(路面、橋梁等)的設備狀 況及地理空間信息，要求不僅要為管理人員進行決策提供輔助支持，還要為管理 者進行最佳(短)路徑、重車過橋路線的選擇提供有效的信息及決策支持。/INFO 的絡數(shù)據(jù)模型(Network Data Model)ARC/INFO軟件具有空間分析功能。在ARC/INFO中,絡由一系列

14、相互連接 的線性物體組成,資源(Resources)可通過絡進行傳輸。絡是對現(xiàn)實運輸絡(如公 路)的抽象與概括,在ARC/INFC中,絡由絡連線(Network Links)、絡節(jié)點(Network Nodes)、站點(Stops)、轉(zhuǎn)向(Turns)和中心(Centers)組成。絡連線構(gòu)成了絡的骨架,連線具有屬性,包括連線阻抗(Link Impedanee) 及連線需求(Li nk Dema nd)。絡節(jié)點為連線的起終點或連線間的交點。連線在絡節(jié)點處相交。交叉口、 立交橋等可表示為絡節(jié)點。絡節(jié)點具有節(jié)點需求(Node Dema nd)的屬性信息。站點是路徑分析(Path或Tour)所要經(jīng)過的

15、位置。轉(zhuǎn)向表示在節(jié)點處從一條絡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，如在交叉口進行左轉(zhuǎn)需花費更多的時間，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)點不設轉(zhuǎn)向時表示該節(jié)點處沒有阻抗。表2給出了具有轉(zhuǎn)向阻抗的節(jié)點的一個簡例。轉(zhuǎn)向發(fā)生在節(jié)點處 ，但其屬性信息單獨維護在轉(zhuǎn)向?qū)?性表中（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。 現(xiàn)狀數(shù)據(jù)調(diào)查在ARC/INFO的路徑分析中,用戶

16、指定路徑所必須經(jīng)過的幾個點（在ARC/INFO中用站點表示）及指定站點的訪問順序,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。數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換進行路徑分析等絡分析時,需將已有的數(shù)據(jù)需轉(zhuǎn)化為 ARC/INFC所特有的 絡數(shù)據(jù)模型。絡數(shù)據(jù)模型采用節(jié)點一連線的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，需將路徑分析的起訖點、 路線經(jīng)過的橋梁等轉(zhuǎn)化為相應的節(jié)點一連線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。路線分析的起訖點在ARC/INFO中用站點（Stops）表示,起訖點的屬性信 息可存放在站點屬性表中，用戶可通過鼠標在數(shù)字化圖上任意點取點位來定義起 訖點。在路線的選擇中,橋梁可視為點狀層。相應地在ARC/INFO勺路徑分

17、析中, 橋梁應定義為節(jié)點（或站點）,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、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)項進行采集，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)。路徑分析的實現(xiàn)以重車過橋路徑分析為例簡單介紹路徑分析的實現(xiàn)。系統(tǒng)根據(jù)重車對橋梁荷載的需求，如掛車一120、特一汽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，經(jīng)絡分析模塊進行分