公路地理信息管理系统中立交桥的表示方法

       1 概述

　　近年来,我国已陆续开发了公路路面——公路设施和桥梁管理系统管理系统。为实现对公路设施的空间信息、公路设施损坏状况在空间的分布等进行管理的需求,又以地理信息系统(GIS)为平台建立公路设施管理地理信息系统。利用GPS和GIS技术的结合,运用路网线性参照系统,实现了在GIS系统软件ARC/INFO环境下的动态分段技术和路径选择等功能。公路设施管理地理信息系统的建立对于提高管理水平和服务水平发挥了积极作用。

　　但随着对管理工作要求的进一步提高,特别是对如重车过桥路线的选择、最佳(短)路径的选择等空间网络分析功能提出的更高的要求,按照传统的将立交桥以一个点的形式来表征已经不能满足管理需求。本文结合立交桥在公路设施管理GIS中表示方法研究的实践,介绍了立交桥在GIS上表示的模型、属性数据库的建立、匝道编码的方法以及网络分析等关键技术。

　　2 需求分析

　　国家标准和交通部制订的“公路数据库指标体系规范”、“公路数据库编目编码规则”、“公路路况普查数据指标集”等规范对桥梁数据库从数据项、数据格式及编码规则都作了详细的规定,但对立交桥数据库仅涉及了主桥,而对匝道数据库的规定不够详细。在实际管理工作中,由于高等级公路网中立交桥的数量比较多,形式又各异,每座立交桥或一座立交桥不同的匝道的技术状况各不相同,如果笼统地对一座立交桥进行损坏调查、损坏状况及承载能力的评价,将很难正确地得出结论;另外,由于部分立交桥没有全部互通,以及部分匝道的承载能力、平纵曲线、养护维修等条件的限制,在网络分析中重车路线选择、最短(佳)路径选择等均要求对匝道进行分析。基于这些实际管理工作的需求,要求对立交桥进行细化,要将每条匝道纳入管理范围。

　　3 立交桥在GIS上的表示模型

　　立交作为公路的一部分,除了具有道路和桥梁的基本特征外,更有其复杂的空间架构,这就为如何利用计算机图形来表征它增加了难度和复杂度。

　　一般地,当参照地域范围比较广时(比如,以整个城市为参照),可通过抽象地将立交表征为一个对象,即通过两条或更多条道路的交点将其表示,此时,立交以一个点的形式存在,如ARC/INFO软件就提供了将立交作为点来处理,通过对该点的一系列相关数据的设置来表达立交桥的属性。这种模型可以比较详细的通过数据来描述立交,在相关数据处理时比较方便,但缺乏形象性,且数据结构复杂。

　　当参照地域局限在某一范围时(如为立交本身),可通过拓展将立交桥抽象为“立交道路”,一个立交桥可看作数条或数十条“立交道路”组成,“立交道路”之间的相互连接和交错通过每一段“立交道路”来表征。这种模型对于立交图形的构建比较方便,且在进行包括其他道路数据的运算时可以不做特别处理,但由于计算机图形平面二维的限制,在形象性表达和交互处理时不近人意。

　　经对比和分析,可采取如下模型:把一个立交桥作为一个大对象,将匝道(含立交桥主桥)作为子对象,在每一个匝道上赋予属性数据,在图形显示和数据处理时以匝道为对象,这样所有匝道就构成了立交桥整体。即满足了立交的形象表达,同时在数据处理上进行了细化,可以对每条匝道进行处理,又显得比较简洁。

　　4 立交桥数据库的建立

　　4.1立交桥属性数据

　　4.1.1 属性数据的组成

　　根据立交桥设施的数据结构,一个立交桥有其整体的数据,比如桥梁代码、中心桩号、设计荷载等级、抗震等级等,这部分数据可采用交通部路况普查桥梁概况的数据项和格式;同时每条匝道又有其独立的数据,如最小平曲线半径、最大纵坡等。每一条匝道用一个总表和一个分表的数据来表示。总表数据主要有匝道代码、匝道名称、起点路名称及代码、讫点路名称及代码、匝道总长、匝道重复长度、匝道总面积、匝道最大宽度、匝道最小宽度、匝道最多车道数、匝道最少车道数、匝道最小平曲线半径、匝道最大纵坡、竣工日期、管理单位及代码、建设单位、设计单位等内容。分表是根据匝道桥跨分类、宽度的不同等具体情况进行分段处理,每一段用一张分表来表示,分表的数据项主要有匝道分段代码、起讫点桩号、跨径长度、分段长度、宽度、净宽度、车道数、行车道宽度、人行道宽度、桥下净空、上部结构形式、桥墩类型、桥台类型、支座类型、桥面铺装类型、伸缩缝类型、上部截面形式、上部材料类型、桥墩材料类型、桥台材料类型、基础形式、通航等级、技术状况评定等内容。

　　4.1.2 匝道代码的编码方法

　　匝道代码是数据处理中的关键字段,通过它建立属性数据与空间数据之间的连接,并通过它可以判断经过立交桥时从一个方向到另一个方向的连通与否。为满足这样的功能需求,可采用如下的编码方法。

　　匝道代码由13位字母或数字组成,其中前10位是匝道编码,后3位为分段顺序码,其中汇总表中的分段顺序码为000;10位匝道编码中前5位代表匝道起点断面编码,后5位表示讫点断面编码;5位起讫点断面编码中的前4位代表起讫点路线的编码,如外环线为S120,沪杭高速公路为G065等,后1位表示该路线进出本立交的两个断面的代码,用“0”表示小桩号断面,以“1”表示大桩号断面。如莘庄立交,该立交有沪杭高速公路(G065)、沪闵路(G320)、莘奉路(S104)以及外环线(S120)4条公路相交,共有6个进出断面组成,根据以上原则分别可以编制为G0650、G3200、G3201、S1040、S1200、S1201,然后根据每条匝道起讫断面的不同可以分别进行编码如S1200、G0650000(表示从徐浦大桥到沪杭高速公路的匝道)、S1040、S1201000(表示莘奉路到外环线虹桥机场方向的匝道)。

　　图1编码示意42立交桥空间数据

　　数字化地图一般采用AutoCAD的DWG格式,立交桥图纸也同样采用AutoCAD的格式,AutoCAD是一种应用较为广泛的绘图软件,一般以DXF格式进行数据交换,其数据格式已成为大多数绘图软件进行数据交换的标准格式之一。AutoCAD的文件由多种绘图实体(Entity)组成,其实体采用坐标描述,实体间不具备拓扑描述信息。而GIS软件采用的数据结构与AutoCAD不同,需将AutoCAD的数据格式转换为相应的GIS软件的数据格式,以便于管理数据,本系统开发采用的GIS软件为ESRI公司的ARC/INFO软件,需将AutoCAD的基础地图转换为ARC/INFO的数据格式。进行数据转换时,每一种绘图实体都会转换为相应的叠合层(Coverage)要素(Feature),ARC/INFO采用叠合层(Coverage)将多种数据组织一起,叠合层中可包含多种类型的要素( Features),如弧段(Arcs)、节点(Nodes)、标记点(Label Points)、配准点(Tics)、多边形(Polygons)、注记(Annotation)等。ARC/INFO的要素间具有拓扑关系,AutoCAD的数据转换为ARC/INFO的数据格式后,其绘图实体会转换为相应的ARC/INFO数据要素,表1给出了二者之间的对应关系。

　　ARC/INFO采用弧段——节点拓扑(Arc-Node Topological)的数据结构对绘图要素进行组织。ARC/INFO采用弧段拓扑表(AAT表)、多边形拓扑表(PAT表)及节点拓扑表(NAT表)来描述各绘图实体之间的关系(相邻、相交等),采用点(包括节点、形状点)的坐标来定义绘图实体的位置,ARC/INFO绘图显示时,对NAT表、PAT表、AAT表及弧段坐标表进行检索,由NAT表、PAT表、AAT表取得各叠合层要素间的拓信息管理论文发表扑关系,由弧段坐标表取得绘图点的坐标,完成绘图显示。CAD图形转换为ARC/INFO的叠合层格式时不具有拓扑关系,需为叠合层建立拓扑关系。系统根据不同图层的具体情况,采用ARC/INFO的CLEAN或BUILD命令为各叠合层建立了拓扑关系。

　　对于立交地图数据,不仅要通过矢量数据表征出立交的空间效果,而且要做到与已经存在的GIS地图数据的无缝整合,这就增加了立交地图数据处理的难度。一般要经过立交匝道的绘制、属性数据的编辑、地图比例的调整和纠正、立交与现存道路的人工纠偏等工作。

　　AutoCAD绘图实体〖〗ARC/INFO

　　数据要素注释线段弧段这些绘图实体转换为两点的弧段可具有任意宽度的直线

　　填充体弧段转换为四点或五点的弧段圆

　　弧段弧段转换为弧段,圆由361个点组成,每度一个点,起、终点在同一位置多义线弧段可转换为同一弧段,其上有多个节点点

　　形体点注记点或注记可转换为注记或注记文字放在属性表中的点块点、弧段、注记块可转换为多种叠合层要素,取决于块中所含的实体类型5路径分析

　　公路地理信息系统为管理人员提供了公路设施(路面、桥梁等)的设备状况及地理空间信息,要求不仅要为管理人员进行决策提供辅助支持,还要为管理者进行最佳(短)路径、重车过桥路线的选择提供有效的信息及决策支持。

　　5.1ARC/INFO的网络数据模型(Network Data Model)

　　ARC/INFO软件具有空间分析功能。在ARC/INFO中,网络由一系列相互连接的线性物体组成,资源(Resources)可通过网络进行传输。网络是对现实运输网络(如公路网)的抽象与概括,在ARC/INFO中,网络由网络连线(Network Links)、网络节点(Network Nodes)、站点(Stops)、转向(Turns)和中心(Centers)组成。

　　网络连线构成了网络的骨架,连线具有属性,包括连线阻抗(Link Impedance)及连线需求(Link Demand)。

　　网络节点为连线的起终点或连线间的交点。连线在网络节点处相交。交叉口、立交桥等可表示为网络节点。网络节点具有节点需求 (Node Demand)的属性信息。

　　站点是路径分析(Path或Tour)所要经过的位置。 转向表示在节点处从一条网络连线到另外一条连线的转移。转向主要表示连线间的关系,如在交叉口进行左转需花费更多的时间,而单行道禁止U型转弯。图2给出了转向的一个简例,每个节点可能存在的转向数为n2个(n为弧段数)。

　　转向具有阻抗的属性,当阻抗值<0时表示禁止转弯或立交桥某一方向到另一方向的不连通;节点不设转向时表示该节点处没有阻抗。表2给出了具有转向阻抗的节点的一个简例。转向发生在节点处,但其属性信息单独维护在转向属性表中(TRN表),用户可往该表中添加转向的阻抗信息。

　　图2转向示意中心指具有资源(Resources)或能够吸引资源的位置。

　　5.2 现状数据调查

　　在ARC/INFO的路径分析中,用户指定路径所必须经过的几个点(在ARC/INFO中用站点表示)及指定站点的访问顺序,ARC/INFO会按用户指定的条件(如行程时间最短、路程最短等)为用户寻找出一条最优路径。

　　5.2.1 数据的转换

　　进行路径分析等网络分析时,需将已有的数据需转化为ARC/INFO所特有的网络数据模型。网络数据模型采用节点—连线的数据结构,需将路径分析的起讫点、路线经过的桥梁等转化为相应的节点—连线数据结构。

　　路线分析的起讫点在ARC/INFO中用站点(Stops)表示,起讫点的属性信息可存放在站点属性表中,用户可通过鼠标在数字化图上任意点取点位来定义起讫点。

　　在路线的选择中,桥梁可视为点状层。相应地在ARC/INFO的路径分析中,桥梁应定义为节点(或站点),重车可在所有桥梁间选择适合通过的桥梁,并生成最佳路线。

　　表2连线阻抗表

　　5.2.2 属性数据调查

　　在路径分析中需调查的属性数据很多,如起讫点、路线现状、交通量、交叉情况、桥梁状况等,这里主要介绍立交桥有关数据的调查。立交桥的属性数据根据本文第4章所介绍的数据项进行采集,主要采集匝道(含主桥)的现状,由此得出路线分析时立交桥的阻抗、转向等数据,从而为路线的选择提供决策数据。

　　5.2.3路径分析的实现

　　以重车过桥路径分析为例简单介绍路径分析的实现。

　　系统根据重车对桥梁荷载的需求,如挂车—120、特—汽300等,在已有数据(包括桥梁承载能力、已有重车路线等)中采用相应的路径分析算法寻找出一条合适的路线。我们也可通过指定路径所必须访问的站点,经网络分析模块进行分析后,可给出相应的最佳路线(如行程时间最短、路程最短等)。

　　在路径分析中,用户也可通过指定一系列路径分析所不能通过的点(如立交桥并不互通或匝道正在进行维修等)从而实现限制路径选择的目的,则所有通过该节点进行连接的路线皆被禁止,系统会绕过该点。

　　6 结语

　　随着计算机图形学和空间地理信息技术的发展,以及三维GIS技术的日益兴起,如何给立交建立一个更加直观和贴切的科学模型,是一个值得探讨的课题。立交桥作为公路设施中一个不可或缺的部分,使得研究立交桥不仅仅停留在设施管理,同时在交通控制、紧急救援等相关城市基础设施课题中都有着非常重要的现实意义。