周紅宇，馮 曉，周 卓，強 明

(1.重慶交通大學土木建筑工程學院，重慶400074;2.重慶市巴南區(qū)公路養(yǎng)護段，重慶401320;3.西安科技大學 測繪科學與技術學院，陜西 西安710054)

近年來我國公路建設迅猛發(fā)展，道路橋梁養(yǎng)護信息的利用與管理已成為經(jīng)濟基礎發(fā)展的關鍵任務。為了準確快速的了解公路橋梁養(yǎng)護的信息，把有限的養(yǎng)護資金分配到最需要養(yǎng)護的路段上，科學準確的決策能力及其快速反應能力均提出越來越高的要求。而道路橋梁養(yǎng)護信息與空間位置有著密切的關系，地理信息系統(tǒng)又是處理空間信息的有效手段工具。WebGIS是GIS技術發(fā)展的最新趨勢之一，是GIS技術和網(wǎng)絡技術相結(jié)合的產(chǎn)物，是在Internet網(wǎng)絡環(huán)境下的一種兼容、存儲、分析、處理和顯示，并應用空間地理信息技術的計算機信息系統(tǒng)［1－2］。對道路橋梁養(yǎng)護GIS應用能力有著極大的提高。

目前，在交通運輸領域，WebGIS的理論研究和應用研究成果已有不少。趙軍，等［3］采用ArcGIS與ArcGIS Server，較好地解決了地圖緩存技術的問題;周云，等［4］基于 MapXtreme for NT 平臺上，實現(xiàn)地理信息系統(tǒng)發(fā)布公路信息并進行可視化查詢和分析;王峰，等［5］探討了公路GIS開發(fā)中數(shù)據(jù)的處理與集成，實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)庫集成制約的問題。筆者研究了基于WedGIS的道路養(yǎng)護可視化網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)(WebGIS)平臺架構及其關鍵技術的應用，提出了現(xiàn)階段道路養(yǎng)護系統(tǒng)的不足，并給出了解決方法:傳統(tǒng)的WebGIS在移植和升級方面比較困難，無法進行地理信息分布式處理的能力。運用分布對象計算即是面向?qū)ο蠹夹g向異構分布計算平臺和客戶/服務器環(huán)境的擴展和應用，解決了WEBGIS移植和升級困難;WebGIS服務器數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢摵杀容^重，數(shù)據(jù)處理時間比較長。運用空間數(shù)據(jù)緩存技術在服務器端增加一個空間數(shù)據(jù)反向代理緩存與客戶端緩存以及服務端緩存一起構成分布式的緩存結(jié)構，緩解了服務器傳輸負載比較重問題;客戶端無法實現(xiàn)真正意義上的可視化表達，空間分析與查詢數(shù)據(jù)表達不夠清晰化。運用ArcGIS Server軟件自帶的控件，以及在.NET環(huán)境下開發(fā)的工具，進行空間查詢、統(tǒng)計分析及可視化表達，并能生成各種比例尺的專題圖;數(shù)據(jù)集成中空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)一體化問題沒有很好的解決。運用空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、圖形之間設置動態(tài)鏈接解決了數(shù)據(jù)一體化問題:數(shù)據(jù)模型不支持動態(tài)分段，不具有拓撲關系的數(shù)據(jù)結(jié)構和鏈接關系，在應用動態(tài)分段進行路徑尋優(yōu)時數(shù)據(jù)拓撲結(jié)構需要重建。運用空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE及Geodatabase數(shù)據(jù)模型解決了動態(tài)分段技術及拓撲數(shù)據(jù)重建問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構

選擇ArcGIS Server作為道路養(yǎng)護系統(tǒng)的開發(fā)平臺。GIS的各種功能在服務器端支持多用戶負載均衡并集中處理和實現(xiàn)。同時，ArcGIS Server是服務器管理器，用來管理和發(fā)布各種地理空間資源。GIS開發(fā)人員使用ArcGIS Server構建Web Services以及各種應用，通過B/S模式與服務器實現(xiàn)通信。圖1所示，ArcGIS Server系統(tǒng)架構可以分為Web服務器、客戶端、GIS服務器、數(shù)據(jù)庫服務器。按功能和職責的不同，將系統(tǒng)劃分為用戶權限管理維護模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、信息發(fā)布模塊，如圖2。

圖1 ArcServer體系結(jié)構Fig.1 Structure of ArcServer system

圖2 系統(tǒng)功能示意Fig.2 The system function schemes

1.1 用戶權限管理及維護模塊

權限設置3個級別，即系統(tǒng)管理員、系統(tǒng)操作員和一般操作員，沒有授權的用戶只能瀏覽與查詢系統(tǒng)平臺的信息，無法進行操作。系統(tǒng)管理員可以查閱系統(tǒng)運行日志、設置密碼、進行系統(tǒng)維護、更改系統(tǒng)配置及數(shù)據(jù)更新等。系統(tǒng)操作員有權修改和編輯數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容。一般的操作員只進行數(shù)據(jù)的錄入、編輯、整理、輸出等一般的功能。

1.2 數(shù)據(jù)服務模塊

由GIS服務器、關系數(shù)據(jù)庫(SQL)、ArcSDE組成。通過ArcSDE中間件技術，道路養(yǎng)護的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲在關系數(shù)據(jù)庫里，為信息發(fā)布模塊和管理維護模塊提供空間數(shù)據(jù)服務，起到橋梁的作用。同時GIS服務器可以調(diào)用ArcObjects的對象和接口，實現(xiàn)養(yǎng)護信息的查詢、空間分析及統(tǒng)計。

1.3 信息發(fā)布模塊

信息發(fā)布由Web服務器、瀏覽器、GIS服務器組成，采用B/S結(jié)構。GIS服務器負責屬性數(shù)據(jù)查詢、空間數(shù)據(jù)管理、空間數(shù)據(jù)查詢、空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計、空間分析、備份還原數(shù)據(jù)、專題地圖的制作、數(shù)據(jù)庫的更新。ArcObjects組件完成各種空間數(shù)據(jù)查詢與分析，ArcSDE提供 sdeexport和 sdeimport管理工具命令，進行指定空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)對象的管理和備份。

2 設計與開發(fā)關鍵技術的實現(xiàn)

2.1 空間和屬性數(shù)據(jù)組織

2.1.1 數(shù)據(jù)處理

矢量數(shù)據(jù)，和柵格數(shù)據(jù)相比，矢量數(shù)據(jù)便于空間檢索、屬性信息集成、顯示精度高，占用的存儲容量小等特點。但是，該類數(shù)據(jù)的組織與存儲比柵格數(shù)據(jù)復雜。筆者對1∶5000的重慶市南岸區(qū)公路圖掃描矢量化，采用中晶(Microtek)Filescan 1520專業(yè)型掃描儀將紙質(zhì)地圖掃描成柵格式圖像，對柵格圖像配準。用ARCGIS軟件進行矢量化，在矢量化前首先要進行地圖配準。地圖采用西安80坐標系，坐標系采用高斯－克呂格投影，投影區(qū)選擇3°，其中央子午線為105°，坐標系的橢球系數(shù)采用蘇聯(lián)的克拉索夫橢球。圖像的配準需要精確的大地坐標特征點，系統(tǒng)使用GPS測量的大地坐標特征點，平均定位精度能夠達到厘米級，滿足系統(tǒng)設計要求。

根據(jù)需求分析，按照圖層不同用途、類別以及制作專題圖的需要將該公路圖分為15個層:國道、省道、縣道、鄉(xiāng)道、橋梁、道班、鐵路、縣駐地、城鎮(zhèn)市區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊、河流、地區(qū)界、縣界，居民地。同時標注出地物的屬性。矢量地圖如圖3。

屬性數(shù)據(jù)，根據(jù)專題地圖的制作、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計分析的需要，將屬性數(shù)據(jù)大致分為:基本資料數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)、巡查資料數(shù)據(jù)和道路養(yǎng)護數(shù)據(jù)。

圖3 矢量地圖Fig.3 Vector Maps

2.1.2 數(shù)據(jù)的集成

空間數(shù)據(jù)庫引擎SDE是中間件技術的一種，處于關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和應用程序之間，它用關系數(shù)據(jù)庫來管理和存儲復雜的空間地理信息數(shù)據(jù)，并且支持空間關系運算和空間查詢與分析等地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System)功能，解決了應用程序與關系數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)接口統(tǒng)一等問題。用戶可以直接地訪問空間地理數(shù)據(jù)信息，不存在數(shù)據(jù)存儲位置、數(shù)據(jù)的格式、數(shù)據(jù)存儲的方式和數(shù)據(jù)結(jié)構等一系列問題［6］。如圖4所示的ArcSDE采用開放式C/S體系結(jié)構與客戶端之間建立TCP/IP連接，客戶端應用程序數(shù)據(jù)的請求被連接?？蛻舳撕头掌髦g采用異步緩沖通信機制傳輸空間信息數(shù)據(jù)，支持多用戶并發(fā)訪問，提高網(wǎng)絡傳輸效率。

Geodatabase采用標準關系數(shù)據(jù)庫技術來表現(xiàn)地理信息的數(shù)據(jù)模型。本系統(tǒng)采用多用戶Geodatabase，通過ArcSDE連接數(shù)據(jù)庫平臺。Geodatabase提供數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)管理方面的優(yōu)勢，其數(shù)據(jù)模型使得物理數(shù)據(jù)模型與其邏輯數(shù)據(jù)模型更加接近，當進行特征處理時，期臨近的特征也相應做出反應。支持空間動態(tài)分段技術、不同類型的數(shù)據(jù)源和完整的拓撲特征集，嚴格意義上實現(xiàn)了地理空間數(shù)據(jù)庫。

圖4 ArcSDE的體系結(jié)構Fig.4 ArcSDE system structure

2.1.3 空間動態(tài)分段技術

動態(tài)分段是計算沿路徑發(fā)生的事件位置的過程。路徑是一個線性要素，具有與其幾何特征存儲在一起的線性量測系統(tǒng)如公路、河流。事件是沿路徑發(fā)生的線性參照數(shù)據(jù)如路面破損面積、沿公路線的交通事故。線性參照數(shù)據(jù)的位置是用偏離距離或與已知點的距離來表示，如里程標志參照，采用從里程起點沿公路確定里程點。動態(tài)分段過程將事件與路徑聯(lián)系起來，使得事件可以和其他地理參照數(shù)據(jù)一起顯示和分析。要想將路徑與線性參照事件數(shù)據(jù)一起使用，要設置路徑的內(nèi)置測量系統(tǒng)。Geodatabase數(shù)據(jù)模型將路徑看成折線要素類，其幾何值包括x，y，m，x和y值確定線要素的坐標系的位置，m值與路徑的線性量測系統(tǒng)有關。通過線性量測系統(tǒng)，把事件和路徑聯(lián)系起來，在這一過程中無須將公路分割成路段，并允許不同類型的事件如路況、交通事故標繪在同一條公路上。事件可以是點事件或線性事件為了把事件和路徑關聯(lián)起，點必須有路徑標識碼、事件的位置及事件的屬性，線必須有路徑標識碼、起止測度。從數(shù)據(jù)管理角度來看:動態(tài)分段可以用相同的線要素建立起不同的路徑可以用公路數(shù)據(jù)庫構建一個交通網(wǎng)絡以滿足交通建模需要，也可以用相同的公路數(shù)據(jù)庫提供公路養(yǎng)護路段的劃分。從數(shù)據(jù)顯示角度來看:一旦事件表與路徑聯(lián)系起來，事件表就具有地理參照的特性，并能當作要素圖層使用。對顯示而言事件圖層與河流等圖層沒有兩樣可以用點符號顯示點事件，用線符號來顯示線事件。從數(shù)據(jù)查詢角度來看:可以對事件表及其相關的事件圖層進行屬性數(shù)據(jù)查詢和空間數(shù)據(jù)查詢。例如，我們可以查詢一個點事件，來選擇公路路徑上近期大修的路段。屬性查詢可以顯示在事件表中，也可以顯示在事件圖層中。要確定這些近期大修原因與過去是否具有相同的情況，可以執(zhí)行空間查詢，對近期一定范圍的過去大修路段進行調(diào)查。從數(shù)據(jù)分析來看:路徑和事件都可以作為數(shù)據(jù)分析的輸入數(shù)據(jù)。例如，道路非人為損壞原因分析上，可以對路徑安一定距離劃分緩沖區(qū)，用緩沖區(qū)內(nèi)的(如降雨量，匯水面積等)進行操作和分析。事件在轉(zhuǎn)換成圖層后可以像任何點圖層或者線圖層一樣進行分析。數(shù)據(jù)分析可以在兩個事件圖層之間進行，這樣可以分析公路路徑上道路損壞和交通量的關系。圖5為限速事件表在道路網(wǎng)作為參考路徑下的可視化圖，圖中不同的路線寬度反應不同的行車速速。

圖5 道路網(wǎng)行車道限速Fig.5 Road network traffic speed diagram

2.1.4 空間數(shù)據(jù)動態(tài)關聯(lián)

系統(tǒng)的屬性數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫之間是動態(tài)關聯(lián)，用戶在調(diào)用與查詢圖形信息時，利用關系數(shù)據(jù)庫與圖形庫之間的動態(tài)連接，與之相連的關系數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容可直接查詢到，地理空間的相關信息動態(tài)的查詢到。用戶也可在可視化界面上直接操作道路圖形數(shù)據(jù)，能獲得全面的信息，包括圖元的屬性信息和空間信息，進行空間查詢、分析、統(tǒng)計和專題制作分析［7］。即由圖到屬性:當用戶點擊目標地物或者圖層時，系統(tǒng)輸出動作指令，并將圖元找到，數(shù)據(jù)庫服務器中調(diào)出屬性數(shù)據(jù)，服務器發(fā)出響應，客戶端界面顯示出選中圖元的屬性數(shù)據(jù)。由屬性信息到幾何圖形:在客戶端按條件將屬性數(shù)據(jù)輸入，其中屬性數(shù)據(jù)可以是SQL查詢條件，或者是交互地選擇字段和條件值進行精確的定位查詢或者模糊定位查詢。輸出內(nèi)容用表格和圖形同時表達出來，數(shù)據(jù)與幾何圖形可是實時動態(tài)交互，還可以設置表格的輸出格式和顏色，使客戶端更加形象化。窗口右上角的道路信息即為高亮顯示的路線，如圖6。

圖6 數(shù)據(jù)動態(tài)關聯(lián)示意Fig.6 Schemes of dynamic connection data

2.2 空間數(shù)據(jù)緩存技術

目前，較為常見的空間數(shù)據(jù)緩存技術主要問題為服務器端的效率降低、負擔較重、無法直接存儲空間對象、客戶端緩存中的信息不能被其他用戶共享，無法滿足道路養(yǎng)護部門的應用。而在服務器端設置空間數(shù)據(jù)反向代理緩存，這樣客戶端緩存、服務端緩存構成分布式的緩存結(jié)構體系，充分發(fā)揮客戶端與服務器緩存節(jié)點，從整體上提高了整個系統(tǒng)的性能。圖7為空間數(shù)據(jù)信息分布式緩存體系的工作流程。

圖7 空間數(shù)據(jù)分布式緩存體系工作流程Fig.7 Work flow of WebGIS spatial data distributed cache system

首先在客戶端根據(jù)操作發(fā)送請求并檢查本地緩存信息，空間數(shù)據(jù)有與之像匹配的，則直接返回;否則客戶端向服務器端發(fā)送信息請求。服務器端存在服務端緩存和反向代理緩存。服務器收到請求信息后，首先檢查空間數(shù)據(jù)信息在反向代理緩存中是否有符合，如果服務器端存在匹配數(shù)據(jù)，直接把數(shù)據(jù)返回到客戶端;否則，將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給應用服務器，應用服務器同樣的方法判斷，決定是否向空間數(shù)據(jù)庫請求數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)被服務器獲得后，直接把數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端，并在對應的緩存中保存數(shù)據(jù)請求的副本［8］。

2.3 空間數(shù)據(jù)的多尺度處理及表達

當圖層放大比例較小時，數(shù)據(jù)量大，客戶顯示區(qū)不可能詳盡地表征所有的數(shù)據(jù)，而且有些區(qū)域可能涂成一團，造成顯示區(qū)混亂。采用由主及次的策略可以比較清晰地表達顯示邏輯，也可提高系統(tǒng)速度比如，系統(tǒng)最初只裝載主干公路、河流、隨著放大比例的不斷擴大，逐漸加入縣鄉(xiāng)道、支流、鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級。

空間要素以其位置和屬性為特征，為了在道路養(yǎng)護地圖上表示空間要素，要用地圖符號表示該要素的位置并用該符號與一個或一組視覺變量的組合來顯示該要素的屬性數(shù)據(jù)。例如用紅色粗線代表高速公路，而用黑色細線代表省級公路?，F(xiàn)狀符號均代表公路的位置，而線的寬度和色彩這兩種視覺變量與現(xiàn)狀符號一起，高速公路與省級公路區(qū)分開來。數(shù)據(jù)顯示的可視化變量包括色調(diào)、明度、彩度大小、紋理、形狀、和圖案。變量的選擇取決于數(shù)據(jù)類型［9］。

3 結(jié)論

在Visual Studio2005.NET集成的環(huán)境下，開發(fā)了道路養(yǎng)護信息可視化地理信息系統(tǒng)平臺。服務器操作系統(tǒng)為Windows xp，Web服務器為IIS5.1，數(shù)據(jù)庫服務器為SQL Server 2005，GIS服務器采用ARCGIS SERVER9.3，平臺已經(jīng)應用于重慶市巴南區(qū)城市公路的養(yǎng)護實驗系統(tǒng)中。系統(tǒng)界面如圖8，查詢結(jié)果如圖9。系統(tǒng)的功能由 ArcGIS Server的 ServerAPI、ASP.NET、.NET ADF在.NET環(huán)境下開發(fā)，實現(xiàn)基于瀏覽器的空間分析統(tǒng)計、動態(tài)交互式顯示、查詢、等功能。由于開發(fā)周期短等各方面因素的影響，在系統(tǒng)開發(fā)過程中頁面的設計、工程進度流程的顯示及一些具體功能也還不盡完善。以及如何最大程度的挖掘ArcGIS Server在道路養(yǎng)護系統(tǒng)上開發(fā)潛力，開發(fā)出專家系統(tǒng)，使現(xiàn)有的系統(tǒng)更加完備和方便用戶使用是下一步的工作目標。

圖8 系統(tǒng)客戶端界面Fig.8 The system client interface

圖9 點查詢結(jié)果Fig.9 The results of inquires

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