基于GIS技术浅谈季冻区地面管理体系的设计与实现
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
自上世纪90年代以来，随着我国经济的快速发展，交通基础设施建设规模实现了快速增长，至2021年底，我国公路里程总量达到410.64万公里。目前我国已经形成了以高速公路、一级公路和二级公路为骨干道路、高速便利、互相畅通的道路网。各等级公路为人们的生活、出行以及国家的经济建设和发展带来了极大地便利。但是随着交通量的逐年增长，在车辆荷载、自然环境因素以及人为破坏等综合因素作用下，随着时间的推移，路面出现一系列的道路病害，如车辙、裂缝以及表面抗滑性能急剧降低等。这些病害最终导致道路使用年限降低，影响交通运输综合效益的发挥。因此，对于公路养护管理部门来说，保持公路舒适畅通运行至关重要。当公路建设完成后，进行科学及时的养护和预防能够有效延长公路使用年限。实践告诉我们，只注重公路的建设质量而不重视养护的这一观念是不科学的。公路养护资金投入具有一定限度，所以如何将资金科学地分配到最需要维护的路段，具有重要实际意义。近年来，越来越多的关注集中到公路维修养护上。公路的建设成果越显著，之后的养护管理就越发重要。发达国家的经验教训提醒我们，大规模的公路建设之后的维护更加值得我们关注。截至 2021 年底，我国的公路养护里程占总里程的96.9%，为 398.04 万公里。图 1.1 为 2002-2021 年公路里程及养护里程对应关系。从图中可以明显看出，近几年需要养护的公路里程增加的速度已超过了公路建设速度。这表明，人们已经加强了对如何养护公路、如何在公路建设完成后更好保持其安全舒适地运营等问题的关注。早期已建成的高速公路，由于存在赶工期或者施工质量等问题，一些公路的养护问题已经凸显出来。随着我国公路建设的不断进行，公路的养护、维修、改建等问题更值得公路管理部门去解决。
实践表明，路面管理系统对于公路养护具有重要的实际意义。国内外在这方面进行了一系列研究，已由最初的项目级养护管理系统逐渐发展到网级养护管理系统。由于地理信息系统（Geographic Information System，GIS）的广泛应用，目前各国各地区的管理系统都是基于 GIS 平台建立起来的。这些系统或多或少都存在一些不足之处，有的不具科学性、有的考虑因素单一、有的则是对路面使用性能评价模型以及决策模型的选用还有待进一步改进。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外路面管理系统的研究现状
路面管理这个概念最早可追溯至上个世纪六十年代的加拿大。最早的路面管理系统本质上属于一个设计系统，旨在消除公路路面、线形等一些道路网建设中存在的缺陷。上世纪60年代，美国的州公路与运输工作者协会（AASHTO）提出了各个州之间合作计划，目的是在路面设计相关领域有所突破。当时，在路面设计中引入了相关的系统分析方法，这成为道路养护管理系统研究的开端。
70 年代，在运筹学和系统工程学的理论支撑下，美国德克萨斯大学汉德森教授等人对路面管理系统（Pavement Management System，PMS）进行了研究和开发。之后加拿大和美国的一些地区结合自身环境陆续地建立了相应的路面管理系统。美国的路面管理系统以及相关工作得到了国家很高的重视。
20 世纪 80 年代初，在美国联邦公路管理局（FHWA）出版的《Proceeding》一书中，详细地介绍了路面管理系统的研发以及在应用中的13个具体步骤。随后几年，美国约有35 个州基本建成了各自的路面管理系统。90 年代初期，美国所有州都已建成和实施了某种路面管理系统。
1996 年，美国联邦公路管理局和美国的州公路与运输工作者协会的联合研究表明：对已建成的公路的养护维修要比设计、修建新的公路更为复杂，合理的决策对于养护中所需要的资金不足以及资源的调度分配显得尤其重要。在所开发的路面管理系统中较具代表性的有：
1、加拿大的安大略交通部路面管理系统 该系统的创新之处在于其系统数据的采集，通过专门检测车来全自动化或半自动化地采集数据，针对路面性能的技术要求和标准来建立评价体系，通过建立适用当地情况的大中修决策树，进行各路段的大中修分析，结合投资和性能的约束，最终确定可行方案。
2、美国德克萨斯大学针对中小城镇的路面状况而设计的城镇道路管理系统;，属于一个综合型路面管理系统，该系统提供了包括网级;和项目级;两个方面的设计管理模式，并实现了合理有效的计算机管理。
3、美国陆军工兵团所开发的 PAVER 系统，经过长期检测并积累得到的历史路面状况信息，通过对路况评价、预测，结合当前跟今后的养护需求，来确定最佳的养护对策和改建工作等。该系统建立的重要意义在于，系统中首次提到用扣分法来建立路面破损评价模型，这为以后的路面管理系统的开发提供了良好的评价模型基础，直到现在该系统扔得到许多国家广泛的应用。
第 2 章 GIS 与路面管理系统的理论
2.1 GIS 概述
2.1.1 GIS 的定义及其研究内容
地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是指在计算机软硬件系统支持下，对地球表层空间的关于地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。它是20世纪60年代初期发展起来的一门新兴学科。GIS管理、处理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题[27]。GIS成功将空间数据和属性数据相互结合，以数据可视化方式提供一种崭新的决策支持方法。
从学术与技术角度看，地理信息系统结合了计算机、系统工程、经济管理等多学科知识，属于跨学科技术系统。它主要涉及以下内容：
（1）关于的计算机硬、软件
（2）空间数据的获取及计算机输入
（3）空间数据模型及其数据表述
（4）属性数据的数据库存储及处理
（5）数据的共享、分析与应用
（6）数据的显示与视觉化
（7）地理信息系统的项目管理、开发、质量保证与标准化
（8）地理信息系统的机构设置与人员培训等
GIS 技术把地图这种与众不同的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。此能力使 GIS 与其他信息系统相区别，在广泛的公众和个人企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值。
2.1.2 GIS 的特点
地理信息系统异于一般信息系统的特点主要如下：
（1）GIS 既有属性数据库，也有空间数据库库，并能实现二者的双向查询，可进行可视化分析；（2）实用的图层控制技术，使得管理者根据自身的需求将不同的数据进行分层控制，使得数据查询更加快捷；（3）强大的空间分析功能，实现了图形的叠加功能，并能对图形进行拓扑分析；（4）灵活方便的数据输入；（5）方便的二次开发。以 GIS 专业软件为平台，可以利用C#、C++、Delphi等开发语言进行二次开发。
2.2 GIS 的数据
地理信息系统是建立在 GIS 数据模型之上，组成 GIS 的数据按其不同的特征、录入方式、存储形式及其表现方法的不同可分为属性数据（非地理数据）和空间数据（地理数据）。
属性数据又叫非地理数据，常用来表述那些与数据本身的地理变量等非几何方面信息，通常是在抽象定义、整理、度量计算等手段下获得的。属性数据又可分为静态数据和动态数据两种。首次采集输入之后，除特殊情况外能保持相对稳定的数据为静态数据，主要包括：道路名称、类型、特性、公路类型、路面种类、所属的行政区域等；动态数据则是随时间变化的数据，它必须根据情况定期进行更新。本文中涉及的动态数据为车辙、平整度指数、横向力系数、弯沉等。
空间数据是指那些用来表示空间实体大小、形状、位置、分布等特征的点、线、面数据对象。可以用其来描述来自现实世界的目标，它具有定位、定性、时间和空间关系等特征。定位是指在一个已知的几何坐标系里，空间目标的空间位置唯一确定；定性是指跟空间目标关于的属性，它依赖于空间目标的位置；时间是说明空间目标随着时间而变化；空间关系也称作拓扑关系，如：定义点线关系、线线关系、线面关系等。综上，空间数据是一种可以利用点、线、面以及实体等基本空间数据结构来表示人类赖以生存的自然世界的数据。不同的信息系统中的属性数据存在很大差异，甚至完全不同，也就是说，同是样点、线、面的空间数据，其对应的属性数据也会有所差别，甚至差别会很大。
第 3章 基于 GIS的季冻区路面管理系统的构建.............17
3.1 系统分析................. 17
3.2 系统设计........................ 18
第 4章 系统功能的确定...................25
4.1 路面使用性能评价模型的确定.................... 25
4.1.1 路面使用性能的定义................... 25
4.1.2 路面使用性能评价指标体系的确定...................... 25
第 5章 系统的工程应用....................45
5.1 概述........... 45
5.2 研究区电子地图的制作............. 45
5.3 系统界面................ 47
第 5 章 系统的工程应用
5.1 概述
本文所开发的系统目的在于对季冻区路面进行有效管理，为公路管理部门提供有力依据。为此选择黑龙江省已建成通车的两条高速公路为代表，结合具体的界面来说明本系统的各项功能。
5.2 研究区电子地图的制作
欲得到系统能够识别的电子地图，先要获取该区域电子地图的底图，然后利用ArcGIS的一个主应用程序ArcMap对其进行地图配准、矢量化，这样即可得到原始的地图数据。为方便对空间数据进行有效管理，GIS软件在处理空间数据时采用分层管理，即将不同要素、不同几何形状、不同类别、不同时间段的数据等分放在不同图层。在矢量化之前应制定详细的分层方案。通过对已有数据的分析，本系统最终确定将不同的指标因子建立在不同的图层上，以便于后续的评价、统计与分析等操作。经上述分析，得到本系统能够识别并对其进行相关操作的数字化后的电子地图，如图 5.1 所示。图中：MainRoad_FULL 为每 1m一段的高速公路路段，主要用于综合指标的评价、预测和统计分析；MainRoad_RD为每20m一段的高速公路路段，主要用于车辙深度（RD）的查询、评价、统计；MainRoad_IRI为每 100m 一段的高速公路路段，主要用于平整度指数（IRI）的查询、评价、统计；MainRoad_SFC 为每 20m 一段的高速公路路段，主要用于横向力度系数（SFC）的查询、评价、统计；MainRoad_FWD为每间隔 50m的高速公路桩点，主要用于弯沉值（FWD）的查询、评价、统计；image_14 为第十四级的瓦片数据拼接的电子地图，主要作为底图用。做好的数字化电子地图保存成GIS软件能够识别的 mxd文件。
第 6 章 结论与展望
6.1 结论
作为公路管理部门管理公路的有力工具，路面管理系统将计算机工程、道路工程、系统工程有机的结合到一起。随着 GIS 的广泛应用，将 GIS 应用到路面管理系统之中已成为一种必然趋势。本文在掌握已有检测数据的基础上，针对季冻区路面开展工作，主要研究了三个方面的问题，包括季冻区路面使用性能评价模型的确定、路面使用性能预测模型的选择和基于 GIS的可视化路面管理系统的实现。本文的主要研究成果如下：
1、总结了国内外路面管理系统的发展动态，分析了基于 GIS 路面管理系统的功能及优势。
2、根据路面病害的自动检测方法，确定了路面使用状况评价指标体系，将路面破损状况指数PCI、路面行驶质量指数RQI、路面结构强度指数PSSI 和路面抗滑性能指数SRI作为四个分项指标，将路面使用性能指数PQI 作为综合指标。
3、通过对多种路面使用性能评价方法的研究，最终确定了适用于季冻区的评价方法。并根据规范所给各分项指标权重的提议值，结合季冻区相关专家给出的两两指标的重要性区间，采用不确定型层次分析法重新确定了各指标的权重值，得到了适用于季冻区的路面使用性能评价模型，并编程实现了该数学算法。
4、通过对众多预测模型的对比，并结合现有数据特点，选择灰色系统预测模型中的GM（1，1）模型作为本文的路面使用性能进行预测模型，并编程实现了该数学算法。
5、以 ArcInfo 为平台，以 Microsoft Visual Studio 2021 为开发工具，选择面向对象的C#作为可视化的开发语言，完成了基于 GIS 的季冻区路面管理系统的开发，实现了 GIS系统的大部分功能。主要包括地图显示与操作、数据管理、数据查询、路况评价、预测、统计分析等，并将开发的系统应用到工程实例之中。
第 6 章 结论与展望
6.1 结论
作为公路管理部门管理公路的有力工具，路面管理系统将计算机工程、道路工程、系统工程有机的结合到一起。随着 GIS 的广泛应用，将 GIS 应用到路面管理系统之中已成为一种必然趋势。本文在掌握已有检测数据的基础上，针对季冻区路面开展工作，主要研究了三个方面的问题，包括季冻区路面使用性能评价模型的确定、路面使用性能预测模型的选择和基于 GIS的可视化路面管理系统的实现。本文的主要研究成果如下：
1、总结了国内外路面管理系统的发展动态，分析了基于 GIS 路面管理系统的功能及优势。
2、根据路面病害的自动检测方法，确定了路面使用状况评价指标体系，将路面破损状况指数PCI、路面行驶质量指数RQI、路面结构强度指数PSSI 和路面抗滑性能指数SRI作为四个分项指标，将路面使用性能指数PQI 作为综合指标。
3、通过对多种路面使用性能评价方法的研究，最终确定了适用于季冻区的评价方法。并根据规范所给各分项指标权重的提议值，结合季冻区相关专家给出的两两指标的重要性区间，采用不确定型层次分析法重新确定了各指标的权重值，得到了适用于季冻区的路面使用性能评价模型，并编程实现了该数学算法。
4、通过对众多预测模型的对比，并结合现有数据特点，选择灰色系统预测模型中的GM（1，1）模型作为本文的路面使用性能进行预测模型，并编程实现了该数学算法。
5、以 ArcInfo 为平台，以 Microsoft Visual Studio 2021 为开发工具，选择面向对象的C#作为可视化的开发语言，完成了基于 GIS 的季冻区路面管理系统的开发，实现了 GIS系统的大部分功能。主要包括地图显示与操作、数据管理、数据查询、路况评价、预测、统计分析等，并将开发的系统应用到工程实例之中。
6.2 展望
GIS 系统的研究与开发是一个庞大的工程，由于本人知识的欠缺、检测数据的匮乏，使得本文的研究工作只是个开始，系统也只实现了部分主要功能，还有待进一步完善：
1、本文开发的系统只实现了 GIS 的部分功能，并未涉及 GIS 提供的最佳路段选择、缓冲区分析、空间关系分析等功能，系统还有待于进一步优化。
2、现有的路面使用性能评价模型与预测模型各具优缺点，在这方面还需要进行研究，得到更加合理的评价与预测模型。
3、由于时间以及水平所限，本系统的功能还不够完善，未能实现养护决策模块。在今后的工作中，开发者可以在这方面做些研究，完成养护决策模块的开发工作。
4、本系统尚属于桌面版应用程序，GIS 现已向网络化方向发展，将本系统升级为网络版也是研究者接下来要进行的重要工作。
参考文献（略）