基于WebGIS的道路养护可视化系统的设计与开发

周红宇，冯 晓，周 卓，强 明

(1.重庆交通大学土木建筑工程学院，重庆400074;2.重庆市巴南区公路养护段，重庆401320;3.西安科技大学 测绘科学与技术学院，陕西 西安710054)

近年来我国公路建设迅猛发展，道路桥梁养护信息的利用与管理已成为经济基础发展的关键任务。为了准确快速的了解公路桥梁养护的信息，把有限的养护资金分配到最需要养护的路段上，科学准确的决策能力及其快速反应能力均提出越来越高的要求。而道路桥梁养护信息与空间位置有着密切的关系，地理信息系统又是处理空间信息的有效手段工具。WebGIS是GIS技术发展的最新趋势之一，是GIS技术和网络技术相结合的产物，是在Internet网络环境下的一种兼容、存储、分析、处理和显示，并应用空间地理信息技术的计算机信息系统［1－2］。对道路桥梁养护GIS应用能力有着极大的提高。

目前，在交通运输领域，WebGIS的理论研究和应用研究成果已有不少。赵军，等［3］采用ArcGIS与ArcGIS Server，较好地解决了地图缓存技术的问题;周云，等［4］基于 MapXtreme for NT 平台上，实现地理信息系统发布公路信息并进行可视化查询和分析;王峰，等［5］探讨了公路GIS开发中数据的处理与集成，实现了空间数据库集成制约的问题。笔者研究了基于WedGIS的道路养护可视化网络地理信息系统(WebGIS)平台架构及其关键技术的应用，提出了现阶段道路养护系统的不足，并给出了解决方法:传统的WebGIS在移植和升级方面比较困难，无法进行地理信息分布式处理的能力。运用分布对象计算即是面向对象技术向异构分布计算平台和客户/服务器环境的扩展和应用，解决了WEBGIS移植和升级困难;WebGIS服务器数据传输的负荷比较重，数据处理时间比较长。运用空间数据缓存技术在服务器端增加一个空间数据反向代理缓存与客户端缓存以及服务端缓存一起构成分布式的缓存结构，缓解了服务器传输负载比较重问题;客户端无法实现真正意义上的可视化表达，空间分析与查询数据表达不够清晰化。运用ArcGIS Server软件自带的控件，以及在.NET环境下开发的工具，进行空间查询、统计分析及可视化表达，并能生成各种比例尺的专题图;数据集成中空间数据、属性数据、图像数据一体化问题没有很好的解决。运用空间数据、属性数据、图形之间设置动态链接解决了数据一体化问题:数据模型不支持动态分段，不具有拓扑关系的数据结构和链接关系，在应用动态分段进行路径寻优时数据拓扑结构需要重建。运用空间数据引擎ArcSDE及Geodatabase数据模型解决了动态分段技术及拓扑数据重建问题。

1 系统结构

选择ArcGIS Server作为道路养护系统的开发平台。GIS的各种功能在服务器端支持多用户负载均衡并集中处理和实现。同时，ArcGIS Server是服务器管理器，用来管理和发布各种地理空间资源。GIS开发人员使用ArcGIS Server构建Web Services以及各种应用，通过B/S模式与服务器实现通信。图1所示，ArcGIS Server系统架构可以分为Web服务器、客户端、GIS服务器、数据库服务器。按功能和职责的不同，将系统划分为用户权限管理维护模块、数据采集模块、信息发布模块，如图2。

图1 ArcServer体系结构Fig.1 Structure of ArcServer system

图2 系统功能示意Fig.2 The system function schemes

1.1 用户权限管理及维护模块

权限设置3个级别，即系统管理员、系统操作员和一般操作员，没有授权的用户只能浏览与查询系统平台的信息，无法进行操作。系统管理员可以查阅系统运行日志、设置密码、进行系统维护、更改系统配置及数据更新等。系统操作员有权修改和编辑数据库的内容。一般的操作员只进行数据的录入、编辑、整理、输出等一般的功能。

1.2 数据服务模块

由GIS服务器、关系数据库(SQL)、ArcSDE组成。通过ArcSDE中间件技术，道路养护的空间数据和属性数据统一存储在关系数据库里，为信息发布模块和管理维护模块提供空间数据服务，起到桥梁的作用。同时GIS服务器可以调用ArcObjects的对象和接口，实现养护信息的查询、空间分析及统计。

1.3 信息发布模块

信息发布由Web服务器、浏览器、GIS服务器组成，采用B/S结构。GIS服务器负责属性数据查询、空间数据管理、空间数据查询、空间数据统计、空间分析、备份还原数据、专题地图的制作、数据库的更新。ArcObjects组件完成各种空间数据查询与分析，ArcSDE提供 sdeexport和 sdeimport管理工具命令，进行指定空间数据和属性数据对象的管理和备份。

2 设计与开发关键技术的实现

2.1 空间和属性数据组织

2.1.1 数据处理

矢量数据，和栅格数据相比，矢量数据便于空间检索、属性信息集成、显示精度高，占用的存储容量小等特点。但是，该类数据的组织与存储比栅格数据复杂。笔者对1∶5000的重庆市南岸区公路图扫描矢量化，采用中晶(Microtek)Filescan 1520专业型扫描仪将纸质地图扫描成栅格式图像，对栅格图像配准。用ARCGIS软件进行矢量化，在矢量化前首先要进行地图配准。地图采用西安80坐标系，坐标系采用高斯－克吕格投影，投影区选择3°，其中央子午线为105°，坐标系的椭球系数采用苏联的克拉索夫椭球。图像的配准需要精确的大地坐标特征点，系统使用GPS测量的大地坐标特征点，平均定位精度能够达到厘米级，满足系统设计要求。

根据需求分析，按照图层不同用途、类别以及制作专题图的需要将该公路图分为15个层:国道、省道、县道、乡道、桥梁、道班、铁路、县驻地、城镇市区、乡镇、村庄、河流、地区界、县界，居民地。同时标注出地物的属性。矢量地图如图3。

属性数据，根据专题地图的制作、数据查询、统计分析的需要，将属性数据大致分为:基本资料数据、检测数据数据、巡查资料数据和道路养护数据。

图3 矢量地图Fig.3 Vector Maps

2.1.2 数据的集成

空间数据库引擎SDE是中间件技术的一种，处于关系数据库管理系统和应用程序之间，它用关系数据库来管理和存储复杂的空间地理信息数据，并且支持空间关系运算和空间查询与分析等地理信息系统(Geographic Information System)功能，解决了应用程序与关系数据库之间的数据接口统一等问题。用户可以直接地访问空间地理数据信息，不存在数据存储位置、数据的格式、数据存储的方式和数据结构等一系列问题［6］。如图4所示的ArcSDE采用开放式C/S体系结构与客户端之间建立TCP/IP连接，客户端应用程序数据的请求被连接。客户端和服务器之间采用异步缓冲通信机制传输空间信息数据，支持多用户并发访问，提高网络传输效率。

Geodatabase采用标准关系数据库技术来表现地理信息的数据模型。本系统采用多用户Geodatabase，通过ArcSDE连接数据库平台。Geodatabase提供数据库管理系统在数据管理方面的优势，其数据模型使得物理数据模型与其逻辑数据模型更加接近，当进行特征处理时，期临近的特征也相应做出反应。支持空间动态分段技术、不同类型的数据源和完整的拓扑特征集，严格意义上实现了地理空间数据库。

图4 ArcSDE的体系结构Fig.4 ArcSDE system structure

2.1.3 空间动态分段技术

动态分段是计算沿路径发生的事件位置的过程。路径是一个线性要素，具有与其几何特征存储在一起的线性量测系统如公路、河流。事件是沿路径发生的线性参照数据如路面破损面积、沿公路线的交通事故。线性参照数据的位置是用偏离距离或与已知点的距离来表示，如里程标志参照，采用从里程起点沿公路确定里程点。动态分段过程将事件与路径联系起来，使得事件可以和其他地理参照数据一起显示和分析。要想将路径与线性参照事件数据一起使用，要设置路径的内置测量系统。Geodatabase数据模型将路径看成折线要素类，其几何值包括x，y，m，x和y值确定线要素的坐标系的位置，m值与路径的线性量测系统有关。通过线性量测系统，把事件和路径联系起来，在这一过程中无须将公路分割成路段，并允许不同类型的事件如路况、交通事故标绘在同一条公路上。事件可以是点事件或线性事件为了把事件和路径关联起，点必须有路径标识码、事件的位置及事件的属性，线必须有路径标识码、起止测度。从数据管理角度来看:动态分段可以用相同的线要素建立起不同的路径可以用公路数据库构建一个交通网络以满足交通建模需要，也可以用相同的公路数据库提供公路养护路段的划分。从数据显示角度来看:一旦事件表与路径联系起来，事件表就具有地理参照的特性，并能当作要素图层使用。对显示而言事件图层与河流等图层没有两样可以用点符号显示点事件，用线符号来显示线事件。从数据查询角度来看:可以对事件表及其相关的事件图层进行属性数据查询和空间数据查询。例如，我们可以查询一个点事件，来选择公路路径上近期大修的路段。属性查询可以显示在事件表中，也可以显示在事件图层中。要确定这些近期大修原因与过去是否具有相同的情况，可以执行空间查询，对近期一定范围的过去大修路段进行调查。从数据分析来看:路径和事件都可以作为数据分析的输入数据。例如，道路非人为损坏原因分析上，可以对路径安一定距离划分缓冲区，用缓冲区内的(如降雨量，汇水面积等)进行操作和分析。事件在转换成图层后可以像任何点图层或者线图层一样进行分析。数据分析可以在两个事件图层之间进行，这样可以分析公路路径上道路损坏和交通量的关系。图5为限速事件表在道路网作为参考路径下的可视化图，图中不同的路线宽度反应不同的行车速速。

图5 道路网行车道限速Fig.5 Road network traffic speed diagram

2.1.4 空间数据动态关联

系统的属性数据库和空间数据库之间是动态关联，用户在调用与查询图形信息时，利用关系数据库与图形库之间的动态连接，与之相连的关系数据库中的内容可直接查询到，地理空间的相关信息动态的查询到。用户也可在可视化界面上直接操作道路图形数据，能获得全面的信息，包括图元的属性信息和空间信息，进行空间查询、分析、统计和专题制作分析［7］。即由图到属性:当用户点击目标地物或者图层时，系统输出动作指令，并将图元找到，数据库服务器中调出属性数据，服务器发出响应，客户端界面显示出选中图元的属性数据。由属性信息到几何图形:在客户端按条件将属性数据输入，其中属性数据可以是SQL查询条件，或者是交互地选择字段和条件值进行精确的定位查询或者模糊定位查询。输出内容用表格和图形同时表达出来，数据与几何图形可是实时动态交互，还可以设置表格的输出格式和颜色，使客户端更加形象化。窗口右上角的道路信息即为高亮显示的路线，如图6。

图6 数据动态关联示意Fig.6 Schemes of dynamic connection data

2.2 空间数据缓存技术

目前，较为常见的空间数据缓存技术主要问题为服务器端的效率降低、负担较重、无法直接存储空间对象、客户端缓存中的信息不能被其他用户共享，无法满足道路养护部门的应用。而在服务器端设置空间数据反向代理缓存，这样客户端缓存、服务端缓存构成分布式的缓存结构体系，充分发挥客户端与服务器缓存节点，从整体上提高了整个系统的性能。图7为空间数据信息分布式缓存体系的工作流程。

图7 空间数据分布式缓存体系工作流程Fig.7 Work flow of WebGIS spatial data distributed cache system

首先在客户端根据操作发送请求并检查本地缓存信息，空间数据有与之像匹配的，则直接返回;否则客户端向服务器端发送信息请求。服务器端存在服务端缓存和反向代理缓存。服务器收到请求信息后，首先检查空间数据信息在反向代理缓存中是否有符合，如果服务器端存在匹配数据，直接把数据返回到客户端;否则，将数据信息发送给应用服务器，应用服务器同样的方法判断，决定是否向空间数据库请求数据，空间数据被服务器获得后，直接把数据发送到客户端，并在对应的缓存中保存数据请求的副本［8］。

2.3 空间数据的多尺度处理及表达

当图层放大比例较小时，数据量大，客户显示区不可能详尽地表征所有的数据，而且有些区域可能涂成一团，造成显示区混乱。采用由主及次的策略可以比较清晰地表达显示逻辑，也可提高系统速度比如，系统最初只装载主干公路、河流、随着放大比例的不断扩大，逐渐加入县乡道、支流、乡镇一级。

空间要素以其位置和属性为特征，为了在道路养护地图上表示空间要素，要用地图符号表示该要素的位置并用该符号与一个或一组视觉变量的组合来显示该要素的属性数据。例如用红色粗线代表高速公路，而用黑色细线代表省级公路。现状符号均代表公路的位置，而线的宽度和色彩这两种视觉变量与现状符号一起，高速公路与省级公路区分开来。数据显示的可视化变量包括色调、明度、彩度大小、纹理、形状、和图案。变量的选择取决于数据类型［9］。

3 结论

在Visual Studio2005.NET集成的环境下，开发了道路养护信息可视化地理信息系统平台。服务器操作系统为Windows xp，Web服务器为IIS5.1，数据库服务器为SQL Server 2005，GIS服务器采用ARCGIS SERVER9.3，平台已经应用于重庆市巴南区城市公路的养护实验系统中。系统界面如图8，查询结果如图9。系统的功能由 ArcGIS Server的 ServerAPI、ASP.NET、.NET ADF在.NET环境下开发，实现基于浏览器的空间分析统计、动态交互式显示、查询、等功能。由于开发周期短等各方面因素的影响，在系统开发过程中页面的设计、工程进度流程的显示及一些具体功能也还不尽完善。以及如何最大程度的挖掘ArcGIS Server在道路养护系统上开发潜力，开发出专家系统，使现有的系统更加完备和方便用户使用是下一步的工作目标。

图8 系统客户端界面Fig.8 The system client interface

图9 点查询结果Fig.9 The results of inquires

［1］Peng Z，Douglas D.An Internet-based GIS data access system［J］.Journal of Urban and Regional Systems，1997，22(1):20.

［2］陈述彭，鲁学成，周成虎.地理信息系统导论［M］.北京:科学出版社，2000.

［3］赵军，王群.基于ArcGIS Server的综合管线信息发布平台［J］.计算机应用，2009，29(增刊2):138 －140.Zhao Jun，Wang Qun.Integrated pipeline information release platform based on ArcGIS server［J］.Computer Application，2009，29(supp2):138－140.

［4］周云，钟燕辉，乐金朝.基于MapXtreme的公路WebGIS应用技术研究［J］.公路交通科技，2003，20(2):92 －95.Zhou Yun，Zhong Yanhui，Yue Jinchao.Research on road Web-GIS application technology based on MapXtreme［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2003，20(2):92－95.

［5］王峰，程效军，童小华.公路 GIS开发中数据的处理与集成［J］.武汉理工大学学报:交通科学与工程版，2008，32(3):397－400.Wang Feng，Cheng Xiaojun，Tong Xiaohua.Processing and integration during highway GIS development［J］.Journal of Wuhan U-niversity of Technology:Transportation Science ＆ Engineering，2008，32(3):397－400.

［6］李滨，王青山，冯猛.空间数据库引擎关键技术剖析［J］.测绘学院学报，2003，20(1):35 －38.Li Bin，Wang Qingshan，Feng Meng.The anatomy of the pivotal technology in spatial database engine［J］.Journal of Institute of Surveying and Mapping，2003，20(1):35－38.

［7］王淑莹，马勇，王晓莲，等.GIS在城市给水排水管网信息管理系统中的应用［J］.哈尔滨工业大学学报，2005，37(1):123－126.Wang Shuying，Ma Yong，Wang Xiaolian，et al.Application of GIS to water and wastewater pipelines information management system［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2005，37(1):123－126.

［8］李浩松，朱欣焰，李京伟，等.WebGIS空间数据分布式缓存技术研究［J］.武汉大学学报:信息科学版，2005，30(12):1092－1095.Li Haosong，Zhu Xinyan，Li Jingwei，et al.Research on spatial data distributed cache technology in WebGIS［J］.Geomatice and Information Science of Wuhan University，2005，30(12):1092－1095.

［9］陈莉，何兆益，乔墩.重庆市农村公路养护管理研究［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2008，27(3):433－436.Chen Li，He Zhaoyi，Qiao Dun.Research on maintenance management of rural road in Chongqing［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2008，27(3):433 －436.