基于GIS和EBS的公路基础设施调查系统构建与应用.pdf

交通世界TRANSPOWORLD收稿日期：2023-05-10基金项目：交通运输部交通运输行业重点科技项目（2020-MS5-145）；四川省公路院自立科研项目（XXHXM-2021-10）第一作者：汪军（1981），男，四川邛崃人，高级工程师，研究方向为公路工程数字化与BIM技术应用。通信作者：饶舰（1992），男，四川仪陇人，工程师，研究方向为公路工程数字化与BIM技术应用。基于GIS和EBS的公路基础设施调查系统构建与应用汪军，饶舰，沈国焱，杨洁，宋路兵（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610041）摘要：为解决公路基础设施调查管理数据采集困难和EBS创建不规范等问题，实现公路基础设施调查与管理的数字化，采用调查业务研究、应用功能分析、关键技术论证等方法研究公路基础设施数据采集与管理，基于 GIS及Mobile GIS、EBS分解与编码、BDS高精度定位、多源数据融合等关键技术，分析公路基础设施调查数字化应用需求，构建基于GIS和EBS的公路基础设施调查系统，改变传统设施调查数据采集方式，实现公路基础设施调查数字化管理。关键词：公路基础设施；调查系统；数字化；GIS；EBS中图分类号：U495；TP399文献标识码：A0 引言公路行业正处于快速高质量发展阶段，公路基础设施数量持续增长，截至2021年末，全国公路总里程达到528.07万公里，其中公路桥梁96.11万座，公路隧道 23 268 处1。虽然建筑信息模型（Building Information Modeling,BIM）、地理信息系统（Geographic Information System,GIS）以及大数据、物联网等新一代信息技术与公路建设管养的融合应用持续发展，但要达到深度应用仍需较长时间2，目前交通基础设施数据基础依然相对薄弱，应用协同性不强，数字化率不高3-4。2021年发布的国家综合立体交通网规划纲要指出，到2035年，交通基础设施数字化率要达到90%5，公路作为最基础、最广泛的交通基础设施，其数字化建设任务艰巨。关于自然资源、工程设施等相关领域的调查系统的研究、开发与应用，目前已取得了部分研究成果。如王文杰研究了基于WebGIS的自然资源调查系统建设与应用，实现土地、森林、矿产等自然资源的一体化调查6；相诗尧等人为改进公路勘察设计外业调查方式，通过软硬件开发，研制了公路勘察设计全景影像外业调查系统，系统可以获取外业调查点处的全景影像、属性信息、视频、音频、手绘图等多类数据7；耿靖杰等人研究基于三维激光设备的路面轮廓调查系统，实现道路路面图像信息和三维信息采集8。相关研究对于资源或设施的数字化管理有一定意义，但是目前较少有关于公路基础设施结构属性信息尤其是EBS创建的相关调查系统的研究与开发应用，为此，本文将针对这一方向进行研究，构建基于GIS和EBS的公路基础设施调查系统（简称调查系统），应用于设施调查和数字化管理。1 系统构建1.1 系统架构根据设施调查业务需求和开发条件，系统采用B/S架构并开发包括 Web 端和移动端应用，基于 Java 的Web应用开发技术，结合GIS引擎，在JetBrains IntelliJIDEA集成开发环境下采用Java语言开发，应用的技术栈包括 SpringCloud+SpringBoot+MyBatis Plus+Nacos+Mysql+Redis+Nginx+Pigx+Umijs+React+Webpack+html等。系统架构总体分为采集层、数据层、逻辑层和应用层4级。公路基础设施调查系统总体架构如图1所示。1）采集层采集层主要服务于调查数据采集，是系统应用的基础，采用Flume+Kafka等开源技术通过不同方式获取数据，数据经过清洗预处理后存储到数据库。公路基1总662期2023年第32期（11月 中）础设施调查数据主要涉及设施结构的属性数据和设施周边环境数据，采集手段主要是Web端+移动端录入为主，同时还包括智能设备采集及其他采集终端获取，如无人机航飞、激光雷达设备采集，以及第三方系统数据接入等。2）数据层数据层主要实现不同格式调查数据的存储与传输。调查系统利用分布式数据库管理调查数据，如企业有建立数据中台，可将数据同步推送至数据中台进行大数据资产积累和大数据分析，调查系统涉及的数据包括基础性的设施工程分解结构（Engineering BreakdownStructure,EBS）数据、模型数据、点云数据、影像数据和设施属性数据等。3）逻辑层逻辑层主要实现数据综合处理与复杂计算。逻辑层应用数据层存储与传输的数据，完成数据打包解包、数据校验、数据资源支撑和数据组织管理等，并基于前述数据处理操作进行逻辑算法运算与分析，为应用层提供数据应用基础。4）应用层应用层是系统应用的表现层，应用层调用逻辑层完成的相关数据处理结果进行应用层的功能实现。应用层是调查系统功能实现与应用的核心，主要涉及调查项目管理、业务数据字典、路线桩号数据管理、EBS类型库管理、设施 EBS 创建、调查数据采集与管理、GIS应用及调查成果管理等。调查系统为不同类型及格式的数据设计相应的数据解析接口，并封装成数据操作类库，方便调查系统对外部数据进行操作管理与分析，并具备较高的可扩展性。架构层级间的关系具体表现为：采集层为数据层提供数据来源渠道并解决实现问题；逻辑层通过数据操作类库完成对数据层相关数据的组织及管理；应用层调用逻辑层实现的相关数据处理算法完成应用层的功能实现。1.2 系统关键技术1.2.1 GIS及Mobile GIS技术GIS技术是集地理学、信息学、计算机科学等多门学科为一体的新兴技术。地图是 GIS的表现形式，但GIS深层应用是空间信息处理。调查的公路基础设施均可通过GIS地图呈现其位置和相关信息，以GIS地图为载体进行调查与数据收集，使得调查工作更加形象直观。Mobile GIS 技术是移动GIS，在GIS的基础上集成GPS、移动通信等技术9。其涉及的支撑技术包括地理信息采集与处理技术、工程坐标转化技术、瓦片地图技术等。调查系统利用GIS及Mobile GIS 技术搭建的 GIS地图可实现相关数据的 GIS应用。如公路基础设施所属路线及有关数据展示与信息查阅，包括路线名称和属性、运营养护单位等；GIS地图实时展示调查人员定位位置；在GIS地图上直接录入被调查公路基础设施数据并标记设施调查状态等。1.2.2 EBS分解与编码技术EBS是以工程实体为对象，将工程实体对象的结构组成按照分层体系进行分类和分解最终形成树形结构10，EBS是公路工程中全生命期集成化管理的核心与基础，构建信息化管理系统多以EBS为核心串联各个业务和数据，EBS的分解与编码是应用的关键。调查系统的数据以EBS为载体，将所有数据关联到EBS结构树上，并向数字基础平台、桥梁检测系统、智能监测系统、建管养一体化系统等提供数据支撑。1.2.3 BDS高精度定位技术北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System,BDS）是我国自主研发、独立运行的全球定位系统，BDS高精度定位技术是研究和应用的重点，该技术已经在航天、军事、交通、农林、气象等多领域进行应用11。应用调查系统调查设施多处于野外甚至偏远山区，远离通信基站，无法正常利用网络信号获取准确定位时，可依靠BDS进行精确定位，一般精度可达到米级，满足设施调查需求。利用系统移动端，通过BDS高精度定位可实时在GIS地图准确点位上标记并写入调查数据，准确、方便快捷，同时可实时跟踪调查人员的运动轨迹。1.2.4 多源数据融合技术多源数据融合技术是将多源数据进行统一的格式转化。该技术能够打破多源数据之间的传输壁垒，并方便后续业务拓展的开发12。在公路基础设施调查过程中会涉及诸多来源、类型各异、不同格式的数据，如矢量数据、倾斜摄影数据、BIM模型数据、激光点云数据、遥感影像数据、文本数据等，需要将这些结构化、半结构化和非结构化的各种数据转换与集成到统一的图1 调查系统总体架构设施ERS创建Web移动端录入2交通世界TRANSPOWORLD调查系统中用于公路基础设施调查管理。1.3 系统核心功能与应用流程1.3.1 系统核心功能系统功能设计围绕公路基础设施调查的核心业务展开，其核心功能主要包括调查数据采集、GIS应用、调查成果管理等三大部分，细分功能如图2所示。1.3.2 系统应用流程调查系统功能应用主流程为：基础数据配置调查项目创建基于GIS和EBS数据调查设施EBS结构树创建设施调查信息采集管理调查成果输出成果共享与应用，应用流程如图3所示。2 系统应用场景2.1 以GIS地图为载体采集设施数据基于GIS引擎搭建调查系统GIS地图，构建调查设施三维应用场景，利用GIS及Mobile GIS技术，实现调查系统的Web端和移动端GIS应用。公路基础设施调查现场，利用BDS高精度定位技术，采用系统移动端或数据采集设备精准采集设施的数据，直接在移动端GIS地图上录入和编辑调查数据，或者利用无人机航飞采集影像数据获取倾斜摄影模型和激光雷达设备扫描获取点云模型发布到云 GIS服务器。采集到的数据可在Web端和移动端的GIS地图上展示并应用，如图4所示。利用多源数据融合技术，GIS地图融合了所有设施调查数据，形成设施数据地图，相关数据包括路线及属性信息、设施属性信息、设施BIM模型、设施倾斜摄影模型、设施激光点云模型、EBS结构树、调查多媒体数据等，可为后续设施调查数据的展示与应用提供完整数据源。2.2 依据EBS类型库构建EBS结构树EBS结构树是工程数字化全生命周期应用的核心，调查系统在进行其他数据调查录入前，先以公路工程EBS类型库为基础，通过现场调查获取公路基础设施的工程特点、结构类型、实体对象分类、对象类型划分等信息，利用EBS分解与编码技术并根据EBS划分规则（通常以行业内有关标准为依据）来划分公路基础设施EBS，建立EBS结构树。2.3 数字化管理和交付调查成果利用多源数据融合技术，调查系统对公路基础设公路基础设施调查系统调查成果管理功能GIS应用功能调查数据采集功能设施基础数据采集属性数据采集多媒体数据采集路线等数据展示调查数据录入与编辑空间分析查询EBS结构树创建调查成果共享与交付调查数据存储与管理图2 调查系统核心功能细分图数据字典基础属性业务库EBS类型库配置业务库基础数据配置创建与管理调查项目其他调查成果EBS结构树基于EBS调查数据EBS关联调查成果调查成果成果应用成果应用养护运营系统其他业务系统汇集汇集基于GIS的现场调查基于GIS和EBS的现场调查依据EBS类型库构建图3 调查系统功能应用主流程图4 移动端基于GIS地图采集公路设施调查数据3总662期2023年第32期（11月 中）施调查成果进行数字化管理与交付。对于公路基础设施结构属性信息，如某座桥梁墩柱的尺寸、材质、建设管理、养护管理等信息均以构建的EBS结构树为载体，对相关信息进行精细化管理。同时，对于建立BIM模型的被调查设施，由建立的EBS与模型构件的关联关系，在模型上可查阅关联在EBS结构树上的设施属性信息；对于非结构属性信息，不关联到EBS结构树的，则存储结构化数据到数据库，如倾斜摄影模型、点云数据等，以此实现数字化管理和交付。3 结束语通过公路基础设施养护运营管理与数据管理需求梳理，建立基于 GIS 和 EBS 的公路基础设施调查系统，实现EBS结构树和设施属性信息调查数字化采集与管理。调查系统包括Web端和移动端，更好地满足野外设施调查需要，实现了公路基础设施数据采集、管理与应用等功能，改变了传统设施数据采集线下作业、耗时长、主观差异性大、内业数据处理繁杂等问题，降低了设施调查技术要求，提高了调查成果质量。鉴于调查管理场景丰富多样，将会涵盖多个领域，调查系统也可拓展其应用领域，如应用于铁路、轨道交通、水利等设施的调查采集，尤其适用于地质灾害调查。随着信息技术的发展，以人工智能自动获取为主、多种调查与采集方式并存的手段将使得设施调查系统更加高效与智能。参考文献：1 中华人民共和国交通运输部.2021年交通运输行业发展统计公报EB/OL.(2022-05-25)2023-05-10.https:/ 饶舰.新一代信息技术与公路工程建设管理融合应用研究J.公路，2022，67（12）：245-252.3 中华人民共和国交通运输部.数字交通发展规划纲要EB/OL.(2019-07-25)2023-05-10.https:/ 王强.面向交通基础设施数字化的关键技术探讨J.土木建筑工程信息技术，2022，14（4）：133-137.5 中共中央，国务院.国家综合立体交通网规划纲要EB/OL.(2021-02-24)2023-05-10.http:/ 王文杰.基于WebGIS的自然资源调查系统建设与应用D.青岛：山东科技大学，2019.7 相诗尧，徐润，郭长顺，等.基于全景影像的公路勘察设计外业调查系统设计J.公路，2021，66（3）：14-18.8 耿靖杰，呙润华，周晶.基于三维激光路面轮廓调查系统及应用J.科学技术与工程，2022，22（5）：2084-2092.9 杨军杰.基于Mobile GIS的新建铁路野外地质调查系统研究J.铁道工程学报，2019，36（2）：15-20.10 汪军，黎丁实，乔科.基于双“核心结构树”的公路工程建设BIM数据协同研究J.公路，2022，67（3）：247-253.11 汪志宁.北斗卫星高精度定位系统关键技术研究D.合肥：合肥工业大学，2021.12 陈壮，朱海鹏.三维可视化技术在多源测绘数据集成中的应用J.测绘通报，2021（S2）：231-233.4