基于GIS的桥梁评估可视化研究

摘 要：为了确保桥梁的安全性，避免重大的经济损失，必须对桥梁进行评介。在地理信息系统的基础上，建立了桥梁的安全性评介管理系统，实现了桥梁评估结果在桥梁模型上显示的可视化。

关键词：安全性评价；地理信息系统；可视化

中图分类号：TU375.5 文献标识码：A 文章编号：1672-3198（2007）09-0278-02

1 引言

桥梁建成后，在使用过程中经常有事故发生，给国家造成巨大的经济损失，这引起国内外对桥梁安全性评估的重视。该领域的科学工作者在桥梁的安全性评估方面作了大量的工作，并取得了一系列研究成果。近年来，地理信息系统(GIS)技术飞速发展，该系统的空间数据建模取得了巨大的进展，随着研究的进一步深入，针对不同的应用领域已经有多种不同形式的数据模型提出。文献［1］提出基于GIS的滑坡可视化的研究方法，文献［2、3、4］分别提出基于GIS的城市、铁路、立交桥可视化的研究方法。地理信息系统技术的发展也为桥梁评估研究提供了一个新的途径，这也为桥梁评估可视化提供了一个强有力的基本工具。

2 基于GIS的桥梁评估系统

恩施南泥渡公路大桥位于湖北省恩施市南泥渡，是沪蓉国道主干线宜昌到利川段上一座独立特大桥。跨径布置为：2×20+0.08+240+0.08+2×20，全桥长334.16m。主桥上部为上承式钢管混凝土桁构式肋拱，净跨径220米，净矢高44米，净矢跨比1/5，拱轴系数m=1.756。拱肋为变高等宽的钢管混凝土桁构。桥面结构采用T形梁，引桥及拱上建筑采用20米跨度混凝土简支T型梁，引桥墩为双柱式桥墩，两岸交界墩均置于拱座上，桥台采用重力式U形桥台。

基于GIS的桥梁评估系统直接地展现桥梁评估的信息，这里以这座桥为例，运用Visual Basic程序设计语言开发了桥梁的安全性评价系统，本系统包括了权重输入、综合评价、桥梁可视化模型展示，从而实现桥梁安全性评价管理的可视化。

2.1 系统的设计原则

（1）科学性。该系统根据GIS软件的优点进行分工，在数据库设计、系统功能设计方面实现科学清晰的数据结构与组织，力求系统的科学性。

（2）实用性。数据库的建立和系统的开发应满足评估管理部门对信息查询、信息统计或决策分析的要求，同时系统结构应简洁，方便、灵活，用户界面友好，以便于系统操作人员的管理和使用。

（3）统一性与规范性。系统设计应遵循统一、规范的信息编码和坐标系统、规范的数据精度与符号系统等。在此原则下，本系统建立包括工程项目各种属性、图形、图像等数据在内的标准数据库。

2.2 系统的建立及设计

系统分为数据库管理模块、可视化与分析模块和桥梁安全性评估模块3个功能模块，每个子系统由数个模块组成。系统建立的框架如图1所示。数据库管理模块包括对桥梁评估的数据进行读写操作，以及删除，可以对以前的数据时进行各种操作。可视化与分析模块主要是制作和显示桥梁图形。包括屏幕制图、智能捕捉与编辑修改、图形符号生成与管理、分析功能、图形保存输出与打印。还包括图形缩放、漫游，对桥梁图形进行无级缩放及漫游显示等功能以及对空间数据库(图形数据)和属性数据库进行管理。通过该模块用户可以查询桥梁的空间实体的属性信息，也可以对桥梁模型本身进行数据维护。

桥梁安全性评估主要包括对桥梁输入的原始参数进行评估，将桥梁的原始图形进行分析，桥梁评估数据的存储、管理、分析及图表的打印。桥梁的评估模型又分为权重输入子模块和损伤度输入子模块、以及评估结果输出子模块。①权重读入模块：主要功能是通过计算机编程来读入桥梁部件属性中的桥梁评价权重指标，它包括权重读入、权重显示、错误提示。②损伤读入模块：主要功能是读入桥梁部件属性中的桥梁评价损伤指标。③桥梁评估及结果写入模块：当读入桥梁的的权重和损伤度以后，系统自动进行评价，得出桥梁的安全性指标，该模块的功能还包括将桥梁各部件的损伤评价的结果桥梁空间模型的桥梁部件属性中。

2.3 桥梁评估模型的建立

影响桥梁安全性评估的因素很多，对其安全性进行评估是个比较复杂的过程。要对其进行安全性的评估，首先要分析其各种影响因素。影响桥梁安全性评估的因素包括各种内部因素及外部因素，这些因素之间又互相影响，互相作用，十分复杂。

为了保证评价过程的可行性和合理性,评价指标的选择应满足以下条件：(1)指标的选择应结合桥梁结构的实际情况,突出主要方面，使建立的评价指标体系既能反映桥梁结构损伤的绝大部分信息，又能尽量避免和排除那些对评估结果无影响和影响甚小的指标，以达到简化分析的目的；(2)各个指标之间应尽可能相互独立，能从不同方面反映桥梁结构的性能特征，尽量避免由于指标间的相交或重复而带来的分析不便和分析误差；(3)各指标值的确定要简单易行，其值可以通过对实测资料的分析、建立数学模型或由专家评议等途径来得到；(4)各指标对桥梁结构性能的总体影响程度应具有可比性，并能通过一定的运算规则进行指标的合成。

在我国的《公路桥涵养护规范》规范中规定：全桥总体技术状况等级评定，宜采用考虑桥

梁各部件权重的综合评定方法。亦可按重要部件最差的缺损状况评定，或对照桥梁技术状况评定标准进行评定。桥梁各部件技术状况的评定方法如下：①根据缺损程度(大小、多少或轻重)缺损对结构的使用功能影响程度(无、小、大) 和缺损发展变化状况(趋向稳定、发展缓慢、发展较快)等三个方面，以累加评分方法对各部件缺损状况作出等级评定。②重要部件(如墩台与基础上部承重构件，支座)以其中缺损最严重的构件评分，其他部件根据多数构件缺损状况评分。

根据上述的一级子系统、二级子系统和评价指标，可建立混凝土桥梁损伤评估层次结构模型。为了使桥梁评估的结果尽可能详细，反映桥梁的真实情况，系统结合《公路养护技术规范》和层次分析法的思想把桥梁的评价指标细分为三层，每个评价指标根据情况的不同又分为若干个子指标。根据所建立的指标层次关系，可以对全桥进行综合评定，综合评定采用下列计算式：

式中：Ri─按表中方法对各部件确定的评定标度值为0“表示完好状态，或表示没有设置的构造部件

”5“表示危险状态，或表示原未设置，而调查表明需要补设的部件

Wi─各部件权重，∑Wi=100

Dr─全桥结构技术状况评分（0-100）；评分高表示结构状况好，缺损少，Dr≥88一类，88>Dr≥60二类，60>Dr≥40三类，40>Dr四类五类。Dr≥60的桥梁，并不排除其中有评定标度Di≥3的部件，仍有维修的需要。桥梁技术状况评定等级分一类、二类、三类、四类、五类。

2.4 桥梁可视化模型的建立

采集桥梁的尺寸，作为桥梁几何建模的标准。根据桥梁结构形式的不同以及评估的层次的要求不同把桥梁划分为相对独立的部件。在GIS软件进行建模，对特殊形状的物体进行建模比较困难，需要通过其它的方法来实现。对规则的物体，用AUTOCAD建模非常方便。桥梁的基本部件都是些规则的物体，可在AUTOCAD中通过“交”、“差”、“并”等几何体运算［5］，以实际桥梁的尺寸为标准，成比例建立桥梁的各个部件的模型。按照各部件间的结构层次关系，将各部件连接组合起来就得到了整个桥梁的空间模型。每一个部件都有自己的身份标识，当需要修改桥梁模型时只需修改相应部件模型的参数，即可完成模型的修改。

建立桥梁多级比例尺模型，根据桥的不同比例尺，建立不同层次的桥梁模型。利用多级比例尺可以快速调度数据，随着比例尺的不断增大，模型的分辨率逐级提高，桥梁模型的部件也越来越精确。在多层次桥梁模型中，根据显示范围的大小可以灵活方便地自动调入不同层次的数据，这样，既可以一览桥梁全貌，也可以看到局部构件的微小细节。

2.5 查询功能的实现

作为图形用户界面环境下的应用系统，GIS系统提供一种可视化的查询手段，依托桥梁空间模型完成对图上空间目标“所见即所得”的查询。在GIS中每一个桥梁部件单元都对应着数据库中的数据，有其特定的ID号，将空间数据和属性数据形成关联，实现数据与地图图元的对应关系，关联将两种数据模型连成一体，可以方便地从空间数据检索属性数据或从属性数据检索空间数据。在地图数字化过程中建立每个图元的标示码，然后建立内部的属性数据表，最后通过标示码字段，在系统应用程序开发过程中利用数据绑定将属性数据与空间数据进行联接，这样完成了空间数据库与属性数据库的关联。

单元的属性和查询包括图查文和文查图双向的查询。图查文，是指根据设施的位置来查询桥梁部件或全桥的权重、评估结果、及其它属性信息；文查图，就是通过对属性信息进行条件查询，获得符合条件的桥梁部件的基本情况，比如查询桥梁中符合安全评估结果为差的桥梁部件名称及桥梁部件形状及在桥梁三维模型中的分布。查询的方式比较多，如直接查询，模糊查询、多条件组合查询等。查询的方式有以下三种通用查询方法。①点击查询：用鼠标单击桥梁空间模型，显示其基本信息，并以属性列表的形式显示出来。②属性查询：给出一定的属性条件，高亮度显示查询结果，并弹出查询到的图形元素的基本属性列表。如图3所示查询主拱圈的属性。③空间查询：空间查询用以根据地物的空间特性和拓扑关系进行实体查询。

参考文献

［1］申杰，刘浩吾，郑小玉. 一种新的滑坡可视化方法［J］. 岩石力学与工程学报,2002,(9):1364-1367.

［2］祝国瑞，高山. 虚拟城市的3维建模［J］. 测绘通报,2004,(6):46-49.

［3］蒋红斐，詹振炎.铁路线路可视化设计实现方法研究［J］.中国铁道科学,2002,(6)：72-76.

［4］邵振峰，李德仁，程起敏等.立交桥建模的集成方法研究［J］.测绘信息与工程,2003,(8):1-3.

［5］钟登华，宋洋. 大型水利工程可视化仿真方法研究［J］.计算机辅助设计与图形学学报,2004,(1):121-128.

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”