試論地理信息系統在橋梁工程中的應用

試論地理信息系統在橋梁工程中的運用

摘要：近年來，隨著城市發展步伐的加快，城市的規模也在不斷擴大，人們對于交通的需求也越來越大，傳統測量手段與新科技手段相結合已成為必然趨勢。為適應新的技術發展要求，一項高新技術——地理信息系統技術發展起來了。這種技術將地理學、建筑學、電子學、環境科學等多種科學融合在一起，為我國橋梁工程帶來了良好的發展機遇。地理信息系統（GIS）由于其具有良好的空間分析能力和強大的數據建模能力在橋梁工程中得到越來越廣泛的應用。本文主要通過對地理信息系統的特點、功能和在橋梁工程中的研究內容、應用及未來的發展趨勢等作簡要介紹，以闡明地理信息系統對現代橋梁工程的借鑒和促進作用。

關鍵字：地理信息系統，橋梁工程，科技，運用

序言

地理信息系統：簡寫為GIS（Geographic Information System），是指在計算機支持下，對空間地理相關數據進行采集、管理、操作、分析、模擬和顯示輸出，并運用地理模型分析方法，提供多種空間地理分析，為研究和決策服務的空間信息系統。是一項以計算機科學為基礎的數據管理、分析研究的綜合技術系統，它提供了一種認識和理解地理信息的新方式，進一步發展成為處理地理空間數據的科學。

橋梁工程指橋梁勘測、設計、施工、養護和檢定等的工作過程，以及研究這一過程的科學和工程技術，它是土木工程的一個分支。橋梁工程學的發展主要取決于交通運輸對它的需要。所以這種廣泛的研究內容就要求研究手段的多樣性，特別是自然科學和現代技術要求的提升在現代橋梁工程中顯得越來越重要。

GIS因為其特殊的組織和使用信息的方式等方面的特點，與工程學科的研究涉及面廣、容納性好和技術應用性強等的特點能很好地結合和互補，使得地理信息系統逐漸成為橋梁工程信息管理和區域空間研究分析的強有力的工具。橋梁工程學主要研究橋渡設計，決定橋梁孔徑，考慮通航和線路要求以確定橋面高度，考慮基底不受沖刷或凍脹以確定基礎埋置深度，設計導流建筑物等。所以，GIS的應用對處理橋梁工程中的海量信息具有十分重的作用，從而應用到了與橋梁工程相關的各個環節，GIS工程研究就這樣應運而生并不斷地向前拓展。

一、地理信息系統的特點和功能

（一）特點：

地理信息系統屬于空間信息系統。作為計算機技術、地理、遙感、測繪、統計、規劃、管理學和制圖學等學科交叉運用的產物，它代表了現代計算機科學和其他學科相互滲透的發展方向，具有以下三個方面的特征：

第一：具有采集、管理、分析和輸出多種地理空間信息的能力，具有空間性和動態性；

第二：以地理研究和地理模型方法為手段，具有區域空間分析、多要素綜合分析和動態預測能力、產生高層次的地理信息；

第三：由計算機系統支持進行空間地理數據管理，并由計算機程序模擬常規或專門的地理分析方法，作用于空間數據，產生有用信息。

地理信息系統是整個地球或部分區域的資源、環境數據在計算機中的縮影。嚴格講，它是反映人們賴以生存的現實世界（資源與環境）的現狀與演變的各類空間數據及描述這些空間數據特征的屬性數據，在計算機軟硬件的支持下，按照一定的格式輸入、存儲、檢索、顯示和綜合分析應用的技術系統。隨著計算機技術、空間技術和現代信息基礎設施的飛速發展，GIS技術在各領域的運用不斷擴大，GIS工程研究的方法也就是在這樣的背景下不斷發展起來的。隨著現代橋梁工程的深入發展，數據采集的增多、數據采集的手段不斷拓展、數據分析、模擬應用等就要求我們運用GIS進行全面處理。GIS屬性和利用范圍為工程應用提供了研究基礎。

（二）功能：

1、數據采集與編輯：

地理信息系統的數據通常抽象為不同的專題或層，如左圖。數據采集與編輯功能就是保證各層實體的地物要素按順序轉化為x、y坐標及對應的代碼輸入到計算機中。

2、數據存儲與管理：

空間數據的管理技術主要包括：空間數據庫的定義、數據訪問和提取、從空間位置檢索空間物體及其屬性、從屬性條件檢索空間物體及其位置、數據更新和維護等。

3、數據處理和變換：

數據處理的任務和操作內容有：數據變換（數據從一種數學狀態轉換為另一種數學狀態）、數據重構（數據從一種幾何形態轉換為另一種幾何形態）、數據抽取（數據從全集合到子集的條件提取）。

具體運用到橋梁工程學中，尤其是在橋式方案設計、橋梁結構設計、橋梁施工、橋梁檢定、橋梁試驗、橋梁養護等方面，主要有專業性分析、動態分段分析、格網分析、數字模型分析、地理地形分析（包括河道緩沖區分析、坡度分析、可視域分析、流域分析）等。

二、地理信息系統在橋梁工程中的研究內容

（一）屬性研究：

1、空間屬性：

首先是空間位置，空間位置既可以是定性的描述，同時也可以是定量的記錄；其次是空間形態，如形狀如何，面積多少；再次是空間關系。

2、非空間屬性：

一些自然屬性特征與空間位置、空間形態和空間關系都沒有直接的關系。表面上與空間特征無關，但實際上也可能存在潛在的空間規律，而發現并描述這些空間規律就必須采用正確的空間分析方法。

3、時間屬性：

工程都具有時間屬性，對于一些研究來說，時間屬性顯得尤為重要，如形態研究中，只有共時的才能討論它們的空間布局和位置關系。

（二）類型研究：

1、數據庫建設：

GIS是一種地理空間數據的數字處理技術，不僅能夠表達對地物描述性的屬性信息，而且還能表達地物諸如位置、形態等信息，用地理特征唯一ID碼的機制，將空間信息與屬性信息結合起來。

2、信息系統研究：

數據庫和信息管理系統的建立是開展各種工程分析與研究的基礎。橋梁工程信息管理系統的設計以數據庫為核心，共三個基本模塊構成，即數據采集模塊、數據管理模塊和系統應用模塊。

3、預測模型的建立：

預測模型的研究是GIS在橋梁工程中開展得較為廣泛和主要的研究方向。其基本方法就是對研究區域建立一個數學模型，該模型能夠根據研究區域任何給定位置的一些環境變量對該位置是否適合工程建設進行項目前的預測。

4、對橋梁靜態數據的查詢和檢索：

這橋梁的靜態數據主要包括橋梁的結構信息、管理單位、圖像信息以及修建維護歷史等等。地理信息系統都可以將這些數據進行查詢和檢索。

橋梁技術狀況監測方法是每個橋梁管理系統都應該具備的一項技術，主要是對橋梁的質量進行監測。對運用這種技術時所產生的數據的采集和更新也是地理信息系統設計的主要內容之一。

5、評價功能：

為了保證橋梁的質量，有必要對橋梁進行監測，在此基礎上，還要對其中所應用的技術做出評價，使橋梁的建設能夠在正確的軌道上運行。

三、地理信息系統在橋梁工程的應用

根據上文關于地理信息系統的特點、功能及研究內容，我們可以看到，地理信息系統的用途有很多，針對橋梁管理系統的各個功能，也有著很大的幫助。

1、在地理信息系統對各種數據進行保存的同時，還會將這些數據之間建立其相應的聯系，為管理者以后的查找和整理提供了幫助，如此，管理者在平時對橋梁的管理中，便可更得心應手。

2、地理信息系統除了可以收集整理文字數據之外，還能對圖形數據進行繪圖，具有AutoCAD、Photoshop等繪圖軟件的功能，不同形態的數據是實現城市橋梁動態管理的關鍵。地理信息系統正是能實現這種多種數據收集的技術，對橋梁的維護和管理有很大幫助。

3、地理信息系統最實用的一點，是可以根據不同數據的顯示，實現雙向查詢、同時顯示。在對比之中尋找建筑的缺點以及不完善的地方。對橋梁的管理起到了很大的作用。

四、未來發展趨勢

1、地理信息系統不斷升級，橋梁工程學方法得以改進和提高。

2、不斷有新的學科和新的技術加入，地理信息系統與橋梁工程學的關系會變得越來越密切。

3、創造出一些新的應用領域并日臻成熟和完善，如遙感與衛星定位的3S技術、虛擬現實與可視化的3D-GIS技術、VR-GIS技術、互聯網與移動終端相結合的WEB-GIS技術、三維建模與GIS三維空間分析技術、四維時空TGIS技術等。

4、空間數據綜合智能化研究將從根本上實現地圖生產的自動化。

5、地理信息系統與虛擬地理環境的集成與一體化。

結語

橋梁工程的實踐過程中運用地理信息系統技術，可以對橋梁工程的信息進行多條件、多方式的查詢檢索，或者進行多種空間分析和統計，能夠為橋梁工程研究提供所需的多種數據、統計圖形、圖表、影像甚至多媒體資料等，直觀地表現出橋梁交通的特征，在很大程度上促進了我國橋梁工程的現代化、標準化和科學化發展。雖然我國的GIS技術在橋梁工程中的應用與研究剛起步不久，與歐美相關方面的研究有一定的差距，但是隨著我國橋梁工程項目的進一步發展，地理信息系統技術在這其中的應用也一定會日臻完善和發展。

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