基于GIS的路面管理系统研究
基于GIS的路面管理系统研究
范广宇
（河南省公路工程局集团有限公司 450052）
【摘要】路面管理系统（PMS）已经成为道路管理部门养护规划
以及道路养护投资的重要分析工具。将组件式GIS 应用于路面管理
系统是实现公路管理信息化、可视化和网络化的有效手段。建立基
于组件式GIS 的路面管理系统，实现路面管理系统的可视化，路面
管理系统的空间分析及养护方案决策，为各级养护管理部门提供及
时、准确的决策辅助信息，提高公路管理工作的效率，具有一定的
社会效益和经济效益。
【关键词】路面管理系统（PMS）；地理信息系统（GIS）；数据
库
1. 前言
随着我国国民经济和公路交通事业的发展。交通量的迅猛增加，
公路网的逐步完善，公路管理部门面临的主要任务将从建设公路网
转向养护、改建、维护和改善现有公路网上，但是目前公路的管理
水平还相对落后，许多工作还在使用传统的手工管理，收集处理信
息数据工作量非常大，耗费时间也非常长。因而必须把提高公路的
现代化养护管理水平提到日程上来。要想改变传统的养护管理系统
的不足，就必须借助先进的计算机技术来改进公路管理，实现公路
管理的现代化、信息化和可视化。
目前，国际上路面管理系统的研究正处于第3 代系统的研制阶
段。在管理系统自身体系不断的改进和完善的同时，新技术、新理
念的不断涌现也为传统的管理系统的革新拓宽了思路，而地理信息
系统（Geography Information System，简称GIS）应用于道路与交
通运输就是这种新一代的管理系统样式之一。道路管理GIS 系统是
为道路管理和养护部门进行宏观管理、分析决策、实时了解路网状
况等提供多要素、多层次、多功能的服务。它能及时、便捷地反映、
更新道路各项信息，分析路网状况，对促进决策的科学化和管理现
代化、提高工作的准确性和实时性具有重要意义。
2. 系统所需数据及空间数据模型
2.1 公路数据库的建立
2.1.1 公路数据库设计和施工数据
公路数据库设计和施工数据主要包括道路等级、车道特性、道
路几何尺寸数据、路基概况、路面结构数据、所用材料以及性质试
验结果、路基土性质及试验结果等资料，这些数据可以直接从道路
建设设计文件中查到，但是在输入公路数据库之前应该到现场校对，
保证数据真实、可靠。
2.1.2 公路数据库历史资料数据
公路历史资料数据主要包括路面养护维修数据、交通量数据和
交通事故等。交通量数据库以区间为单位存储有关交通量的数据。
交通量数据可以分为两类：1）交通量调查数据；2）交通量统计数据。
2.1.3 公路数据库路面状况数据
路面状况数据是编制道路养护和改建计划的依据。通过对路面
状况数据的调查和分析，可以对路面状况是否满足目前的交通条件
和使用要求进行判断，并由此确定所辖路网内需要采取养护和改建
措施的路段和所需采取的措施。为实现这个目的，需要调查的路面
状况数据主要有路面平整度、路面损坏、结构承载力和抗滑能力等
方面。
2.1.4 公路数据库气候与环境数据
公路路面结构裸露在地表，直接受到自然因素的影响。实践表
明，很多路面受到自然力的破坏比遭受所施加车轮荷载的破坏更为
严重。例如，温度和湿度的变化引起路面材料和路基土壤的强度和
刚度的增加或者减少。所以对于路面管理系统来说就必须重视气候
和环境数据的收集，相关气候和环境数据可由公路所在地区的气象
部门提供。
2.1.5 公路数据库宏观经济数据
公路宏观经济数据应该包括道路修建各项工程费用、道路改建
费用、以年度为单位记录的道路维修费用以及用户费用。
2.2 GIS 的空间数据模型
GIS 的数据模型是GIS 系统中的基础组成部分，GIS 的数据分
为空间数据（地理数据）和属性数据（非地理数据），他们分别有
不同的特性、存储方法及表现方法。GIS 中空间数据的单元是抽象
化的点、线、面数据对象，其属性数据的具体内容一般要比空间数
据灵活，原因是其在很大程度上依赖于系统设计对属性数据的内容
和处理要求。
2.3 属性数据与空间数据的连接
空间数据与属性数据的关系可以通过空间数据和属性数据的关
键字如路线代码相关联，但同一路段有多重属性，同一种属性在路
段上也不尽相同，无法直接将属性表示的路段反映到图上，数字化
过程中无法确定属性表的分段，为了使空间数据不出现数据冗余，
必须实现大地坐标与里程桩定位相互转换，应用动态分段技术，实
现图形与属性数据的双向查询和图文显示功能。
3. 将路面管理系统组建于GIS 平台的优势
基于Gls 进行路面管理系统的开发，使道路的管理与道路的地
理信息相结合，通过地理地图信息的查询，同时获得道路空间信息
和属性信息，使管理更加直接、形象。道路除具有表征其集合、结构、
性能等特征的传统属性信息外，还具有表征其地理位置及其空间特
性的空间属性信息。GIS 即可管理对象的位置又可管理对象的属性，
而且两者是自动关联的。由于公路数据所具有的地理特性，道路路
面信息的管路应当实现对传统属性数据和空间数据的同步处理，而
传统的路面管理数据库系统很难对其进行直观性操作。依托GIS 的
图库和数据库，就可以通过鼠标实现信息的快速查询和分析处理。
GIS 的空间分析和统计运算功能，可以提供全局和细节的分析
结果，实现数据的可视化，在处理地理特性和空间分析上具有无法
比拟的优势。
4. 路面使用性能评价模型
4.1 评价指标体系的确定
建立合理、全面、科学的路面性能评价指标体系是制定正确的
养护方案的前提条件。所以在进行路面性能评价时，评价指标的选
择至关重要。
（1）目的性。选择的指标应目的明确，能反映相关的内容；
（2）科学性。选择的指标要尽可能覆盖评价的内容，尽可能筛
选能全面反映路面状况的指标，尽量避免不可比指标或绝对指标的
简单应用；
（3）操作性。评价方法和指标应结合国内道路路面管理的具体
情况，使评价指标具有可测性或实用性；
（4）客观性。在评价指标值的确定中，应尽量减少人为因素对
评价对象本质的影响，使所得的结果或数据客观、可验。
根据以上原则确定的评价指标体系如表1 所示。其中，路面结
构使用性能质量指数PQI（Pavmenat Quality Index）作为综合评价
指标，指标PQI 的数值范围为0 ～ 100，其值越大，路况越好。
表1 路面性能评价指标体系
指标调查指标评价指标综合指标
平整度IRI IRI或RQI
PQI
路面破损DR PCI
路面强度Ia SSI或PSSI
路面抗滑性能SFC或BPN SFC或BPN
4.2 评价指标计算模型和评价标准
参照国内外的研究经验，结合《公路养护技术规范JTGH-
2009）的规定建立本系统路面性能评价指标的计算模型和评价标准
见表2 和表3。
表2 路面性能评价指标计算模型
评价
指标
计算模型
系数
a b c d
PCI PCI=100-aDRb 15 0.412
RQI RQI=a-bIRIc 11.5 0.75 1.0
SSI SSI=DA/DF
BPN 摆值
SFC 横向力系数
PQI PQI=aPCI'+bRQI'+cSSI'
+dSFC' 0.25～0.35 0.25～0.35 0.25～0.35 0～0.1
表3 沥青路面使用性能评价标准
评价指标优良中次差
PCI ≥85 70～85 55～70 40～55 ＜40
RQI ≥8.5 7.0～8.5 5.5～7.0 4.0～5.5 ＜4.0
BPN ≥42 37～42 32～37 27～32 ＜27
SFC ≥0.5 0.4～0.5 0.3～0.4 0.2～0.3 ＜0.2
SSI
高速一级
≥1.20其他
等级≥1.00
高速一级
1.0~1.2其他
等级0.8~1.0
高速一级
0.8~1.0其他
等级0.6~0.8
高速一级
0.6~0.8其他
等级0.4~0.6
高速一级
＜ 0 . 6 其他
等级＜0.4
PQI ≥85 70~85 55~70 40~55 ＜40
注：上表中数值范围下限包括数值本身，上限不包括数值本身
5. 基于GIS 路面管理系统的具体功能
结合GIS 的特性和路面管理系统的功能特性，基于GIS 的路
面管理系统的功能主要有以下几个方面：
（1）基本的地图管理
公路管理部门可以借助于地图进行公路管理。公路图除包括行
政区划外、城市、村庄、铁路及水系等一般信息外，还能特别包括
与公路有关的信息，如公路名称、走向、等级、里程等。应用GIS
独具特色的地图表现能力，将公路及相关信息可视化是GIS 在公路
管理应用中的基本功能。基本地图管理操作包括地图的数字化及修
改、放大、缩小、漫游、图层控制、坐标转换和地图的输出等。公
路信息是变化的信息。各地每年都有大量的新建、改建的公路，利
用GIS 可以方便、迅速将这些变化反映在地图上，形成新的公路图。
（2）专题图管理
专题图管理是在基本地图上，以不同的方式显示属性信息所形
成的地图。利用专题图可以直观了解属性信息的基本情况，如道路
等级图、交通量图等。专题图中的线划图可利用线饿宽度及颜色变
化反映线的属性数据。公路在地图上是线形结构，因此线划图在公
路管理GIS 中应用广泛。
（3）属性数据管理
路面管理系统中的数据多数具有空间属性，如线路编码、交通
量及路况数评价、预测及决策等结果。将这些数据进行地理编码，
建立地图要素和数据之间的关系，就可以方便地在地图上显示路面
管理系统的数据。
由于路面管理系统数据是GIS 属性数据的一部分，路面管路系
统的数据理、分析、预测、决策等功能对于GIS 来说，就是对其属
性数据的管理。
（4）数据查询
在GIS 应用系统中，操作者可以在地图要素相关的数据库中设
定查询条件，选定的数据在地图上显示出来。这是GIS 中最具代表
性的数据可视化功能。GIS 的数据查询是公路管理中常用的查询方
法。操作者可以通过数据查询，了解数据所在位置。
（5）空间查询
与数据查询相反，空间查询是通过空间范围的选定查询在次范
围内所选相关信息饿属性数据。可以在地图上直接点击要查询的路
段图元，系统可以在数据库对应的路段信息展示出来。例如，确定
据地点距离在50km 以内的路段，只要在屏幕上以该点为圆心画一
个50km 半径的圆，电子地图就会显示这一范围内所有的路段在地
图的位置及相关信息。
（6）最佳路线选择
利用GIS 的最佳路线选择功能，可以解决从甲地出发到乙地，
走那条路线最近的问题。最佳路线选择就是确定在给定条件下从甲
地到乙地的最佳线路。对于给定条件，可以是多种选择，如里程最
短、油耗最小、等级限制、载重限制等。
（7）缓冲区域分析
例如，建一条高速公路会对沿线一定范围内的经济发展产生影
响，告诉公路的每个出口对此为中心的区域经济发展产生影响，公
路会对沿线环境产生影响等。GIS 的缓冲区域分析可以辅助进行类
似的分析工作。
（8）养护决策
应用VB 语言编写了基于模糊优化动态规划的决策程序，通过
此模块用户可以对对有关养护维修资料进行管理和查询，也可根据
用户需求进行网级和项目级路面的养护决策。
6. 结语
本文通过运用GIS 平台对路面管理系统进行了研究，建立了合
理的软件架构，开发出了实用性的基于GIS 的路面管理系统软件。
基于GIS 的路面管理系统解决了原有路面管理系统（PMS）公路信
息不直观、不形象的缺点，系统使用ArcGIS 软件，解决了大地坐
标和里程桩号的一一对应、动态分段等技术难题，实现了空间数据
和属性数据的有机结合，明确了人机分工，具备了辅助公路管理者
分析和决策的功能。但系统应用中也出现了很多不足，比如，网络
化的GIS 路面管理系统，随着功能的完善，应考虑向网络版升级；
路面的使用性能预测分析、养护对策经济分析等模块有待于进一步
完善。
参考文献
[1] 郑渊，郑健龙，周志刚等. 基于GIS 的高速公路养护管理
系统设计[J]. 公路与汽运，2004（3）：62-64
[2] 曾沛霖. 路面管理系统的研究开发与推广应用[J]. 公路
交通科技，1993.10（2）：4-5
[3] 马京涛，孙立军. 基于GIS 的城市道路管理系统的数据管
理综合研究[J]. 中国公路学报，2001
范广宇
（河南省公路工程局集团有限公司 450052）
【摘要】路面管理系统（PMS）已经成为道路管理部门养护规划
以及道路养护投资的重要分析工具。将组件式GIS 应用于路面管理
系统是实现公路管理信息化、可视化和网络化的有效手段。建立基
于组件式GIS 的路面管理系统，实现路面管理系统的可视化，路面
管理系统的空间分析及养护方案决策，为各级养护管理部门提供及
时、准确的决策辅助信息，提高公路管理工作的效率，具有一定的
社会效益和经济效益。
【关键词】路面管理系统（PMS）；地理信息系统（GIS）；数据
库
1. 前言
随着我国国民经济和公路交通事业的发展。交通量的迅猛增加，
公路网的逐步完善，公路管理部门面临的主要任务将从建设公路网
转向养护、改建、维护和改善现有公路网上，但是目前公路的管理
水平还相对落后，许多工作还在使用传统的手工管理，收集处理信
息数据工作量非常大，耗费时间也非常长。因而必须把提高公路的
现代化养护管理水平提到日程上来。要想改变传统的养护管理系统
的不足，就必须借助先进的计算机技术来改进公路管理，实现公路
管理的现代化、信息化和可视化。
目前，国际上路面管理系统的研究正处于第3 代系统的研制阶
段。在管理系统自身体系不断的改进和完善的同时，新技术、新理
念的不断涌现也为传统的管理系统的革新拓宽了思路，而地理信息
系统（Geography Information System，简称GIS）应用于道路与交
通运输就是这种新一代的管理系统样式之一。道路管理GIS 系统是
为道路管理和养护部门进行宏观管理、分析决策、实时了解路网状
况等提供多要素、多层次、多功能的服务。它能及时、便捷地反映、
更新道路各项信息，分析路网状况，对促进决策的科学化和管理现
代化、提高工作的准确性和实时性具有重要意义。
2. 系统所需数据及空间数据模型
2.1 公路数据库的建立
2.1.1 公路数据库设计和施工数据
公路数据库设计和施工数据主要包括道路等级、车道特性、道
路几何尺寸数据、路基概况、路面结构数据、所用材料以及性质试
验结果、路基土性质及试验结果等资料，这些数据可以直接从道路
建设设计文件中查到，但是在输入公路数据库之前应该到现场校对，
保证数据真实、可靠。
2.1.2 公路数据库历史资料数据
公路历史资料数据主要包括路面养护维修数据、交通量数据和
交通事故等。交通量数据库以区间为单位存储有关交通量的数据。
交通量数据可以分为两类：1）交通量调查数据；2）交通量统计数据。
2.1.3 公路数据库路面状况数据
路面状况数据是编制道路养护和改建计划的依据。通过对路面
状况数据的调查和分析，可以对路面状况是否满足目前的交通条件
和使用要求进行判断，并由此确定所辖路网内需要采取养护和改建
措施的路段和所需采取的措施。为实现这个目的，需要调查的路面
状况数据主要有路面平整度、路面损坏、结构承载力和抗滑能力等
方面。
2.1.4 公路数据库气候与环境数据
公路路面结构裸露在地表，直接受到自然因素的影响。实践表
明，很多路面受到自然力的破坏比遭受所施加车轮荷载的破坏更为
严重。例如，温度和湿度的变化引起路面材料和路基土壤的强度和
刚度的增加或者减少。所以对于路面管理系统来说就必须重视气候
和环境数据的收集，相关气候和环境数据可由公路所在地区的气象
部门提供。
2.1.5 公路数据库宏观经济数据
公路宏观经济数据应该包括道路修建各项工程费用、道路改建
费用、以年度为单位记录的道路维修费用以及用户费用。
2.2 GIS 的空间数据模型
GIS 的数据模型是GIS 系统中的基础组成部分，GIS 的数据分
为空间数据（地理数据）和属性数据（非地理数据），他们分别有
不同的特性、存储方法及表现方法。GIS 中空间数据的单元是抽象
化的点、线、面数据对象，其属性数据的具体内容一般要比空间数
据灵活，原因是其在很大程度上依赖于系统设计对属性数据的内容
和处理要求。
2.3 属性数据与空间数据的连接
空间数据与属性数据的关系可以通过空间数据和属性数据的关
键字如路线代码相关联，但同一路段有多重属性，同一种属性在路
段上也不尽相同，无法直接将属性表示的路段反映到图上，数字化
过程中无法确定属性表的分段，为了使空间数据不出现数据冗余，
必须实现大地坐标与里程桩定位相互转换，应用动态分段技术，实
现图形与属性数据的双向查询和图文显示功能。
3. 将路面管理系统组建于GIS 平台的优势
基于Gls 进行路面管理系统的开发，使道路的管理与道路的地
理信息相结合，通过地理地图信息的查询，同时获得道路空间信息
和属性信息，使管理更加直接、形象。道路除具有表征其集合、结构、
性能等特征的传统属性信息外，还具有表征其地理位置及其空间特
性的空间属性信息。GIS 即可管理对象的位置又可管理对象的属性，
而且两者是自动关联的。由于公路数据所具有的地理特性，道路路
面信息的管路应当实现对传统属性数据和空间数据的同步处理，而
传统的路面管理数据库系统很难对其进行直观性操作。依托GIS 的
图库和数据库，就可以通过鼠标实现信息的快速查询和分析处理。
GIS 的空间分析和统计运算功能，可以提供全局和细节的分析
结果，实现数据的可视化，在处理地理特性和空间分析上具有无法
比拟的优势。
4. 路面使用性能评价模型
4.1 评价指标体系的确定
建立合理、全面、科学的路面性能评价指标体系是制定正确的
养护方案的前提条件。所以在进行路面性能评价时，评价指标的选
择至关重要。
（1）目的性。选择的指标应目的明确，能反映相关的内容；
（2）科学性。选择的指标要尽可能覆盖评价的内容，尽可能筛
选能全面反映路面状况的指标，尽量避免不可比指标或绝对指标的
简单应用；
（3）操作性。评价方法和指标应结合国内道路路面管理的具体
情况，使评价指标具有可测性或实用性；
（4）客观性。在评价指标值的确定中，应尽量减少人为因素对
评价对象本质的影响，使所得的结果或数据客观、可验。
根据以上原则确定的评价指标体系如表1 所示。其中，路面结
构使用性能质量指数PQI（Pavmenat Quality Index）作为综合评价
指标，指标PQI 的数值范围为0 ～ 100，其值越大，路况越好。
表1 路面性能评价指标体系
指标调查指标评价指标综合指标
平整度IRI IRI或RQI
PQI
路面破损DR PCI
路面强度Ia SSI或PSSI
路面抗滑性能SFC或BPN SFC或BPN
4.2 评价指标计算模型和评价标准
参照国内外的研究经验，结合《公路养护技术规范JTGH-
2009）的规定建立本系统路面性能评价指标的计算模型和评价标准
见表2 和表3。
表2 路面性能评价指标计算模型
评价
指标
计算模型
系数
a b c d
PCI PCI=100-aDRb 15 0.412
RQI RQI=a-bIRIc 11.5 0.75 1.0
SSI SSI=DA/DF
BPN 摆值
SFC 横向力系数
PQI PQI=aPCI'+bRQI'+cSSI'
+dSFC' 0.25～0.35 0.25～0.35 0.25～0.35 0～0.1
表3 沥青路面使用性能评价标准
评价指标优良中次差
PCI ≥85 70～85 55～70 40～55 ＜40
RQI ≥8.5 7.0～8.5 5.5～7.0 4.0～5.5 ＜4.0
BPN ≥42 37～42 32～37 27～32 ＜27
SFC ≥0.5 0.4～0.5 0.3～0.4 0.2～0.3 ＜0.2
SSI
高速一级
≥1.20其他
等级≥1.00
高速一级
1.0~1.2其他
等级0.8~1.0
高速一级
0.8~1.0其他
等级0.6~0.8
高速一级
0.6~0.8其他
等级0.4~0.6
高速一级
＜ 0 . 6 其他
等级＜0.4
PQI ≥85 70~85 55~70 40~55 ＜40
注：上表中数值范围下限包括数值本身，上限不包括数值本身
5. 基于GIS 路面管理系统的具体功能
结合GIS 的特性和路面管理系统的功能特性，基于GIS 的路
面管理系统的功能主要有以下几个方面：
（1）基本的地图管理
公路管理部门可以借助于地图进行公路管理。公路图除包括行
政区划外、城市、村庄、铁路及水系等一般信息外，还能特别包括
与公路有关的信息，如公路名称、走向、等级、里程等。应用GIS
独具特色的地图表现能力，将公路及相关信息可视化是GIS 在公路
管理应用中的基本功能。基本地图管理操作包括地图的数字化及修
改、放大、缩小、漫游、图层控制、坐标转换和地图的输出等。公
路信息是变化的信息。各地每年都有大量的新建、改建的公路，利
用GIS 可以方便、迅速将这些变化反映在地图上，形成新的公路图。
（2）专题图管理
专题图管理是在基本地图上，以不同的方式显示属性信息所形
成的地图。利用专题图可以直观了解属性信息的基本情况，如道路
等级图、交通量图等。专题图中的线划图可利用线饿宽度及颜色变
化反映线的属性数据。公路在地图上是线形结构，因此线划图在公
路管理GIS 中应用广泛。
（3）属性数据管理
路面管理系统中的数据多数具有空间属性，如线路编码、交通
量及路况数评价、预测及决策等结果。将这些数据进行地理编码，
建立地图要素和数据之间的关系，就可以方便地在地图上显示路面
管理系统的数据。
由于路面管理系统数据是GIS 属性数据的一部分，路面管路系
统的数据理、分析、预测、决策等功能对于GIS 来说，就是对其属
性数据的管理。
（4）数据查询
在GIS 应用系统中，操作者可以在地图要素相关的数据库中设
定查询条件，选定的数据在地图上显示出来。这是GIS 中最具代表
性的数据可视化功能。GIS 的数据查询是公路管理中常用的查询方
法。操作者可以通过数据查询，了解数据所在位置。
（5）空间查询
与数据查询相反，空间查询是通过空间范围的选定查询在次范
围内所选相关信息饿属性数据。可以在地图上直接点击要查询的路
段图元，系统可以在数据库对应的路段信息展示出来。例如，确定
据地点距离在50km 以内的路段，只要在屏幕上以该点为圆心画一
个50km 半径的圆，电子地图就会显示这一范围内所有的路段在地
图的位置及相关信息。
（6）最佳路线选择
利用GIS 的最佳路线选择功能，可以解决从甲地出发到乙地，
走那条路线最近的问题。最佳路线选择就是确定在给定条件下从甲
地到乙地的最佳线路。对于给定条件，可以是多种选择，如里程最
短、油耗最小、等级限制、载重限制等。
（7）缓冲区域分析
例如，建一条高速公路会对沿线一定范围内的经济发展产生影
响，告诉公路的每个出口对此为中心的区域经济发展产生影响，公
路会对沿线环境产生影响等。GIS 的缓冲区域分析可以辅助进行类
似的分析工作。
（8）养护决策
应用VB 语言编写了基于模糊优化动态规划的决策程序，通过
此模块用户可以对对有关养护维修资料进行管理和查询，也可根据
用户需求进行网级和项目级路面的养护决策。
6. 结语
本文通过运用GIS 平台对路面管理系统进行了研究，建立了合
理的软件架构，开发出了实用性的基于GIS 的路面管理系统软件。
基于GIS 的路面管理系统解决了原有路面管理系统（PMS）公路信
息不直观、不形象的缺点，系统使用ArcGIS 软件，解决了大地坐
标和里程桩号的一一对应、动态分段等技术难题，实现了空间数据
和属性数据的有机结合，明确了人机分工，具备了辅助公路管理者
分析和决策的功能。但系统应用中也出现了很多不足，比如，网络
化的GIS 路面管理系统，随着功能的完善，应考虑向网络版升级；
路面的使用性能预测分析、养护对策经济分析等模块有待于进一步
完善。
参考文献
[1] 郑渊，郑健龙，周志刚等. 基于GIS 的高速公路养护管理
系统设计[J]. 公路与汽运，2004（3）：62-64
[2] 曾沛霖. 路面管理系统的研究开发与推广应用[J]. 公路
交通科技，1993.10（2）：4-5
[3] 马京涛，孙立军. 基于GIS 的城市道路管理系统的数据管
理综合研究[J]. 中国公路学报，2001
