高速列車運行環境的三維GIS方案研究

鄒 丹，王英杰，封博卿

（中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

中國在高速鐵路領域所取得的一系列成果，已經得到了世界各國的廣泛關注和認可。我國高速鐵路網運行環境復雜，對系統的安全性與可靠性提出了更高的要求。在這樣的運營環境和要求背景下，高速列車技術的發展面臨著多方面的重大挑戰。使用三維可視化技術模擬高速列車的運行環境，可以為列車運行構建地理環境模型與真實景觀重現，為高速列車提供更加具有真實感的數字運行環境，對于高速列車運行環境的研究具有一定的現實意義。

1 三維GIS研究現狀簡介

三維可視化技術是目前GIS領域研究的熱點和難點，國內外的許多專家都在研究關于三維數據建模，三維可視化和在三維平臺上的海量數據接入等問題。

1.1 城市三維仿真規劃審批系統

海南省海口市利用多元數據的快速建模以及二、三維混合聯動的技術建立了城市三維仿真規劃審批系統，實現了全方位多精度的城市漫游瀏覽，包括乘客駕車漫游、步行漫游等，該系統利用虛擬現實技術來輔助進行西海岸、海口外灘等的規劃方案落實工作。

1.2 數字煙臺三維城市規劃信息系統

山東省研制的“數字煙臺三維城市規劃信息系統”綜合了航拍、外業測量、數字正射影響（DOM）圖和數字高程模型（DEM）制作等測繪科技技術以及三維G IS技術的開發，集成了500 km2規劃范圍內的建筑、道路、景點、設施模型構建的城市三維景觀，在計算機上重現了城市的真實面貌。該系統全面體現真實立體影像的決策分析，操作靈活方便，可以實現城市規劃應用上的瀏覽現場、方案對比、方案修改、建筑體量分析、通視分析、與周圍環境分析、建筑色彩仿真、道路規劃瀏覽等功能，極大地提升了城市規劃的科技水平。

1.3 日本“數字城市Kyoto”項目

日本歷時3年完成了“數字城市Kyoto”項目，該項目集成了城市的屬性信息、虛擬顯示技術和實時漫游功能，以分層的模式真實重現一個立體的城市。它將二維地理信息與三維可視化景觀結合起來，采用直接交互實現的互操作方式，鼓勵市民參與系統的互動。

1.4 Google Earth網絡三維GIS

Goog le Earth這一網絡三維GIS服務，使得人們可以在網絡上探索到地球的任何一個地方，從海洋到森林，每一個古老的人類文明都以三維可視化的方式展現到人們眼前。Goog le Earth還提供免費的三維建模工具，用戶可以使用工具制作三維景觀添加到Google Earth上。

2 高速列車運行環境的三維GIS需求分析

2.1 三維GIS的定義和特點

三維GIS指的是能對地理區域內的空間對象進行3D描述和分析的地理信息系統。可以用一個表達式 )來表示，其中，x，y是通常意義上二維GIS中表示平面位置上的坐標，z表示空間高度上的變量。在同一個系統中，x，y，z的連續變化使得地表的構造和地形的走向都一目了然，從整體上給人以強烈的視覺感染。

2.2 三維GIS的功能

2.2.1 三維數據管理

采集有效的三維數據并對其進行坐標轉換、重構、數據變換組合與編碼。對存在于數據庫中的三維數據進行查詢分析、修改、刪除等操作。

2.2.2 三維對象管理

將三維數據庫中的數據進行建模分析，可視化編輯及視覺變換，對數據進行備份與維護。

2.2.3 三維空間分析

計算三維物體的表面積、體積、距離與方向；對物體進行邏輯運算。

2.3 列車運行環境對三維GIS的需求

2.3.1 地理環境構建

系統采集列車運行線路及道路兩邊3 km范圍內的遙感影像數據與數字高程數據，將各種數據整合后進行三維建模。

2.3.2 列車監控

系統在每臺高速列車上配備全球定位系統（GPS），實時為列車進行定位，并將列車位置信息返回給系統，顯示在構建的三維鐵路線路上。這樣的系統展示便于用戶實時了解目前列車運行的位置信息以及途徑線路的地理環境信息。

2.3.3 線路監控

將軌檢系統的信息接入系統中，可以在三維平臺上實時展示軌道的狀態，并提前模擬該軌道發生變化時，列車駛過的情況。利用先進的模擬運行算法，提前預知可能發生的事故，防患于未然。

2.3.4 設備設施監控

三維G IS可以構建車站和鐵路沿線各設備的模型，將各種模型進行入庫管理，并在三維平臺上展示出來。

2.3 .5 模擬事件

高速列車運行環境的三維GIS研究，提供給用戶一個模擬演練各種突發事件的平臺。用戶在該系統上通過修改各種諸如天氣的參數、軌道傾斜度、鐵路日載旅客量等信息，模擬各種突發情況對列車運行造成的影像，并在模擬演練時，及時制定應對各種突發事件的響應對策。

2.4 系統研制的需求

2.4.1 數據需求

合成三維地理信息模型需要的數據，包括遙感影像或航拍照片， DEM數據和矢量地理數據。

2.4.2 軟件需求

開發可視化的列車運行環境三維GIS需要在一個成熟的三維GIS平臺上處理整合數據與定制自身的業務。目前，主流的三維平臺有：（1）Goog le Earth，提供全球的衛星影像數據和航拍照片。（2）Sky lineG lobe三維業務平臺，用戶可定制用于整合自身業務的三維G IS系統。（3）GeoGloble，管理海量數據的可視化三維GIS軟件，提供全球化的三維可視系統。

3 高速列車運行環境的三維GIS建設方案

高速列車運行環境的三維G IS研究建立在分析鐵路實際需求和國內外技術現狀的基礎上。目前列車運行環境的需求主要集中在將多源異構鐵路沿線數據接入高速鐵路運行環境的三維可視化平臺中綜合展示，為高速列車運行提供真實的數字化運行平臺。

3.1 數據采集

數據采集是構建三維模型的基礎，通過高速列車運行線路的遙感影像數據，航拍照片和DEM數據的相互疊加構成三維GIS的海量數據庫。

3.1.1 遙感影像的數據采集

以高速列車線路數據為主要采集目標，包括線路數據、沿線車站及站前廣場并覆蓋多個主要動車運用所及聯絡線。數據采用QuickBird或W orldV iew衛星數據，并確保影像獲取的時間為植被、地物色彩信息豐富的季節且遙感影像數據的含云量在10%以內。

3.1.2 DEM數據采集

采集反映三維地形信息的數字高程模型和數字正射影像數據。

3.1.3 二維矢量地理數據的采集

數據內容包括河流、湖泊、池塘、植被、省級行政區劃、縣級行政區劃、鄉鎮行政區劃、省會城市、縣市城市、鄉鎮村居民地、主要公路、鄉鎮小路等基礎地理信息數據。數據屬性及標注內容。

3.2 數據處理與融合

3.2.1 數據處理

構建一個公共的投影坐標系，將三維GIS數據庫中不同類型的數據集投影到統一的坐標系中，對數據進行剪裁與修正，并進行分層管理。對采集的遙感影像數據采用統一的坐標系和經緯度投影進行處理，限制影像的接邊誤差，對影像的紋理貼圖進行色調和清晰度的處理。提高全色數據的亮度，增強局部反差，突出紋理細節并盡可能降低噪聲；對多光譜數據進行色彩增強，拉大不同地類間的色彩反差，突出其多光譜彩色信息。

完成DEM數據的坐標轉換和投影變換，并對高程數據的地理基礎、精度、網格尺寸等信息做詳細記錄。相鄰重復數字高程模型拼接后不出現裂痕，重疊高程值保持一致。

3.2.2 數據融合

數據融合的原則是：能清晰表現紋理信息，突出主要地類；影像光譜特征還原真實、準確、無光譜異常；融合影像色調均勻、反差適中、色彩逼真。

影像融合的基本要求是以整景為單元，根據影像波段的光譜范圍、地物和地形特征等因素，選擇能清晰表現地物利用類型特征和邊界、色彩接近自然真彩色的融合算法；融合影像無重影、模糊等現象。

影像數據融合的技術步驟是：融合前處理；融合單元；融合方法；融合后處理，效果檢查。

3.3 平臺實現

圖1為高速列車運行環境的三維GIS系統體系結構。

3.3.1 網絡層

網絡層主要搭建平臺運行的網絡環境，為系統硬件提供傳輸途徑，通過通信協議并設置防火墻實現內外網的安全傳輸。鐵路上的應用系統為保證運行的安全通常需要隔絕內外網的連接，但要實現實時數據的傳輸需要在網絡層搭建特殊的防護墻或使用專用的通信信道連接。

3.3.2 系統硬件層

系統硬件層主要是系統運行的硬件設備環境。包括主機、存儲器、交換機、工作站和一些輔助設備。各設備間通過網絡層連接并實現數據間的互聯互通。

3.3.3 數據資源層

數據資源層存儲各種平臺展示需要的數據，包括二維地理數據、遙感影像數據、DEM高程數據、三維模型數據、系統信息和文件數據。數據資源層存儲各種類型的數據，完成海量多元數據的存儲。

3.3.4 數據處理層

數據處理層是一個數據處理的綜合平臺。主要搭建處理三維數據的數據引擎，并將存儲的各種數據進行無縫連接與融合。

3.3.5 數據訪問層建設

數據訪問層包括構建三維模型所需的各種類型數據和基礎地理數據。數據層采用數據倉庫存儲和管理各類三維數據、空間數據與地理基礎數據，完成數據的可視化分析與管理，為海量多源數據提供索引機制和管理支持。

3.3.6 服務層建設

服務層包括搭載三維GIS的平臺軟件、軟件開發平臺三維模型等。所需的其他軟件開發在軟件開發平臺上進行。

3.3.7 三維建模層建設

在三維GIS平臺的支持下，基于三維建模技術，為列車運行環境提供三維模型的構建方法。

3.3.8 應用層建設

將所有數據進行整合后，將構建的三維GIS模型作為成果輸出，并在此三維模型系統上對列車運行的各種狀態進行分析與管理。

4 結束語

三維GIS與以往的二維GIS相比，在表現空間地貌地形和鐵路信息上更加形象直觀，使用戶對于整個高速列車的運行環境有立體的認知。將GPS設備搭載到列車上，對列車進行實時監控并將列車位置反應到三維平臺上。通過對高速列車運行環境三維GIS的研究，用戶可以更好地了解整條線路上列車運行的狀況。通過系統模擬各種氣候環境對列車運行的影像，模擬突發事件發生時，列車運行可能出現的問題和存在的隱患。該系統可以將各種設備和設施構建到鐵路運行環境的三維模型上，對設施設備進行集中監控。高速列車三維平臺的研究對于列車監控、線路監控、設備監控和防災防突發事件有著重要的意義。

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