深圳地鐵三維地理信息系統建設與研究

陳 鴻，王 勇

(1.深圳市市政設計研究院有限公司，廣東深圳518029;2.深圳市偉圖科技開發有限公司，廣東深圳518034)

一、背 景

隨著近幾年深圳地鐵二期建設進程的加速，由地鐵施工引起的沿線管線改遷工程規模越來越大，隨之而來的地下管線資料的管理和應用問題日益突出。在傳統的管線資料管理模式下，圖文表格不統一，分類統計、檢索速度慢，不利綜合分析，存在較多弊端。采用人工方式管理，資料更新維護效率低下，導致資料的現勢性較差。這些因素為管線施工事故埋下隱患，也不可避免地給地鐵工程建設帶來損失。

同時地鐵建設積累了大量的地質資料，用傳統的圖表不能完全表達地質信息的空間分布及巖層和結構面間的位置關系。建立地鐵沿線的地質三維可視化信息管理系統，能逼真反映地鐵沿線巖土層的空間分布情況以及地下主要地質結構全貌，為地質工作者分析、研究工程地質現象和發現掌握巖土體結構規律，提供一種新的研究手段和方法。建立可視化信息管理系統，可對龐大的地質數據進行高效管理，實現快速查詢分析，還可避免不必要的重復勘察工作。

終上所述，基于三維GIS技術建立深圳市地鐵安保區地下管線與地質資料三維信息管理系統，是根據三維GIS技術功能特點，結合深圳市地鐵發展現狀及長遠規劃的必然選擇。同時也是深圳市三維數字城市發展上的必由之路與重要領域。

計算機三維圖形技術的快速發展極大地推進了三維GIS的可視化技術進步，乃至于WorldWind之類開源軟件的應用大大降低了準入門檻，從而催生了大量所謂的“三維可視化GIS”軟件。實際上，三維可視化僅僅是三維GIS的基本功能之一。對于深圳市地鐵安保區地下管線與地質資料三維信息管理系統這樣的專業化三維GIS應用，需要的是滿足大規模三維空間數據集成管理、在線更新與分析應用的通用平臺。在這方面，國內外已經面世了不少綜合能力強大的三維GIS軟件平臺，其中比較有代表的是作為世界GIS工業領袖的Esri發布了具有增強三維數據管理、創作與編輯、三維分析和可視化處理能力的ArcGIS 10.1。

因此，無論在基礎理論準備、行業應用經驗，以及三維GIS支撐平臺方面都具備了項目建設與實施的基礎與環境，該項目可行性是確定的。

本系統的建設目標是實現深圳地鐵安保區范圍內管線和地質信息的集中管理、統一調配、資源共享，建立綜合管線和地質數據處理與維護的統一平臺、規劃管理與設計服務的平臺、各專業管線和地質信息系統交互共享的平臺。從而為地鐵項目的規劃設計、施工及運行管理、地鐵及周邊地下空間統一開發利用提供完整的綜合管線和地質基礎數據，為地鐵發展預測及政府相關部門決策提供可靠的依據，為地鐵建設、安保、防災、搶險、環境保護以及社會公眾提供管線和地質信息綜合服務。

系統建設的重點在于如何將地鐵等地下空間開發與利用過程中產生的各種數據有效地存儲在數據庫中，并且使之能夠滿足各專業人士的習慣，體現個性化、人性化、專業的主題。

系統以先進的3DGIS技術為基礎對地鐵沿線的管線、地質信息與數據實施綜合管理。它以地理空間數據庫、三維模型庫為基礎，運用地理模型分析方法為手段組成一個共享平臺，對地鐵沿線各類信息資源及數據進行采集、管理、分析和有機的集成，構成一個具空間性和動態性的地鐵資料數據庫的管理系統。

二、系統分析與設計

深圳地鐵安保區地下管線與地質資料三維管理系統主要研究平面圖管理及地下管線，該系統是針對地鐵線路規劃、施工、運行維護管理中相關城市綜合管線、工程地質、安保區工程信息三方面的數據信息綜合管理，應用的決策支持系統。由于該系統所涉及的管理對象地鐵相關，具有地下、隱蔽、空間三維等特性，該系統運用3DGIS技術，實現了空間數據三維管理，應用分析的三維可視化，以及地鐵隧道、站點、地下管線、巖土工程地層、安保工程的綜合虛擬現實展示。

1.系統功能

系統主要由兩大模塊構成，系統維護模塊和應用分析模塊(如圖1所示)。其中系統維護模塊主要使用對象為系統維護人員。該模塊主要任務是進行系統權限設置，以及對服務器端保存的各類數據進行維護，包括各種三維模型，管線、地層、站點、建筑三維模型的更新;工程地質勘察資料的管理和安全保護資料的管理。

圖1 系統主要功能示意圖

應用分析模塊的使用對象則是地鐵規劃設計、運行管理相關管理決策和工程技術人員。提供了從二維到三維，涵蓋地鐵安保區范圍的地下綜合管線，工程地質，以及安全保護管理三方面業務的各種數據瀏覽、檢索查詢、分析計算功能。在最主要的三維應用方面，可以在任意位置上，對地鐵相關地下空間剖切，生成剖面圖;生成綜合格柵圖，對地下管線、鉆孔、地層、隧道、站點進行全方位、三維立體透視觀察，全面直觀地進行分析計算，徹底了解各地層斷面與地鐵要素的關系。

2.系統架構

該系統是基于ArcGIS 10.1最新版的基礎上開發而成的C/S架構的Windows桌面應用系統。采用最新的VS2010的C#為開發語言。在服務器端主要利用ArcSDE存儲管理各種空間數據和屬性數據。另外還利用ArcGISServer提供影像和地圖緩存服務，這樣可以高效訪問影像和相對固定的矢量地圖數據。

在客戶端，在 ArcGISEngine 10.1，VS2010 的C#為開發語言，在.NET Framework4.0的基礎上開發(如圖2所示)。

圖2 系統結構示意圖

系統數據包括全深圳地表影像、各種基礎地理矢量數據，地鐵1、2、5線的工程地質鉆孔數據，工程勘察文檔、1、2、5線安保區范圍的地下綜合管線管線、安保區檢測和工程數據。另外還有標志建筑、地鐵隧道、站點、地下管線、巖土工程地層等三維模型數據。

三、系統特點

1.集成的地鐵數字化系統

建立了以精確的地鐵三維空間地理框架的地質、管線、安保綜合信息的二三維一體化管理模型，系統準確、快捷、直觀地表達各種地鐵沿線各種信息、資源、數據，為地鐵建設、安保、防災、搶險、環境保護提供決策的基礎依據和有力的支持(如圖3、圖4所示)。

2.鉆孔數據自動生成地層三維模型

大量的工程勘察鉆孔數據，其來源時間跨度大，地層劃分方法各異，要將其建立地層三維模型，研究制定了地層統一劃分標準，設計了計算機地層自動整理算法，可以按主層或亞層自動生成復雜地層三維模型(如圖5所示)。

圖3 系統主界面

圖4 綜合剖面圖

圖5 三維地層模型

3.模型的任意剖切和隧道模擬開挖

ArcGISEngine 10.1主要提供了二維和三維地圖控件等相關空間數據訪問組件，為系統的快速開發提供了基礎。但是，由于ArcGIS在三維分析方面，主要擅長的是地表地形擬三維方面的分析，在地下三維實體分析方面雖然在ArcGIS 10開始有了三維模型空間運算功能，但仍然存在很多問題。比如模型空間運算的實體必須是閉合模型，而在實際應用中，許多站點、建筑模型是有手工制作的，很難滿足這一條件。因此還需要開發相應的三維空間運算算法。系統實現地下三維模型的快速刨切算法，實現了動態刨切，極大地提高了分析的效率與和可視化效果。利用ArcGIS的地理運算工具可以進行三維模型運算，但是參與運算的模型必須是ArcGIS判定的閉合模型。對于地鐵站點、建筑等手工建立的三維模型很難滿足這個條件，為此項目組開發出了任意三維模型的剖切程序，從而突破了模型閉合的限制。使三維分析運算達到實用化，如圖6、圖7所示。

圖6 連續剖面切片圖

圖7 隧道的模擬開挖

四、結束語

通過一年的研究與建設，深圳地鐵三維地理信息系統開始投入試運行。目前1、2、5號線數據已經導入完成，在11號線的的規劃設計中成功應用該系統的模擬隧道開挖功能，對新線路和原有線路的空間關系、所處地層位置、以及地下管線分布情況等進行可視化分析展示，對地鐵規劃設計提供了有力的支持。

隨著數據不斷的豐富，系統功能不斷完善，可將系統作為地鐵運營、安全保護、設備管理、應急管理等的基礎平臺，將會有力推進數字地鐵的發展。

略)