京張高鐵GIS地理信息系統構建研究

孫 嶸

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 鐵路地理信息系統研究應用現狀

地理信息系統(GIS)是在計算機硬、軟件系統支持下，對整個或部分地球表層(包括大氣層)空間中的有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。鐵路資源信息與地理信息存在緊密的關聯性和依附性。因此，可將地理信息技術納入鐵路信息系統建設框架中，通過全過程動態、靜態信息的高度融合，以及多層次、多粒度、多維度的信息匯聚與關聯，實現資源信息的立體化、可視化，為管理與決策提供強有力的技術支撐。

鐵路信息系統在不同程度上引入了GIS的概念：用直觀的圖形方式來管理、顯示和分析與地理空間相關的各種數據。按照系統各自需求，對鐵路空間數據進行收集、整理和利用，有些還建立了各自的GIS子系統，如工務部門PWMIS[1]、鐵路應急平臺、鐵路用地管理系統等[2]。受研發經費、技術支撐、組織方式等方面的約束，鐵路地理信息應用系統普遍存在以下三個方面的問題。

(1)共享困難

由于沒有統一規劃，沒有考慮和其他應用系統的交互，地理信息的格式、內容尚無統一的標準。各業務系統僅從本部門的需求出發，采用不同的GIS軟件。另外，地理信息數據的加工格式也存在差異，造成業務系統間的地理信息不能共享。

(2)重復建設

為構建自己的GIS應用，各業務系統分別購置GIS軟件，采購、收集鐵路地理數據，造成人力、物力、投資的巨大浪費。

(3)維護困難

每個系統都要維護各自的鐵路地理信息數據和GIS服務器，大大增加了維護人員和維護費用。

為更好地服務于京張高鐵的建設，發揮空間地理信息的基礎支撐作用，將從統一、規范化的角度，建設京張高鐵GIS地理信息系統，為京張高鐵各業務信息系統提供標準化的鐵路地理信息數據和空間信息服務，實現鐵路空間信息資源的共享和共用。

2 建設目標和原則

構建完整的京張高鐵GIS地理信息系統，建設地理信息空間數據庫，形成京張高鐵空間數據制作的標準規范，統一管理京張高鐵空間信息數據和服務，對外提供標準空間數據和服務接口。

京張高鐵GIS地理信息系統符合中國鐵路總公司《鐵路地理信息平臺總體方案》(運信規劃函[2014]541號)、《鐵路地理信息分類與編碼》(Q/CR 520-2016)等相關標準規范，按照統一規劃、統一標準、統一資源、統一管理的原則進行建設。同時，為滿足北京局集團公司信息化規劃中基礎數據的管理需求，通過基礎支撐環境和系統站點擴展，可將北京局集團公司鐵路地理信息數據納入其中并進行統一管理，實現北京局集團公司地理信息數據的共享共用。

3 關鍵技術研究

3.1 面向對象的空間數據管理技術

京張高鐵地理信息平臺管理的鐵路地理信息數據比例從1∶100萬到1∶200，即包括小比例粗粒度數據，也包括大比例細粒度數據。如何實現不同粒度、空間和屬性數據的統一有效存儲，并且保證多用戶并發訪問的快速性和數據的一致性，是需要解決的關鍵問題。

與屬性數據相比，空間數據具有空間特征、非結構化特征、空間關系特征等特點。基于上述特征，空間數據庫需以面向對象技術來設計，確保空間數據屬性與空間的一致性，并提供靈活的規則制定方法，滿足空間數據的表示、存取、檢索、更新等要求[3]。

3.2 服務式GIS(Service GIS)技術

采用基于Web 服務的SOA(面向服務的體系架構)構建，以滿足不斷變化的業務優先級[4]。采用Service GIS技術，即面向服務的軟件工程方法，把GIS的全部功能封裝為Web服務，從而實現跨平臺、網絡、語言的調用。

3.3 地圖緩存及更新技術

(1)地圖緩存

使用地圖緩存技術對地圖進行切片，有效地減輕了服務器的計算負載和網絡傳輸負擔，極大地改進了客戶端和服務器端的交互效率，提升了網絡地圖的服務應用水平，改善了客戶端的用戶體驗[5]。

(2)地圖更新

獲取空間數據對應的“瓦片”(一張或者幾張)，計算這部分“瓦片”的地圖范圍，并在后臺重新生成這個范圍的地圖圖片。用新生成的圖片替換這些舊有的“瓦片”，具體流程如下：

①使用地圖緩存技術對地圖進行切片；

②獲取所對應的“瓦片”；

③獲取每個“瓦片”所對應的地圖范圍；

④重新生成“瓦片”，并替換原“瓦片”。

3.4 智能集群技術

京張高鐵地理信息系統平臺部署在中國鐵路總公司的主數據中心云平臺，采用智能集群技術，可隨時、按需、方便地提供服務，并可以在云端調配和動態擴展[6]。

4 技術方案

4.1 系統架構

京張高鐵GIS地理信息系統是中國鐵路總公司鐵路地理信息平臺面向智能鐵路的應用延伸。在京張高鐵GIS地理信息系統中，接入了國家基礎地理信息系統，實現了國家地理基礎數據與高速鐵路地理數據的融合，形成京張高鐵“一張圖”。基于這“一張圖”，可開展面向鐵路多業務、多模式的空間信息服務共享。結合鐵路業務的不同應用，搭建“一張圖+N項服務”的空間信息應用模式，提供以空間信息為統一坐標的信息共享，為京張高鐵智能時空分析提供數據基礎保障。

(1)一張圖

“一張圖”的數據來源主要為國家基礎地理信息數據、京張高鐵空間地理信息數據[8]。其中，國家基礎地理信息數據采用國家測繪地理信息局主導建設的“天地圖”前置服務；京張高鐵空間地理信息數據需自行建設，具體包括鐵路線路、車站、四電、房屋、沿線設備設施的空間要素數據，以及專業設施設備臺賬數據，與設施設備相關的圖紙、技術資料、圖片、視頻等，涵蓋工務、供電、通信、信號、房建、給排水、旅服、土地、防災等專業[9-10]。

(2)基礎平臺

京張高鐵GIS地理信息系統是中國鐵路總公司鐵路地理信息平臺面向鐵路的應用延伸，其地理空間數據的編制實現了多源異構空間數據的存儲與管理，可保證數據的有效性；同時，面向京張高鐵旅客出行便捷化、鐵路經營服務精準化、技術裝備運管修智能化、應急管理一體化的總體目標，結合京張高鐵各業務信息系統和用戶對鐵路地理空間信息和服務的實際需求，對外發布京張高鐵統一、標準的空間地理信息，并提供京張GIS門戶、在線地圖、功能服務發布、空間服務管理、空間數據管理、系統管理與監控等功能[11]。

(3)N項服務

基于“一張圖+N項服務”的地理空間信息應用模式，采用了多種標準空間信息服務接口OGC、REST以及SOAP協議，以滿足京張高鐵工程建設、智能裝備、智能經營和公眾服務等各類業務的應用需求。同時，可通過“在線地圖”為系統用戶(京張公司維管人員和路局沿線各站段業務人員)提供資源搜索定位、專題業務數據分析展示等功能。系統構架如圖1所示。

圖1 系統架構

4.2 邏輯架構

京張高鐵GIS地理信息系統采用分層架構，從上至下依次分為終端層、訪問層、服務支撐層、交互層、中間層、數據層、硬件層和網絡層共8層[3]。可使系統結構清晰、分工明確，以達到松散耦合、邏輯復用、標準定義的目的，增強了系統的可擴展性和安全性。

應用系統采用集中式部署。依托鐵路內部服務網，對京張高鐵各業務應用系統和用戶提供訪問服務。對于不在鐵路內部服務網的系統和用戶，可以通過鐵路安全平臺或者其他安全防護設備等方式進行訪問。

在數據層，建設了空間數據庫、屬性數據庫和文件數據庫，實現了業務數據與空間數據的分離。同時，在這些數據庫之上增加內存數據庫，數據的訪問可通過內存數據庫進行，以最大限度降低數據訪問的處理時間。中間層是整個系統的核心部分，其設計基于功能模塊(每個模塊的功能盡可能單一)。模塊內部高內聚，便于功能的橫向擴展；模塊之間松耦合，可增強系統的容錯能力。交互層支持多種方式的協議規范，包括WebServices、Ftp、DBLink等[12]，大大提升了系統的兼容性。對于空間數據的交互，采用業界通用的OGC、REST、SOAP等標準協議，能夠覆蓋大多數的空間數據交換需求。

服務支撐層是京張高鐵GIS地理信息系統的業務服務單元，包括京張高鐵GIS門戶、在線地圖、功能服務、功能管理、數據管理、系統管理與監控6個部分，提供了京張高鐵各業務信息系統和用戶的空間數據訪問、空間數據管理、在線地圖應用等系統功能。訪問層和終端提供了工程建設、智能裝備、智能經營、公共服務等各業務系統，以及京張高鐵公司管理人員、運維人員使用地理信息系統的各種方式和手段(如圖2所示)。

圖2 邏輯架構

4.3 功能設計

京張高鐵GIS地理信息系統是京張高鐵信息化系統的基礎保障，為其他業務系統和系統用戶提供了路地多源空間信息融合服務。系統用戶主要由其他業務系統的開發人員(基于GIS服務進行二次開發的技術人員)和京張城際公司維管人員、高鐵沿線各站段業務管理及運維人員組成，可為用戶提供基于GIS地圖的業務數據可視化展示、分析等[13]。系統功能模塊設計如圖3所示。

圖3 系統功能架構

(1)京張高鐵GIS門戶

主要用于展示京張高鐵的各類空間信息資源，是用戶登錄系統的入口，也是京張高鐵地理信息GIS功能服務的集中展示模塊。用戶可根據實際需要，使用系統所提供的各類信息及功能，包括用戶登錄與身份認證、GIS服務概覽、GIS服務資源列表、典型應用展示、開發接口示例及說明、新聞通告中心、資料下載中心等。

(2)在線地圖

在線地圖子系統可為京張高鐵系統用戶(京張城際公司人員和高鐵沿線各站段運維人員)提供全線“一張圖”可視化、設備設施定位查找、時空關聯分析、路地線路規劃、專題數據分析展示、個人工作地圖等功能，滿足京張高鐵各類用戶的使用需求。

(3)功能服務

京張高鐵GIS地理信息系統提供的服務可分為四類：GIS可視化服務、GIS查詢服務、GIS分析服務及GIS專題服務。

(4)數據管理

數據管理子系統統一管理京張高鐵地理信息數據，為全線提供標準地圖及GIS功能服務，實現鐵路地理信息數據的科學存儲、有效管理。

(5)服務管理

服務管理子系統提供對各種類型服務的管理功能，包括服務發布、注冊、啟動、停止、刪除、查詢、統計等功能。

(6)系統管理與監控

對用戶、角色、權限等進行統一身份認證及授權分布管理。

4.4 數據建設

京張高鐵空間數據建設內容包括國家基礎地理信息數據和京張高鐵空間地理信息數據兩部分[14]。

國家基礎地理信息數據可提供京張高鐵周邊要素(地貌、植被、水系、交通、社會人文等)信息，是京張高鐵空間數據建設不可或缺的部分。京張高鐵GIS地理信息系統中的國家基礎地理信息數據為自行建設。為了節約成本，減少資源浪費，綜合考慮建設經濟效益，京張高鐵的國家基礎地理信息數據應與中國鐵路總公司《鐵路地理信息平臺總體方案》的要求一致，可為全路各業務系統提供國家公共基礎地圖服務。

京張高鐵空間地理信息數據是京張高鐵線路及附屬設備設施空間數據和屬性數據的統稱，此部分數據為自行建設。根據《鐵路地理信息平臺總體方案》，京張高鐵空間地理信息數據可劃分為京張高鐵專業公用地理信息數據和京張高鐵專業專用地理信息數據兩部分。其中，京張高鐵專業公用地理信息數據用于鐵路各專業之間的共享，依據《鐵路地理信息分類與編碼》(Q/CR 520—2016)進行分類；京張高鐵專業專用地理信息數據是非鐵路專業共享共用的數據，此部分數據主要面向京張高鐵各專業系統的應用需求。為實現資源集中管理，優化資源配置，此兩部分數據均放置在鐵路總公司鐵路地理信息數據庫中。

4.5 數據部署

京張高鐵的所有空間數據(即國家基礎地理信息數據和京張高鐵空間地理信息數據)集中部署于中國鐵路總公司鐵路地理信息數據庫。

4.6 接口方案

(1)服務接口類型

為滿足不同業務系統對GIS服務的調用，京張高鐵GIS系統將提供業界通用的OGC、SOAP和REST三種標準服務接口方式，并采用網絡協議標準TCP/IP、HTTP來進行通信控制[15]。

(2)二維可視化服務接口

京張高鐵GIS地理信息系統二維可視化服務接口情況如表1所示[16-18]。

(3)三維可視化服務接口

京張高鐵GIS地理信息系統三維可視化服務可實現鐵路線路、沿線地形地貌的可視化和直觀化，對外提供基于B/S架構、輕量化的三維可視化服務，在瀏覽器端就能實現三維服務的集成[19]。京張高鐵GIS地理信息系統三維可視化服務情況如表2所示。

表1 二維可視化服務接口

表2 三維可視化服務接口

(4)GIS功能服務接口

京張高鐵GIS地理信息系統功能服務設計的核心內容包括GIS功能服務類型和功能設計。目前，系統對外提供的地理信息功能服務包括參考性服務、網絡分析服務、幾何服務、三維空間分析服務、緩沖區分析服務、空間統計分析服務、空間查詢服務及地圖標注服務等。此外，系統同時提供在線服務的二次開發接口(API)[20]，如表3所示。

表3 地理信息功能服務接口

4.7 網絡方案

京張高鐵GIS地理信息系統部署在中國鐵路總公司主數據中心環境中，運行于鐵路內部服務網。京張

高鐵用戶可通過內部服務網直接訪問，實現對京張高鐵空間數據的管理、預覽。

5 結論

通過京張高鐵鐵路地理信息平臺的建設，形成如下創新：

(1)提出面向京張高鐵多業務、多模式的鐵路地理信息平臺建設方案。

(2)完整集成了國家基礎地理信息數據、鐵路專業公用地理信息數據，實現了“全線一張圖”。

(3)可提供標準、規范的鐵路地理信息數據。

(4)可提供GIS可視化、空間分析等功能服務，以及標準、規范、統一的接口，為鐵路規劃設計、工程建設、運營管理、客貨營銷深度應用打下基礎。

(5)提出了京張高鐵地理信息平臺標準體系框架。