三維GIS在鐵路勘測設計中的應用分析

王光那

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300000）

鐵路勘測設計經(jīng)過多年的發(fā)展與完善，技術水平不斷提高，已經(jīng)能成熟應用包含GPS、GIS與RS等在內(nèi)的多種現(xiàn)代測繪技術，相應的設計軟件也不斷成熟，取得了突破性的進展。然而，距離實現(xiàn)動態(tài)化、一體化與多維化的目標，還有一定的距離。現(xiàn)有的開發(fā)軟件還停留在單項應用上，二維與三維設計還無法做到一體化，而且勘測數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)相分離，對集成管理造成很大的影響與限制。針對上述問題，需要引入一種新方法與平臺來有效解決，這一新方法即為三維GIS，它的應用能從根本上改善鐵路工程勘測設計現(xiàn)狀，進一步提高勘測技術水平。

1 三維GIS主要特征與應用優(yōu)勢

（1）三維GIS可獲取海量空間數(shù)據(jù)，并且能對數(shù)據(jù)進行動態(tài)調(diào)度與顯示，在鐵路長達項目中十分適用。一般一條完整的線路，對其線路與地形數(shù)據(jù)進行三維可視化的過程中，它的數(shù)據(jù)量極大，與計算機內(nèi)存相對而言，可稱作海量。線路所有數(shù)據(jù)不能一次性輸入到內(nèi)存，所以鐵路勘測設計為了實現(xiàn)對設計整個過程與結果進行三維可視化，應對這些海量數(shù)據(jù)予以動態(tài)調(diào)度及顯示。在這種情況下，三維GIS是有效解決方法，它基于地形地物分區(qū)，同時采用空間索引，對海量數(shù)據(jù)進行動態(tài)調(diào)度及顯示[1]。

（2）三維GIS具有的模型構建與編輯等功能，可以使鐵路設計實現(xiàn)可視化與動態(tài)化。在鐵路勘測設計中，需要對設計進行多次修改，為了在設計的所有階段都能對實際狀態(tài)對應的三維景觀進行查看，應使用具有模型構建與編輯等功能的設計軟件。對于三維GIS，它能對地形地物予以抽象，由此獲得數(shù)據(jù)可以用于線路模型與地形等的描述，將這些數(shù)據(jù)作為基礎的模型構建及編輯，能為鐵路設計提供動態(tài)交互式平臺，也就是在統(tǒng)一平臺根據(jù)設計結果進行自動的模型構建，以此做到三維可視化，并為同步修改提供可靠支持。鐵路三維可視化數(shù)據(jù)模型如圖1所示。

（3）三維GIS能實現(xiàn)屬性管理，在數(shù)據(jù)庫管理中十分適用。在實際的鐵路勘測設計中，有很多數(shù)據(jù)產(chǎn)生，目前已經(jīng)可以在數(shù)據(jù)的采集過程中為它建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，而要想對數(shù)據(jù)進行高效應用及管理，則數(shù)據(jù)和線路圖形不可分離，需要采取有效的措施使二者有良好的關聯(lián)。屬性管理可以在三維空間當中對與數(shù)據(jù)庫有關的所有信息進行關聯(lián)查詢或編輯，它能為數(shù)據(jù)庫管理創(chuàng)造良好條件[2]。

圖1 鐵路三維可視化數(shù)據(jù)模型

（4）三維GIS能使數(shù)據(jù)的采集、處理與應用實現(xiàn)一體化，為鐵路設計的一體化提供幫助。勘測設計實際上就是數(shù)據(jù)的采集和處理過程，這和三維GIS實際運行具有一定相似性，充分利用三維GIS具有的功能，能為鐵路設計及其一體化奠定良好基礎。

2 以三維GIS為基礎的鐵路勘測設計

借助三維GIS組織并管理空間及屬性數(shù)據(jù)，并依靠文件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫，能對實際勘測設計中涉及的不同數(shù)據(jù)實施良好的組織及管理，同時為線路設計創(chuàng)造便利，實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問。充分利用三維GIS具有的空間分析及可視化功能，能對勘測設計數(shù)據(jù)開展復合應用，將數(shù)據(jù)整合至相同的平臺，進而使設計實現(xiàn)一體化。

2.1 數(shù)據(jù)組織與集成管理

在過去的勘測設計中，以CAD模型為依據(jù)完成數(shù)據(jù)組織，它的根本目的在于制圖，關聯(lián)屬性與拓撲關系表示等都較弱，成果也是二維圖，三維表示需要采用其他平臺才能實現(xiàn)，采用這一方式難以在相同的平臺對三維和其他數(shù)據(jù)進行集成管理，并對空間分析應用造成影響。而在勘測設計中引入三維GIS后，能直接構建三維模型，其表達十分直觀且形象，任何數(shù)據(jù)都能在相同的平臺中管理，屬性數(shù)據(jù)與空間對象之間的關聯(lián)也很容易實現(xiàn)，能將不同的數(shù)據(jù)集成至相同平臺，在保證數(shù)據(jù)獨立性與完整性的基礎上，對數(shù)據(jù)進行全過程的管理[3]。

（1）數(shù)據(jù)組織。在進行鐵路勘測設計時，主要涉及下列三部分數(shù)據(jù)：第一，基礎數(shù)據(jù)；第二，成果數(shù)據(jù)；第三，屬性數(shù)據(jù)。雖然設計中會涉及很多種不同的數(shù)據(jù)，不同數(shù)據(jù)無論是來源、格式，還是應用范圍，都有所不同，但都能對地表特征予以反映，從空間位置角度講相互聯(lián)系。基于此，系統(tǒng)可將空間位置作為依據(jù)，為不同數(shù)據(jù)建立基本控制框架，然后借助GIS對海量數(shù)據(jù)進行管理，對空間與屬性數(shù)據(jù)具有的特點進行整合，并對不同數(shù)據(jù)實施組織、管理，最終實現(xiàn)一體化的目標[4]。

（2）數(shù)據(jù)集成管理。在鐵路勘測設計中，不同數(shù)據(jù)之間并非孤立存在，而是存在一定關聯(lián)性。以三維GIS為基礎的鐵路勘測設計則是以數(shù)據(jù)間的聯(lián)系為依據(jù)，對處于勘測設計時的各類數(shù)據(jù)實行的集成管理。對勘測設計數(shù)據(jù)進行組織與管理時，既可以使用數(shù)據(jù)庫，也可以使用文件系統(tǒng)。對于基礎與屬性數(shù)據(jù)，大多采用數(shù)據(jù)表，也可使用圖形圖像文件，其數(shù)量很大，采用關鍵字的方式能為數(shù)據(jù)入庫等一系列操作提供方便，在這種情況下采用數(shù)據(jù)庫比較方便；而成果數(shù)據(jù)因格式比較復雜，且輸入/輸出十分頻繁，數(shù)量不多，所以采用文件系統(tǒng)比較合適，能提高實際的管理效率[5]。數(shù)據(jù)集成管理貫穿整個設計過程，基于此，可將勘測設計過程分成下列3個階段，每個階段對應的數(shù)據(jù)管理如下：①數(shù)據(jù)獲取、整理與入庫。該階段重點是對獲取的數(shù)據(jù)進行檢查，在保證內(nèi)容與格式都正確的基礎上，將各專業(yè)數(shù)據(jù)提供至數(shù)據(jù)庫。另外，還需對基礎數(shù)據(jù)做整理，從中獲取和線路有關的屬性數(shù)據(jù)，并傳輸至相應的數(shù)據(jù)庫，為之后的線路養(yǎng)護工作創(chuàng)造便利。入庫結束后，安排專人進行元數(shù)據(jù)表等記錄的填寫。②線路設計。該階段中，相關設計人員要多次對地形測繪資料及地質(zhì)勘查資料進行調(diào)用，為避免對數(shù)據(jù)庫造成多次操作，保證設計過程中的數(shù)據(jù)提供效率，可以把常用資料采用檢索的方式調(diào)入至相應的數(shù)據(jù)庫當中，做暫時性的存儲。與此同時，不同專業(yè)的人員還能將不同階段獲得的成果傳輸至相應數(shù)據(jù)庫，為其他專業(yè)可以及時訪問并使用這些成果提供方便。不同專業(yè)的人員在完成線路設計工作后，應將成果數(shù)據(jù)整合成獨立文件，為之后的三維模型建立提供方便。③模型使用。在該階段當中，系統(tǒng)根據(jù)各成果數(shù)據(jù)構建相應的模型，所有模型都能實現(xiàn)可視化，同時由于線路穴是研究對象重要標識，所以基于此能使不同數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)相互關聯(lián)，以此在瀏覽模型的基礎上實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、修改與刪除。

2.2 數(shù)據(jù)應用

在數(shù)據(jù)組織與管理中使用三維GIS，能使勘測設計數(shù)據(jù)的分析實現(xiàn)三維可視化，這樣除了對設計質(zhì)量的保證有利，還能滿足在方案比選過程中提出的各種要求。

（1）動態(tài)可視化。無論是鐵路的線路模型，還是數(shù)字地面模型，均能借助三角網(wǎng)結構進行組織，對于線路模型與對地形進行的動態(tài)調(diào)度及顯示，存在下列兩個關鍵點：第一，對線路與地形進行分塊索引；第二，以數(shù)據(jù)分頁為基礎的數(shù)據(jù)調(diào)度。模型與地形數(shù)據(jù)都采用塊作為區(qū)邏輯分區(qū)，它也是空間索引重要基礎，數(shù)據(jù)訪問及存儲都將其作為單元，進行可視化應用的過程中，它屬于渲染單元。在一個塊中，有很多三角形，三角形的落位取決于它的重心處于哪個正方形區(qū)域。以分塊索引為基礎進行自動分頁能對大規(guī)模場景進行動態(tài)渲染。每個數(shù)據(jù)頁都由線路模型與多個塊組成。動態(tài)渲染時，伴隨視點不斷移動，應對數(shù)據(jù)頁中對應的數(shù)據(jù)塊進行動態(tài)更新。在硬盤中進行新數(shù)據(jù)的讀入往往要耗費一段時間，這樣會在視覺上產(chǎn)生延遲。常用調(diào)度方式為建立緩沖頁，并交換它們各自的內(nèi)容。緩沖區(qū)共有兩個，即顯示與數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。其中，顯示緩沖區(qū)主要內(nèi)容是對數(shù)據(jù)頁予以三維顯示；而數(shù)據(jù)緩沖區(qū)則是對數(shù)據(jù)進行調(diào)度使用的數(shù)據(jù)頁。緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)交換可借助多線程技術來實現(xiàn)，對當前視點所在具體位置以及和數(shù)據(jù)頁中心之間的平面位置之間的關系進行判斷，能對數(shù)據(jù)頁實行動態(tài)更新，進而在相同的尺度條件下對地形數(shù)據(jù)進行不同方向的漫游。

（2）數(shù)據(jù)分析應用。以三維GIS為基礎的勘測設計，在三維GIS作用下能實現(xiàn)空間分析，進而對基礎與成果數(shù)據(jù)予以深層次應用，下列以開挖填筑土石方的計算與橫斷面提取為例進行分析：①開挖、填筑土石方的計算：采用DEM建立與分析的方法，可以在完成對地形表面的指定以后，對開挖與填筑施工的土石方數(shù)量予以準確且快速的運算，具體的算法以體積量算為主，這也是三維GIS重要工具和思想。②對任意橫斷面進行自動提取：通過對地形與線路模型之保持的拓撲關系的分析，可以算出各豎直平面和地形及線路模型之間的交叉點，對于這些交叉點，根據(jù)其終點之間的距離進行排序后，依次相連，獲得的折現(xiàn)就是要提取出來的橫斷面及其剖面線。該過程需由專門的系統(tǒng)通過自動運算實現(xiàn)，它的工作效率必然高于人工方法。另外，采用這一方面還能對橫斷面精度，以及地形與線路模型實際密度等進行提取。

3 結束語

綜上所述，三維GIS對鐵路工程項目的勘測設計而言，是一種能解決傳統(tǒng)勘測設計弊端的有效方法，也是使勘測設計實現(xiàn)可視化與動態(tài)化的重要技術手段。基于此，實際工作中，應在明確三維GIS技術主要特點與優(yōu)勢的基礎上，將其合理引入到勘測設計中，積極培養(yǎng)相關技術人才，使其功能效應得以充分發(fā)揮。