石家庄铁路入地三维地理信息系统的设计与实现

1、【文章编号】10063862(2011020119一饰 数字城市 石家庄铁路入地三维地理信息系统的设计与实现李庆民崔志伟2张文胜2(1.河北省城乡规划设计研究院,河北石家庄,050011;2.石家庄铁道大学交通运输学院,河北石家庄, 050043【摘要】研究了世界首例国营干线铁路入地工程建设与运营管理问题,提出一种基于时间-事件-状态一体化时空数据模型,结 合里程桩滑动条的施工信息动态查询方法,解决了隧道施工中连续型空间信息存储与管理的难点,构建了铁路入地三维地理 信息系统,实现了三维建模、征地拆迁、地下管线管理、施工进度管理以及运营后的应急辅助决策支持等功能。【关键词J 3D GIS;时间.

2、事件.状态;时空数据模型;里程桩滚动条;铁路入地工程【中图分类号】F291.1【文献标识码】B引言随着计算机图形学、遥感(RS、全球卫星定 位系统(GPS、地理信息系统(GIS的迅猛发展, 应用GIS技术构建铁路地理信息系统已逐渐成为 铁路信息化建设与管理领域中极具前景的发展方 向之一。建立铁路入地GIS系统的目标是方便直 观地查询相关信息,实现对铁路入地空间数据与 属性数据科学的管理,及时提供科学、翔实和直观 的数据等。石家庄铁路入地工程是世界首例国营干线铁 路入地工程,与地铁相比存在着列车长度、轨重、道 床、载重量、有无待避等方面的区别,在施工和运营 方面也有所不同,需要建立地理信息系统进

3、行科学 的管理,而地上、地下一体化三维场景的构建,可以 直观地解决交通规划及施工运营管理中的问题,同 时对日常管理及火灾、地震、暴雨引发的灾害应急 预案提供决策支持。系统以GIS软件为支撑平台, 以管理与分析基础地理信息数据及其属性数据为 侧重,以提供管理层的决策支持为目标建立相应的 铁路入地三维地理信息系统。系统的研建,不仅可 以为科学探索和研究铁路入地地理信息与常规交 通地理信息的区别提供数据和依据,而且对于日后 铁路入地的建设和管理,有着重要的应用参考价值。基金项目:河北省科技支撑计划(09215627D;石家庄市科学技 术研究与发展计划(09579465A。城市发晨研究18卷2011年

4、2期Urban Studies V01.18No.2201I l 系统概述1.1系统目标规划(1具有GIS软件的基本功能,如:地图操作、 绘图操作、数据库管理操作、专题图制作、空间分 析等。(2在铁路人地工程拆迁阶段提供拆迁面积、 位置、权属单位、补偿情况管理;地下管线空间位置 和属性信息的查询与管理;隧道沿线主干道信息的 查询等。(3在工程施工期间提供一个施工进度情况汇 总的平台,对施工进度情况进行查询与管理。(4在运营期间提供地下隧道辅助设施位置查 询、隧道运营事故灾害管理以及应急辅助决策支 持等。(5提供一个用户交互式铁路入地三维场景界 面,可以从三维可视化的角度进行距离、面积、体积 量

5、算与铁路人地辅助设施查询与管理。1.2系统总体结构与特色系统总体结构的设计包括:常用地图操作、常 用绘图操作、空间分析、专题制图、数据库维护、铁 路入地工程前期管理、铁路入地工程施工管理、运 营后灾害辅助决策支持以及三维建模等,总体结构 图如图l所示。系统的主要特色包括以下几点:(1提出针对石家庄铁路入地工程信息的分类 与编码方式,对石家庄铁路入地工程涉及的多源、 复杂的空间、属性信息进行有序的储存与管理;运119数字城市 李庆民等:石家庄铁路入地三维地理信息系统的设计与实现 石家庄铁路入地拟i维地理信息系统数据库建设系 统 维 护 数 据 库 基础地理信息数据库铁路入地工程专题数据库基础属性

6、信息数据库应急辅助决策数据库系统建设常用地圈操作空问分析专题地图制作圈1系统总体结构圈用GIS技术,将工程涉及的多源信息在地图中直观 地表现出来。(2采用地上、地下一体化的三维建模技术,将 石家庄铁路人地工程地上实体、地表、地下构筑物进 行集成显示,提供一个用户交互式铁路入地三维场景 界面,实现距离、面积、体积量算与铁路入地辅助设施 查询与管理等功能,为政府部门提供有效的决策支 持,同时使居民对于铁路入地工程有一个直观了解。 (3对于国际首例国营主干铁路入地工程施工 信息化管理,提出一种基于时间一事件.状态一体化 时空数据模型,该模型体现了时间、事件、状态、属 性、空间一体化的特点,描述了铁路

7、入地工程施工 时空发展的全过程。(4采用里程桩滑动条的施工信息动态查询方 法,利用改进的滑动条控件表示隧道里程,解决 了隧道施工中连续变化的空间信息存储与管理的难数据库维护铁路入地工程前期管理铁路入地工程施上管理运营灾害辅助决镱支持点,实现了按照施工里程、工程进度、施工状态三位 一体的信息管理。(5采用GIS中专题图制作、几何网络模型、最 短路径算法三者相结合的方法,直观便捷地实现石 家庄铁路入地工程隧道内部以及外部最短救援路 径的分析。2系统的设计与开发2.1三位一体时空教据模型的构建时间一事件.状态三位一体时空数据模型通过对 象的唯一标识ID对一个时空对象发生的时间、空间 特征、空间关系、

8、属性信息、事件和状态等信息进行 关联,从而达到记录空间信息、属性信息发生变化 的过程及原因的目的。石家庄铁路入地工程的基 于时间一事件一状态一体化的时空数据逻辑表达如表 1所示:裹1铁路入地工程的逻辑表达该时空数据模型在石家庄铁路入地工程上的 应用可以使里程位置、施工进度与工程状态三位一 体进行建模查询,完善了地理信息系统时空一体化 模型的构建,解决了铁路入地工程的修建里程、工 程时间管理、工程状态的同步管理。1202.2地上、地下一体化三维场景的构建地上、地下一体化铁路入地三维场景的构建过 程分为数据分类、数据集成、数据压缩、数据处理、 纹理库和模型库建设与三维景观集成等步骤。 数据分类城市

9、发晨研究18卷2011年2期Urban Studies V01.18No.22011李庆民等:石家庄铁路入地三维地理信患系统的设计与实现 数字城市石家庄铁路入地三维场景所表达的地理范畴, 包括城市表面上和表面下一定范围内的空间地物。 根据需要构建场景的要求,把空间对象分为五类:地形、建筑物及附属设施、地下构筑物、交通及附属 设施、植被。数据集成该场景模型中的地上实体模型如果与地形模 型相交,采取将地物模型镶嵌在地形模型中,地下 构筑物也从反面镶嵌在地形模型中,保证整个场景 的集成和统一,保证准确的三维可视化效果。数据压缩石家庄铁路入地三维景观模型中的矢量数据 主要是指构成三维模型的点、线、多边

10、形面和体等 几何元素,以及二维矢量DWG格式的数据。由于 矢量数据用以精确地描述地物的形状及其空间位 置,所以采用无损压缩进行存储。数据处理石家庄铁路入地场景的数据处理主要包括以 下三方面:第一,地形处理;通过对AutoCAD图层的处理 获得高程点数据表,生成DEM通过本系统的“三维 地形生成”功能,根据高程点数据集来创建TIN,然 后转换为栅格的DEM并导出。第二,地物数据提取;将DWG格式的地形图 输出为DXF格式。并在Maplnfo中将其转换为圈2三雏地上场量2.3数据库设计石家庄铁路人地三维地理信息系统数据库设计 步骤包括:用户需求分析、石家庄铁路入地工程信息 分类编码、概念设计、数据

11、库详细设计等。城市发晨研究18卷2011年2期urban Studies V01.18No.2201l Maplnfo的交换格式MIF。MIF文件就包含有建 筑物的三维信息,每一栋建筑物都具有唯一的标 识,也就保证了其准确的平面坐标;并提取建筑 物的高程信息。第三,复杂实体三维建模。在三维场景中,像 标志性建筑物、铁轨、隧道附属设施等复杂实体很 难用常规方法进行建模,该场景采用3DSMAX9.0建模工具进行复杂实体的创建。纹理库、模型库的构建纹理库及模型库的建立主要是根据铁路入地 周边场景的实际情况对地物进行分类,纹理库主要 存储在Photoshop软件中处理合格的纹理照片。模 型库的构建主要

12、是结合Photoshop和3DSMax两个 平台来进行,Photoshop用来处理生成复杂模型的纹 理,而3DSMax用来建立复杂模型,并对最终的模型 进行纹理映射。地上、地下三维景观集成当前期准备工作完成之后,开始对各种数据和 模型进行集成。将DEM、MIF文件导入及合并;利 用三维建模软件单独创建的模型的导入及比例、大 小、位置的调整;主要道路的绘制及道路两旁植被、 路灯等批量模型成批创建;地上标志性地物的侧面 及顶面纹理的粘贴;主干道及其他主要建筑物的标 注等等操作。构建的地上、地下一体化的三维场景 如图2、图3所示。圈3三堆地上、下场集成(1需求分析:明确系统的用户对数据库内容 和期望

13、及要求。(2石家庄铁路入地工程信息分类编码:石家 庄铁路人地工程信息的内容十分广泛,大体上分为 12l数字城市 李庆民等:石家庄铁路入地三维地理信息系统的设计与实现基础信息和专题信息两类。表2为石家庄铁路入地 工程信息分类编码表。(3概念设计:数据库概念化设计是从抽象的 角度来设计数据库,是一个确立数据库模型的过程。 (4数据库详细设计:石家庄铁路入地三维地 理信息数据库的详细设计可以分为四方面的内容: 范式分析、主键设计、数据表详细设计、数据库具体 存储和管理结构的设计。隧道信息数据库总体结 构如图4所示。数据库的管理的主要内容有:系统用户登录设 计、系统用户权限设置、用户管理、查询登录日志

14、和 清除登录日志、数据库的恢复和备份等。隧道信息数据库隧道基本信息 I l隧道断匝】信息 I l隧道附属设施 I I隧道上程地质 数据库 I I 数据库 I 数据库 l I 数据库相 关 照 位 信 息 表隧道断面信息数据表照 明 设 施 数 据 表圈4麓道信息数据库结构圈3系统功能与应用(1数据查询浏览:包括浏览数据库文件、打开 地理信息数据文件、数据的添加、删除、修改、保存、 制作报表、输出等功能。此外,在打开数据文件的 基础上,可以实现GIS矢量图形的属性信息查询以 及图和属性的双向查询功能。图5为系统主界面及 属性查询结果。(2铁路入地工程施工管理:在系统中,对于 静态施工数据实现了多

15、种关键词的交互查询。例122地层岩性特征表各地层垂直机床系数表如根据工序、隧道编号、项目等关键字直接查询出 铁路人地工程施工信息;对于动态施工数据(隧道 断面图、钢筋布置图等空间信息等可以结合基于 里程桩滑动条的施工信息动态查询的方法,首先 是将含有工程数量表、断面设计尺寸、标注、附属 设施等信息的隧道断面图进行分类编码,分别以 时间、里程为主线进行存储。然后利用改进的 Slider控件来表示隧道里程,结合Slider控件的性 质实现隧道内任意里程的动态空间信息查询与 管理。城市发展研究18鬈2011年2期Urban Studies V01.18No.22011R;5女&铁镕!t目日值

16、E§坑什;m(3运营后灾害辅助决雉管理;针对百家庄铁 路人地工程的运营安全同题,实现最佳救援路线 (石家庄地隧道工程外以及最近附属设施(石家 庄地隧道工程内的分析与显示。井实现对隧道 运营后事战的记录与存储功能,为日后事故址理分 析提供原始散据。目,g±#&t自目(4三维建横与分折:包括三维地形自动生成、由 带高程信息的点数据集生成nN、由TIN生成DEM HN与地形等高线的转换、地物二维模型自动生成、遒 路=维横喇生成、=维场景漫游场景动画效果洲览以 受铁路地附属殳施查询及GIS分折等功能。幽s为 =维体积查阿结果图6为空问关系查谢结语 :鬻鬻曼毖譬嚣;i;:三:

17、目前,国内采用三维建横方法和可视化拄术进 现实意义和参考价值。行国营铁路地工程施工与管理具有一定的创新性和前瞻性。系统的研发为石家庄铁路人地工程#m美曩HRl8掌20II 42m umn￥1udiei voI B No 2z0数字城市 李庆民等：石家庄铁路入地三维地理信息系统的设计与实现 【参考文献】 邬伦，任伏虎。等地理信息系统教程北京：北京大学出版 社， 。， 刘东琴，徐文中林宗坚城市空间二维信息系统与三维虚拟场 景一体化研究与应用测绘科学，（）： 黄铎三维城市模型的数据内容。武汉大学博士论 文， 肥髓 吴信才，曹志月时态的基本概念、功能及实现方法【中 国地质大学学报，（）： 】徐志红，边馥苓，陈江平基于事件语义的时态模型】武 汉大学学报（信息科学版），： （）： ， ，（）： 施仲添。叶智宣，陆字红关于城市基础空间数据地理信息分类 编码的探讨地理信息世界。，（）： 任海军。文俊浩。徐玲一种三维数字城市的构建和实现方法 重庆大学学报，（）： 作者简介：李庆民（一），男，河北石家庄人，高级规划 师。主要从事城市规划设计及研究。 收稿日期： ， ， 【】 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 【】 ； ； ； ； （上接第页） ： ， ，