韓元利，陳燕平，薛向陽

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063;2.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079)

將網(wǎng)絡(luò)影像服務(wù)(WMS)，如 Google Earth，Google Maps和天地圖等應(yīng)用于大型鐵路工程的設(shè)計，國內(nèi)外學(xué)者均作過這方面的嘗試［1］，但目前的應(yīng)用主要局限于大眾型的查詢服務(wù)，在工程應(yīng)用領(lǐng)域受客戶端的限制很難發(fā)揮作用。在數(shù)據(jù)獲取、存儲與共享以及坐標轉(zhuǎn)換方面，李德仁等［2－3］結(jié)合基礎(chǔ)設(shè)施進行研究;GIS技術(shù)自產(chǎn)生起，作為邊緣學(xué)科，以其強大的空間分析功能［4］而快速地應(yīng)用于各學(xué)科領(lǐng)域，如工程［5］、電力、水利等。

1 理論與方法

1.1 海量WMS影像數(shù)據(jù)的獲取

WMS數(shù)據(jù)組織主要有3種坐標:地理坐標系統(tǒng)、像素坐標系統(tǒng)和圖片坐標系統(tǒng)。

地理坐標系統(tǒng)可以是以經(jīng)緯度為標識的全球統(tǒng)一大地坐標或是以UTM投影后的平面坐標，它們的區(qū)別是前者可以覆蓋全球區(qū)域，而后都只能覆蓋到約南緯85度到北緯85度之間的區(qū)域［6］，前者數(shù)據(jù)適合在全球三維表達平臺中表達與應(yīng)用，而絕大多數(shù)的WebGIS則是采用后者進行平面組織與表達。

像素坐標是將地理坐標經(jīng)平面映射后按照不同的分辨率柵格化的光柵圖像空間，嚴格說來這種映射應(yīng)該是保證映射前后坐標均能一一對應(yīng)的統(tǒng)一絕對轉(zhuǎn)換，因而諸如工程上常用的高斯－克呂格投影顯然不適合這種轉(zhuǎn)換，對UTM數(shù)據(jù)源來源，也無需再進行轉(zhuǎn)換，可以直接進行像素級定位。

圖塊索引坐標是對統(tǒng)一像素空間的簡化，我們知道如果要將全球范圍的影像放在一個圖像文件中，如果要達到一定的分辨率，在尺寸上是不可行的，因而需要進行分件拆分，以標準大小的圖塊進行分割是保障空間影像實時訪問、傳輸及多尺度表達的必要技術(shù)［7］。

WMS數(shù)據(jù)經(jīng)一定方式進行平面投影后，按不同的分辨率可將全球數(shù)據(jù)分為18甚至更多層次，層次越高，分辨率越高，對第l層的平面影像按照固定的瓦片大小進行規(guī)則分割形成22l塊圖形塊，這些圖像塊是本文進行WMS影像獲取、傳輸與工程化應(yīng)用的原子單位。根據(jù)WMS數(shù)據(jù)源約定的全球區(qū)域內(nèi)對這些圖塊進行有序地行列索引編制，從而實現(xiàn)了由地理坐標→平面像素坐標→圖塊索引坐標的一一映射［8］，因而對地理位置的訪問均可以按圖塊行列索引號地址進行數(shù)據(jù)訪問、存儲與獲取。

基于圖塊訪問的海量WMS數(shù)據(jù)獲取與存儲整個流程如圖1所示。

圖1 海量WMS影像數(shù)據(jù)的獲取流程Fig.1 Process of data acquiring and storing

由于面對是海量的影像數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸，如果以一般的單任務(wù)方式實現(xiàn)，通常一個區(qū)域的數(shù)據(jù)獲取可能在幾個小時甚至是幾天的時間，這顯然不能滿足工程設(shè)計的需要，為此我們在獲取技術(shù)上不僅采取網(wǎng)絡(luò)資源共享的方式避免已經(jīng)他人下載過的資源，而且在獲取手段上廣泛使用多進程模式實現(xiàn)了并行的網(wǎng)絡(luò)傳輸入，如圖中所示，如果允許的同時下載任務(wù)數(shù)為20個，則程序在運行期間最多可以保持22個進程來保障影像數(shù)據(jù)獲取的高效率，其中包括一個用于資源檢索與定位的進程和一個專門負責(zé)下載任務(wù)隊列管理的進行。建立上述的機制與技術(shù)手段后，可以將平均數(shù)據(jù)獲取效率提高5%以上，基本上能夠保障大區(qū)域工程影像的即時設(shè)計需要。

1.2 工程CAD出圖

基于網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)協(xié)議(WMS)的全球影像在大型工程中的應(yīng)用技術(shù)主要是利用各種網(wǎng)絡(luò)電子地圖提供較新的多尺度工程化設(shè)計影像數(shù)據(jù)的技術(shù)。該技術(shù)基于金字塔式的瓦片數(shù)據(jù)多進程獲取及先進的云存儲技術(shù)與高精度的工程坐標轉(zhuǎn)換實現(xiàn)，能夠方便地對任何區(qū)域下載衛(wèi)星圖、地形圖、交通圖等并自動拼接，成果支持任何地方獨立工程坐標的DWG圖的自動生成。

可以通過繪制多邊形提取某個區(qū)域內(nèi)的影像，并在 CAD中對提取區(qū)域進行拼接，然后在CAD中以平面形式展示出來，其動態(tài)過程如圖2所示。

由于鐵路是一個陜長的帶狀范圍，對于WMS在鐵路工程中的應(yīng)用，也可以通過提取鐵路線位兩側(cè)一定距離的影像進行工程應(yīng)用，如金溫鐵路局部影像的提取如圖3所示。

圖2 WMS影像在下載、拼接與出圖過程Fig.2 Download，splicing and plot process of WMS

圖3 金溫鐵路局部影像及線位Fig.3 Images and railway route of Jinhua－Wenzhou railway

2 WMS在鐵路選線設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 Google Maps在線選線

網(wǎng)絡(luò)在線選線設(shè)計能夠在脫離傳統(tǒng)CAD環(huán)境下利用任何在線電子地圖開展選線設(shè)計，相比CAD工程選線設(shè)計而言，它具備更新的更豐富的多尺度多媒介地圖數(shù)據(jù)支持;能夠方便地在交通圖、衛(wèi)片圖及柵格地形中進行切換選線;能夠集宏觀、微觀于一體進行設(shè)計;能夠支持全球范圍內(nèi)的大區(qū)域無圖紙線位方案規(guī)劃(如圖4);能夠?qū)崟r地得到線位的地面剖切線供選線參考決策(圖4)。選線結(jié)果能夠兼容平面工程表達與球面空間表達，能夠兼容鐵四院現(xiàn)有鐵路選線輔助設(shè)計CAD系統(tǒng)，具備高效、好用、易用等特點。

圖4 Google Maps鐵路在線選線Fig.4 Google maps railway route selection online

2.2 Google Maps道路自動提取

通過GIS矢量化技術(shù)，可以實現(xiàn)Google Maps自動道路跟蹤提取與工程圖的轉(zhuǎn)換，在Google Map上，通過首、尾點選擇要提取的道路，(只要是車子能夠走的路都能夠提取)，如圖5所示。提取后矢量化的道路再高亮顯示出來，并且可以轉(zhuǎn)為CAD平面圖形(圖6)，球面坐標同步轉(zhuǎn)換為CAD工程平面坐標，如圖6所示。

圖5 在Google Map下繪制要提取道路的轉(zhuǎn)折點Fig.5 Drawing roads’turning point on Google map

在投標或初測過程中，常常會因為地圖年代久而導(dǎo)致一些重要交通要素沒有在地圖上顯示出來，特別是高等級道路對于鐵路縱斷面高程起到的作用幾乎是決定性的，這時候就可以借助網(wǎng)絡(luò)影像將近年代的交通矢量提取出來，對鐵路設(shè)計起參考作用。

2.3 拆遷數(shù)量自動統(tǒng)計

鐵路設(shè)計中的拆遷量調(diào)查是一項耗時而繁鎖的工作，目前，這項工作幾乎全由人工手工完成，不但數(shù)據(jù)規(guī)范化難以統(tǒng)一，測量精度也因人而異。本文通過GIS的緩沖技術(shù)［9］，查詢鐵路線位兩側(cè)一定范圍內(nèi)的建筑面積，并進行統(tǒng)計，如圖7所示。這種自動化線調(diào)，數(shù)據(jù)規(guī)范統(tǒng)一，經(jīng)得起改線的考驗。

圖7 鐵路拆遷數(shù)量統(tǒng)計Fig.7 Statistic of removal number of railway

3 應(yīng)用與結(jié)論

已經(jīng)建立包括4臺服務(wù)器與14T的磁盤陣列空間服務(wù)器組為超過300個客戶端提供相應(yīng)的空間影像數(shù)據(jù)支持服務(wù)與網(wǎng)絡(luò)選線設(shè)計服務(wù)，采用共享式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)雙軌存儲機制后空間數(shù)據(jù)采集效率提高至95%以上，基本能夠滿足實時的出圖成圖需要，目前已采集空間數(shù)據(jù)在2000G以上，并且以日均20G～35G的遞增量增加。

(1)利用網(wǎng)絡(luò)影像，在工程前期地圖準備不到位的情況下，也可以進行工程設(shè)計，減緩了設(shè)計人員對底圖的依賴程度。同時，實現(xiàn)了智能化自動選線、縱斷面地面線提取及矢量道路網(wǎng)的提取。

(2)數(shù)據(jù)精度完全取決于空間數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的存儲精度，目前這方面的應(yīng)用僅限于鐵路設(shè)計初期。

(3)以鐵路為例進行研究，網(wǎng)絡(luò)影像服務(wù)同樣可應(yīng)用于電力、水利或者公路等其他行業(yè)，尤其適用于相對缺乏基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)的海外工程。

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