盧小平，陳曦東，武永斌，2，李國(guó)清，2，錢小龍，2

(1.河南理工大學(xué)礦山空間信息技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南焦作454003;2.河南省遙感測(cè)繪院，河南鄭州450003)

一、引 言

機(jī)載LiDAR能夠直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，已廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市、三維建模、地理信息快速更新等領(lǐng)域［1－3］。隨著高速鐵路的快速發(fā)展及未來(lái)“數(shù)字鐵路”的建設(shè)［4］，需要準(zhǔn)確的鐵路沿線的地形信息，可利用機(jī)載LiDAR獲取的數(shù)字高程模型(DEM)與數(shù)字正射影像(DOM)等信息，建立三維可視化數(shù)字鐵路信息平臺(tái)，推進(jìn)鐵路運(yùn)營(yíng)管理的信息化建設(shè)。利用三維GIS技術(shù)建立數(shù)字鐵路地目二三維信息管理平臺(tái)，是基于三維 GIS 技術(shù)的功能特點(diǎn)［5－7］，綜合利用機(jī)載LiDAR、航空影像、CORS 3種數(shù)據(jù)疊加獲得1∶2000鐵路地目基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，經(jīng)圖形編輯、權(quán)屬轉(zhuǎn)繪(界址點(diǎn)經(jīng)檢核校正、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換)、鐵路附屬設(shè)施信息標(biāo)注，制作各線路車站、區(qū)間、獨(dú)立地塊鐵路用地圖，并進(jìn)行數(shù)據(jù)建庫(kù)。雖然三維GIS的可視化效果可以直觀形象描述真實(shí)的地形地貌，但二維GIS則具有豐富的地圖制圖功能、多種多樣的查詢與分析決策方法、成熟的業(yè)務(wù)流程應(yīng)用等優(yōu)勢(shì)。因此，在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，可視化的三維GIS難以完全取代二維 GIS［8］。

本文利用機(jī)載LiDAR激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、綜合二維GIS和三維GIS的各自優(yōu)勢(shì)，通過(guò)建立二三維對(duì)照動(dòng)態(tài)符號(hào)模型庫(kù)，采用面向?qū)ο蠛徒M件化的設(shè)計(jì)思想，構(gòu)建數(shù)字鐵路地目信息二三維一體化管理系統(tǒng)，具有指定區(qū)域斷面自動(dòng)生成和土方量計(jì)算、鐵路地目二三維數(shù)據(jù)編輯和符號(hào)化、鐵路宗地與地籍檔案管理與查詢、統(tǒng)計(jì)與分析等功能，為鐵路勘測(cè)、資產(chǎn)清查、選線設(shè)計(jì)、應(yīng)急搶險(xiǎn)指揮決策提供技術(shù)支持和服務(wù)保障。本系統(tǒng)在鄭州鐵路局鐵路地目信息管理工作中，實(shí)現(xiàn)了二三維一體化的GIS應(yīng)用，既充分利用了現(xiàn)有大量的數(shù)據(jù)信息，又以良好的顯示效果提高了工作效率，因而具有良好的應(yīng)用前景。

二、研究方案

綜合利用機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)和航空影像(分辨率為0.2 m)提取鐵路沿線的鐵路附屬建(構(gòu))筑物、地表覆被等數(shù)據(jù)，并對(duì)這些成果進(jìn)行補(bǔ)測(cè)和核實(shí)。采用GPS RTK實(shí)測(cè)鐵路附屬設(shè)施要素，并調(diào)查相關(guān)屬性，形成利用機(jī)載LiDAR航攝作業(yè)成圖生產(chǎn)的DOM與DEM數(shù)據(jù)和鐵路專題數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，以DEM構(gòu)建地形模型并疊加DOM紋理構(gòu)建鐵路沿線的三維地形，使用3ds Max軟件進(jìn)行鐵路地物三維建模，形成鐵路真三維場(chǎng)景。利用ArcGIS Globe平臺(tái)基于面向?qū)ο蠛徒M件化的設(shè)計(jì)思想，通過(guò)LOD技術(shù)［9－10］流暢支持TB級(jí)的地形和影像數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)三維數(shù)字鐵路管理系統(tǒng)，系統(tǒng)研究的技術(shù)方案如下:

1)鐵路地目數(shù)據(jù)集構(gòu)建。綜合利用機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)和航空影像提取軌道與路基、站場(chǎng)、區(qū)間、鐵路附屬建筑物、植被等鐵路專題信息，通過(guò)實(shí)地調(diào)查獲取鐵路附屬設(shè)施專題要素和鐵路用地界址及地目數(shù)據(jù)，制作出DLG、DOM和DEM數(shù)據(jù)及鐵路地目數(shù)據(jù)集。

2)鐵路沿線三維建模。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建的高精度DEM與DOM紋理進(jìn)行疊加，建立鐵路沿線三維真實(shí)地形地貌。基于3ds Max軟件結(jié)合DLG數(shù)據(jù)進(jìn)行鐵路附屬物三維建模，構(gòu)建鐵路沿線大范圍真實(shí)三維場(chǎng)景，自動(dòng)根據(jù)瀏覽場(chǎng)景進(jìn)行切換顯示，對(duì)二維數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)編輯可自動(dòng)同步更新到三維場(chǎng)景。

3)鐵路地目二三維一體化管理系統(tǒng)。基于面向?qū)ο蠛徒M件化的設(shè)計(jì)思想，建立二三維對(duì)照動(dòng)態(tài)符號(hào)模型庫(kù)，構(gòu)建鐵路地目二三維一體化管理系統(tǒng)。

三、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

數(shù)字鐵路地目信息二三維一體化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)為多層架構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)體系。

1.系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

利用Oracle管理數(shù)據(jù)庫(kù)并作為系統(tǒng)底層，系統(tǒng)的參數(shù)文件存于該層，用戶可方便地對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置。數(shù)據(jù)訪問(wèn)層利用 ArcSDE、ADO.net與 ADO(或OLE/DB)分別對(duì)空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)進(jìn)行高效率操作。二次開(kāi)發(fā)組件及封裝組件位于業(yè)務(wù)邏輯層，可通過(guò)用戶界面層進(jìn)行調(diào)用，并可利用數(shù)據(jù)訪問(wèn)層對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行存取。用戶界面層利用ArcGIS Engine組件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，涵蓋三維GIS和二維GIS的各種編輯功能。

2.鐵路專題數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及符號(hào)庫(kù)設(shè)計(jì)

由于全國(guó)目前尚未形成統(tǒng)一的鐵路數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，本文制定了提取的鐵路專題數(shù)據(jù)類型與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)建立了鐵路二三維符號(hào)庫(kù)。

(1)數(shù)據(jù)類型

針對(duì)鐵路專題數(shù)據(jù)專業(yè)性強(qiáng)等特點(diǎn)，本文制定了鐵路專題數(shù)據(jù)類型、字段定義及內(nèi)容要求，確保數(shù)據(jù)的唯一性，并可與以后出臺(tái)的國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)接或引用。

(2)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

為滿足標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的鐵路信息化管理需要，針對(duì)鐵路部門數(shù)據(jù)表示方法和數(shù)據(jù)分類各異，缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題，制定了涉及數(shù)據(jù)內(nèi)容和格式、數(shù)據(jù)分層和結(jié)構(gòu)、地目分類等內(nèi)容的鐵路數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，并建立了鐵路要素屬性表。

為保持制圖、建庫(kù)數(shù)據(jù)的一致性，設(shè)計(jì)并建立了符號(hào)庫(kù)，明確了要素的類型、符號(hào)、線型及尺寸，滿足了制圖和數(shù)據(jù)建庫(kù)需求。部分鐵路專題數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制定情況見(jiàn)表1。

表1 鐵路專題要素?cái)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

3.數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由空間數(shù)據(jù)庫(kù)、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)和元數(shù)據(jù)庫(kù)4個(gè)子數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成，利用LOD(levels of detail)模型、空間索引、分塊裝載等數(shù)據(jù)存取和組織方式，確保數(shù)據(jù)的瀏覽順暢和高效存取，實(shí)現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)操作和展示。

(1)空間數(shù)據(jù)庫(kù)

空間數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括以下3種類型的數(shù)據(jù)。

①鐵路線路地理實(shí)體數(shù)據(jù)

鐵路線路地理實(shí)體包括車站、鐵路附屬建(構(gòu))筑設(shè)施、站內(nèi)客貨運(yùn)輸設(shè)備、軌道、橋梁和隧道、鐵路沿線電力設(shè)施、信號(hào)燈及通信設(shè)備等數(shù)據(jù)，是數(shù)字三維鐵路空間數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)信息。

鐵路線路各種地理實(shí)體間關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，本文采用一種拓?fù)潢P(guān)系模型(網(wǎng)絡(luò)模型)進(jìn)行三維建模，以車站、橋梁和隧道、道岔等作為鐵路線路地理空間網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)，以軌道特征作為網(wǎng)絡(luò)邊(鏈)構(gòu)建幾何網(wǎng)絡(luò)，不僅能夠真實(shí)表達(dá)鐵路線路地理實(shí)體間的連接關(guān)系，而且還可為數(shù)據(jù)底層開(kāi)發(fā)、線路規(guī)劃、優(yōu)化及資源調(diào)配等網(wǎng)絡(luò)分析功能提供數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)。

②鐵路要素?cái)?shù)據(jù)

鐵路要素?cái)?shù)據(jù)是指與鐵路線路覆蓋地理區(qū)域相關(guān)的各種空間數(shù)據(jù)，包括各種地理實(shí)體數(shù)據(jù)，如行政區(qū)劃邊界、界址點(diǎn)、居民點(diǎn)、道路、水系等，采用矢量數(shù)據(jù)模型進(jìn)行組織;利用柵格數(shù)據(jù)模型對(duì)土地分類/利用、地質(zhì)類型、鐵路規(guī)劃等空間數(shù)據(jù)進(jìn)行組織。

③基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)

鐵路沿線地表覆被類型與地形起伏狀況構(gòu)成了基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)，是三維場(chǎng)景重建的主要數(shù)據(jù)源。本文利用機(jī)載LiDAR激光點(diǎn)云作為三維場(chǎng)景的主要紋理數(shù)據(jù)源，采用生成金字塔索引方式降低柵格數(shù)據(jù)的分辨率，以提高數(shù)據(jù)的存取速度。將圖幅劃分成若干大小相同的圖塊存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，以提高數(shù)據(jù)的檢索效率。

(2)元數(shù)據(jù)

對(duì)鐵路信息的標(biāo)識(shí)、結(jié)構(gòu)、內(nèi)容、狀況、規(guī)范及相關(guān)特征的描述即為鐵路元數(shù)據(jù)。本文參照國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心提供的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)鐵路信息特點(diǎn)對(duì)鐵路元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組織，按層狀結(jié)構(gòu)定義數(shù)據(jù)元素和復(fù)合元素，包括標(biāo)準(zhǔn)部分和引用部分。標(biāo)準(zhǔn)部分為標(biāo)識(shí)信息、數(shù)據(jù)質(zhì)量信息、空間數(shù)據(jù)表示信息、空間參考信息、實(shí)體和屬性信息、發(fā)行信息、元數(shù)據(jù)參考信息7個(gè)復(fù)合元素。復(fù)合元素由導(dǎo)出規(guī)則確定，由其他復(fù)合元素和元素組成，其引用信息、時(shí)間信息、聯(lián)系信息不能獨(dú)立存在，需由其他復(fù)合元素引用。

4.系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

(1)三維可視化

三維可視化功能由三維地物模型配置模塊實(shí)現(xiàn)，從而建立三維地物模型與空間數(shù)據(jù)中地理實(shí)體的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可將整個(gè)圖層的所有數(shù)據(jù)配置為相同的三維模型，也可依據(jù)某一屬性的子類型配置為不同的三維模型。本文基于LiDAR點(diǎn)云進(jìn)行三維建模，利用3ds Max、MicroStation等技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維展示。

(2)數(shù)據(jù)編輯

系統(tǒng)可在三維和二維之間切換顯示，并提供數(shù)據(jù)增、刪、改、移動(dòng)和復(fù)制等各種編輯功能。三維可視化分析功能通過(guò)讀取空間數(shù)據(jù)庫(kù)，可實(shí)時(shí)展示地理要素的三維可視化，并可同步反映數(shù)據(jù)的編輯狀態(tài)。

(3)查詢統(tǒng)計(jì)

系統(tǒng)可根據(jù)屬性信息和地理信息在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行查詢和統(tǒng)計(jì)(包括對(duì)屬性和關(guān)系的條件查詢)，以樹(shù)狀列表形式顯示查詢結(jié)果，并在三維場(chǎng)景居中高亮顯示所關(guān)注的地理實(shí)體;系統(tǒng)還可以通過(guò)空間地理位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)精確定位，同時(shí)三維GIS可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為以查詢點(diǎn)為中心的三維空間場(chǎng)景。

(4)業(yè)務(wù)信息管理

系統(tǒng)可對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪、修改、查詢、統(tǒng)計(jì)報(bào)表生成等各種編輯功能，支持對(duì)工作流的管理，系統(tǒng)還為應(yīng)用程序提供訪問(wèn)其他業(yè)務(wù)信息管理系統(tǒng)的接口，并將其與三維GIS系統(tǒng)進(jìn)行融合與集成。

(5)系統(tǒng)設(shè)置

包括數(shù)據(jù)庫(kù)連接參數(shù)和連接池配置、用戶權(quán)限與總體選項(xiàng)設(shè)置、地圖投影和地理坐標(biāo)范圍設(shè)置等，是對(duì)系統(tǒng)工作環(huán)境和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行的設(shè)置。系統(tǒng)的三維可視化分析模塊可以顯示設(shè)置的背景風(fēng)格、經(jīng)緯度、指北針等輔助信息，以及對(duì)顯示細(xì)節(jié)和緩存的控制，并可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，實(shí)時(shí)反映設(shè)置的參數(shù)信息。

(6)成果輸出

系統(tǒng)可按地圖分幅和編號(hào)規(guī)則生成車站用地圖、區(qū)間用地圖和獨(dú)立地塊用地圖等，并可根據(jù)需要輸出相應(yīng)的格式或打印輸出。此外，業(yè)務(wù)信息管理或查詢統(tǒng)計(jì)生成的報(bào)表，也可根據(jù)需要保存為電子表格或打印輸出。

四、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

1.鐵路地目信息二三維一體化管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

(1)統(tǒng)一坐標(biāo)系和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)有的鐵路界址點(diǎn)大部分采用里程+支距的方法表示。經(jīng)實(shí)際調(diào)查與核實(shí)，發(fā)現(xiàn)目前鐵路沿線埋設(shè)的公里樁誤差達(dá)幾米、甚至十幾米，無(wú)法滿足轉(zhuǎn)標(biāo)界址點(diǎn)的精度要求。本文提出以鐵路設(shè)施特征目標(biāo)測(cè)量與數(shù)據(jù)糾正、坐標(biāo)系統(tǒng)變換相結(jié)合的綜合處理方法，以鐵路沿線編輯的1∶2000鐵路基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，區(qū)間里程經(jīng)橋涵、隧道及車站里程控制后，分配誤差、計(jì)算線路沿線理論公里樁、百米樁，作為轉(zhuǎn)標(biāo)界址點(diǎn)、界址線的依據(jù)，統(tǒng)一了坐標(biāo)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了鐵路數(shù)據(jù)的統(tǒng)一和無(wú)縫銜接。

(2)界址點(diǎn)轉(zhuǎn)繪

鐵路用地界址點(diǎn)轉(zhuǎn)繪采用里程+支距方法確定其位置，即以鐵路下行或上行線的里程為依據(jù)，向外作其垂直支距，獲得界址點(diǎn)平面坐標(biāo)及里程+支距的兩種表示界址點(diǎn)位置的坐標(biāo)。轉(zhuǎn)繪后的界址線和土地證上的相同，與相關(guān)地物位置保持一致。

(3)鐵路里程坐標(biāo)系

系統(tǒng)提出采用里程坐標(biāo)系對(duì)鐵路線路進(jìn)行描述。由于鐵路線路拐點(diǎn)多，算法在遍歷時(shí)耗時(shí)多，且效率低下。因此，本文在折半查詢算法基礎(chǔ)上發(fā)展了一種適用于點(diǎn)集合遍歷查詢的多點(diǎn)折半查詢算法，滿足了實(shí)際應(yīng)用的需求。同時(shí)在三維GIS可視化系統(tǒng)中，讀取并依據(jù)鐵路的線性距離計(jì)算里程，通過(guò)文字注記的方式實(shí)時(shí)顯示三維文本。

2.系統(tǒng)應(yīng)用

本文基于點(diǎn)云和航空影像提取的鐵路專題要素與基礎(chǔ)地理信息進(jìn)行重組、整合及服務(wù)發(fā)布，構(gòu)建了權(quán)威、統(tǒng)一和通用的鐵路地理信息公共平臺(tái)(如圖1所示)。系統(tǒng)在鄭州鐵路局推廣應(yīng)用以來(lái)，為鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)、線路改造、資產(chǎn)清查、應(yīng)急搶險(xiǎn)指揮決策等提供了可靠的技術(shù)支持和服務(wù)保障，并為鐵路信息化建設(shè)提供了網(wǎng)絡(luò)地理信息服務(wù)。

圖1 數(shù)字鐵路地理信息公共平臺(tái)

(1)在鐵路搶險(xiǎn)救災(zāi)中的應(yīng)用

系統(tǒng)具有的三維GIS空間分析和查詢統(tǒng)計(jì)功能，可為線路勘測(cè)設(shè)計(jì)、鐵路應(yīng)急搶險(xiǎn)指揮等提供輔助決策。利用系統(tǒng)的空間分析與統(tǒng)計(jì)功能，能夠自動(dòng)準(zhǔn)確快速地計(jì)算出選定區(qū)域斷面的土方填挖量。圖2為山體滑坡塌方造成隴海線鐵路中斷情況，利用本系統(tǒng)迅速制作了滑坡區(qū)段1∶2000地形圖，從圖上統(tǒng)計(jì)出受災(zāi)范圍、存在的隱患等信息及受災(zāi)建筑物的數(shù)量及面積，為制訂搶險(xiǎn)救災(zāi)方案提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。

圖2 應(yīng)急搶險(xiǎn)應(yīng)用

(2)鐵路選線應(yīng)用

鐵路選線設(shè)計(jì)可根據(jù)沿線地質(zhì)及地形數(shù)據(jù)資料，利用系統(tǒng)的三維可視化模塊初步設(shè)計(jì)出線路走向，然后在數(shù)據(jù)庫(kù)中通過(guò)編輯模塊增加線路地物要素，根據(jù)構(gòu)建的三維模型作為三維可視化環(huán)境中的地物符號(hào)進(jìn)行展示，并根據(jù)DEM數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的地形和地貌狀況，合理調(diào)整、優(yōu)化線路設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)還可以根據(jù)實(shí)際工程要求，通過(guò)建模補(bǔ)充鐵路橋涵、隧道、路堤等地理要素，將所有數(shù)據(jù)整合并對(duì)工程量進(jìn)行匯總，對(duì)各種施工方案進(jìn)行對(duì)比分析后，確定出最優(yōu)線路設(shè)計(jì)方案，如圖3所示。

圖3 鐵路選線設(shè)計(jì)

五、結(jié)束語(yǔ)

本文基于點(diǎn)云和航空影像提取的鐵路專題要素與基礎(chǔ)地理信息進(jìn)行重組、整合及服務(wù)發(fā)布，通過(guò)建立鐵路沿線大范圍真實(shí)三維場(chǎng)景，在構(gòu)建的“數(shù)字鐵路地理信息公共服務(wù)平臺(tái)”基礎(chǔ)上，研發(fā)了鐵路地目二三維一體化管理應(yīng)用示范系統(tǒng)，為鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)、線路改造、資產(chǎn)清查、應(yīng)急搶險(xiǎn)等提供了技術(shù)支持和服務(wù)保障，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字鐵路信息的一體化管理奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］湯武，蘭增榮，隆華平，等.機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的公路二三維一體化技術(shù)［J］.測(cè)繪科學(xué)，2014，39(2):121-124.

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