三维GIS在铁路勘测设计中的应用分析

2020-04-17王光那

工程技术研究 2020年4期

王光那

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300000）

铁路勘测设计经过多年的发展与完善，技术水平不断提高，已经能成熟应用包含GPS、GIS与RS等在内的多种现代测绘技术，相应的设计软件也不断成熟，取得了突破性的进展。然而，距离实现动态化、一体化与多维化的目标，还有一定的距离。现有的开发软件还停留在单项应用上，二维与三维设计还无法做到一体化，而且勘测数据和图形数据相分离，对集成管理造成很大的影响与限制。针对上述问题，需要引入一种新方法与平台来有效解决，这一新方法即为三维GIS，它的应用能从根本上改善铁路工程勘测设计现状，进一步提高勘测技术水平。

1 三维GIS主要特征与应用优势

（1）三维GIS可获取海量空间数据，并且能对数据进行动态调度与显示，在铁路长达项目中十分适用。一般一条完整的线路，对其线路与地形数据进行三维可视化的过程中，它的数据量极大，与计算机内存相对而言，可称作海量。线路所有数据不能一次性输入到内存，所以铁路勘测设计为了实现对设计整个过程与结果进行三维可视化，应对这些海量数据予以动态调度及显示。在这种情况下，三维GIS是有效解决方法，它基于地形地物分区，同时采用空间索引，对海量数据进行动态调度及显示[1]。

（2）三维GIS具有的模型构建与编辑等功能，可以使铁路设计实现可视化与动态化。在铁路勘测设计中，需要对设计进行多次修改，为了在设计的所有阶段都能对实际状态对应的三维景观进行查看，应使用具有模型构建与编辑等功能的设计软件。对于三维GIS，它能对地形地物予以抽象，由此获得数据可以用于线路模型与地形等的描述，将这些数据作为基础的模型构建及编辑，能为铁路设计提供动态交互式平台，也就是在统一平台根据设计结果进行自动的模型构建，以此做到三维可视化，并为同步修改提供可靠支持。铁路三维可视化数据模型如图1所示。

（3）三维GIS能实现属性管理，在数据库管理中十分适用。在实际的铁路勘测设计中，有很多数据产生，目前已经可以在数据的采集过程中为它建立统一数据库，而要想对数据进行高效应用及管理，则数据和线路图形不可分离，需要采取有效的措施使二者有良好的关联。属性管理可以在三维空间当中对与数据库有关的所有信息进行关联查询或编辑，它能为数据库管理创造良好条件[2]。

图1 铁路三维可视化数据模型

（4）三维GIS能使数据的采集、处理与应用实现一体化，为铁路设计的一体化提供帮助。勘测设计实际上就是数据的采集和处理过程，这和三维GIS实际运行具有一定相似性，充分利用三维GIS具有的功能，能为铁路设计及其一体化奠定良好基础。

2 以三维GIS为基础的铁路勘测设计

借助三维GIS组织并管理空间及属性数据，并依靠文件系统与数据库，能对实际勘测设计中涉及的不同数据实施良好的组织及管理，同时为线路设计创造便利，实现数据访问。充分利用三维GIS具有的空间分析及可视化功能，能对勘测设计数据开展复合应用，将数据整合至相同的平台，进而使设计实现一体化。

2.1 数据组织与集成管理

在过去的勘测设计中，以CAD模型为依据完成数据组织，它的根本目的在于制图，关联属性与拓扑关系表示等都较弱，成果也是二维图，三维表示需要采用其他平台才能实现，采用这一方式难以在相同的平台对三维和其他数据进行集成管理，并对空间分析应用造成影响。而在勘测设计中引入三维GIS后，能直接构建三维模型，其表达十分直观且形象，任何数据都能在相同的平台中管理，属性数据与空间对象之间的关联也很容易实现，能将不同的数据集成至相同平台，在保证数据独立性与完整性的基础上，对数据进行全过程的管理[3]。

（1）数据组织。在进行铁路勘测设计时，主要涉及下列三部分数据：第一，基础数据；第二，成果数据；第三，属性数据。虽然设计中会涉及很多种不同的数据，不同数据无论是来源、格式，还是应用范围，都有所不同，但都能对地表特征予以反映，从空间位置角度讲相互联系。基于此，系统可将空间位置作为依据，为不同数据建立基本控制框架，然后借助GIS对海量数据进行管理，对空间与属性数据具有的特点进行整合，并对不同数据实施组织、管理，最终实现一体化的目标[4]。

（2）数据集成管理。在铁路勘测设计中，不同数据之间并非孤立存在，而是存在一定关联性。以三维GIS为基础的铁路勘测设计则是以数据间的联系为依据，对处于勘测设计时的各类数据实行的集成管理。对勘测设计数据进行组织与管理时，既可以使用数据库，也可以使用文件系统。对于基础与属性数据，大多采用数据表，也可使用图形图像文件，其数量很大，采用关键字的方式能为数据入库等一系列操作提供方便，在这种情况下采用数据库比较方便；而成果数据因格式比较复杂，且输入/输出十分频繁，数量不多，所以采用文件系统比较合适，能提高实际的管理效率[5]。数据集成管理贯穿整个设计过程，基于此，可将勘测设计过程分成下列3个阶段，每个阶段对应的数据管理如下：①数据获取、整理与入库。该阶段重点是对获取的数据进行检查，在保证内容与格式都正确的基础上，将各专业数据提供至数据库。另外，还需对基础数据做整理，从中获取和线路有关的属性数据，并传输至相应的数据库，为之后的线路养护工作创造便利。入库结束后，安排专人进行元数据表等记录的填写。②线路设计。该阶段中，相关设计人员要多次对地形测绘资料及地质勘查资料进行调用，为避免对数据库造成多次操作，保证设计过程中的数据提供效率，可以把常用资料采用检索的方式调入至相应的数据库当中，做暂时性的存储。与此同时，不同专业的人员还能将不同阶段获得的成果传输至相应数据库，为其他专业可以及时访问并使用这些成果提供方便。不同专业的人员在完成线路设计工作后，应将成果数据整合成独立文件，为之后的三维模型建立提供方便。③模型使用。在该阶段当中，系统根据各成果数据构建相应的模型，所有模型都能实现可视化，同时由于线路穴是研究对象重要标识，所以基于此能使不同数据库实现相互关联，以此在浏览模型的基础上实现数据查询、修改与删除。

2.2 数据应用

在数据组织与管理中使用三维GIS，能使勘测设计数据的分析实现三维可视化，这样除了对设计质量的保证有利，还能满足在方案比选过程中提出的各种要求。

（1）动态可视化。无论是铁路的线路模型，还是数字地面模型，均能借助三角网结构进行组织，对于线路模型与对地形进行的动态调度及显示，存在下列两个关键点：第一，对线路与地形进行分块索引；第二，以数据分页为基础的数据调度。模型与地形数据都采用块作为区逻辑分区，它也是空间索引重要基础，数据访问及存储都将其作为单元，进行可视化应用的过程中，它属于渲染单元。在一个块中，有很多三角形，三角形的落位取决于它的重心处于哪个正方形区域。以分块索引为基础进行自动分页能对大规模场景进行动态渲染。每个数据页都由线路模型与多个块组成。动态渲染时，伴随视点不断移动，应对数据页中对应的数据块进行动态更新。在硬盘中进行新数据的读入往往要耗费一段时间，这样会在视觉上产生延迟。常用调度方式为建立缓冲页，并交换它们各自的内容。缓冲区共有两个，即显示与数据缓冲区。其中，显示缓冲区主要内容是对数据页予以三维显示；而数据缓冲区则是对数据进行调度使用的数据页。缓冲区之间的数据交换可借助多线程技术来实现，对当前视点所在具体位置以及和数据页中心之间的平面位置之间的关系进行判断，能对数据页实行动态更新，进而在相同的尺度条件下对地形数据进行不同方向的漫游。

（2）数据分析应用。以三维GIS为基础的勘测设计，在三维GIS作用下能实现空间分析，进而对基础与成果数据予以深层次应用，下列以开挖填筑土石方的计算与横断面提取为例进行分析：①开挖、填筑土石方的计算：采用DEM建立与分析的方法，可以在完成对地形表面的指定以后，对开挖与填筑施工的土石方数量予以准确且快速的运算，具体的算法以体积量算为主，这也是三维GIS重要工具和思想。②对任意横断面进行自动提取：通过对地形与线路模型之保持的拓扑关系的分析，可以算出各竖直平面和地形及线路模型之间的交叉点，对于这些交叉点，根据其终点之间的距离进行排序后，依次相连，获得的折现就是要提取出来的横断面及其剖面线。该过程需由专门的系统通过自动运算实现，它的工作效率必然高于人工方法。另外，采用这一方面还能对横断面精度，以及地形与线路模型实际密度等进行提取。