城市轨道交通基础地理信息系统的设计

摘要：城市轨道交通基础地理信息系统是运用地理学、地质工程学、计算机图形学、计算数学等多学科理论和方法,以地理信息系统技术为基础,结合数据库处理、ArcGIS中的编程技术、三维图像处理技术建立的,是对城市轨道交通基础数据进行综合管理和分析的大型信息管理系统。结合城市轨道交通基础地理信息系统用户需要,阐述了城市轨道交通基础地理信息系统的功能特征;探讨了基于地理信息系统平台的轨道交通基础数据三维空间可视化方法等。 关键词　城市轨道交通,地理信息系统,设计 0 引言 我国从1965年开始修建地铁以来,城市轨道交通建设的规模不断扩大[1]。40多年虽然已完成数量巨大的工程地质勘察及轨道项目建设,但在项目中产生出的大量规划资料、基础地质勘察资料等的城市轨道基础地理信息,相当部分处在一种分散使用、分散保管、甚至大量遗弃的状态;此外,目前对城市轨道交通基础地理信息的存储管理还是以文字、图纸、图表为主的传统管理,查阅不便,尤其在处理大量工程数据时更是难以下手。因此,必须有一套现代的信息管理系统与之配套,而地理信息系统技术的发展为此提供了一种恰当和实用的工具。 地理信息系统（GeographicalInformationSys-tem,简为GIS）是20世纪60年代开始迅速发展起来的地理学研究技术,是多种学科交叉的产物。近年来,地理信息系统在全球得到空前迅速的发展,成为实现现代化科学管理的高新技术。它被广泛地应用到城市规划、城市地下管网管理、城市交通、社会服务等方面。GIS具有处理海量数据的存储、进行复杂的逻辑运算和数据挖掘的功能,同时也是实现空间图形显示与空间信息查询、分析的有效工具。利用GIS的数据输入、存贮、检索、显示和综合分析应用等功能[2-3],将轨道交通基础数据的空间信息与其相关的属性信息结合,能够实现城市轨道交通基础地理信息检索、统计、分析、修改、打印等,为城市轨道交通基础地理信息提供快速、准确的现代化管理手段;此外,城市轨道交通基础数据中有大量的工程地质数据和地下管线数据,传统的数据管理很难把不同类型的数据进行三维可视化显示,亦无法对数据进行分析和处理。而地理信息系统的三维可视化功能是以适当的数据结构建立特征数学模型,采用计算机图形技术将数学描述以3D图像的形式予以表现,这样可以实现城市轨道交通基础数据管理的可视化。 1 城市轨道交通基础GIS的分析与设计 1.1 总体结构 系统利用ArcGIS的强大的地图操作功能,来实现对城市轨道交通所涉及的地层、钻孔、监测、构筑物、管线等基础地理数据的可视化管理和分析。系统由硬件、GIS软件和系统软件、数据库、接口等4部分构成,其总体结构如图1所示。 1.2 模块设计 系统要对大量的轨道交通沿线的各种空间及属性数据进行管理,同时也要实现地层数据、构筑物数据和管线数据的可视化分析。根据通用软件设计原理,系统采用模块化设计。分为专题信息管理、基础信息管理和系统维护3个子系统总共由8个模块组成,如图2所示。 1.3 系统功能 系统要求把孤立、分散的各种城市轨道交通基础数据以地理空间为纽带建立起相关关系,在此基础上开发形成基于GIS的城市轨道交通基础地理信息系统。使各种钻孔数据、轨道周边构筑物基础数据、地面地形数据、地下管线数据等形成一个有机的整体;对城市轨道交通基础信息进行检索、查询、分析;同时可以使地层信息实现三维显示;并初步形成一个可扩展的城市轨道交通基础信息数据库。系统的主要功能如下: 1）地图的操作功能。包括地图的放大、缩小和移动等操作;对各种图形要素进行分层显示的功能;此外,还可以执行图形的任意范围打印输出功能。 2）属性数据录入编辑。对所有图形的属性建立专门的属性数据库表,通过数据维护子模块完成数据的录入、编辑、修改。主要的属性数据操作对象包括轨道交通概况、钻孔基本信息、轨道项目施工信息、地层分层信息、各类地下管线信息、地面建筑物信息、构筑物基础信息、监测数据等。 3）图形输入编辑。系统数据包括空间数据和空间属性数据两种。空间数据是指二维平面数据,主要包括轨道交通及站点、地形地貌、地质构造、建筑物、钻孔、管线、构筑物基础等点、线、面状数据。这些数据以层的方式进行组织,以矢量图的形式在平面图上表现出来。系统可通过数据维护子模块对空间数据进行编辑,即进行点、线、面的添加、删除操作。 4）信息检索与查询功能。系统可以同时对空间和属性数据进行方便、灵活、准确的查询与定位。实现空间图形数据和属性数据的双向联合查询和分析,既可由图形信息查询所需的属性信息,又可根据各种的属性信息条件查询图形信息。系统设计了点击、条件、逻辑等查询方式,具有空间位置、属性、范围等多种查询检索功能。 5）信息可视化功能。系统可以将数据库中的信息以文字、地图、图片等形式加以显示,并为用户提供分层显示和各要素的选择显示等功能。系统将以点、线为基本形态,以钻孔数据为基础,选用适当的内插方法,将零散的、局部的二维地质钻孔数据构成地层信息在三维空间中显示;并重现地下空间形态和组合关系,重建三维模型,用三维图形生动地表现出来,从而实现地下复杂空间结构与关系的表达、分析和过程的三维可视化。通过三维轨道可视化显示,可以直观、生动地反映轨道及其沿线各区域的概况。 6）空间分析功能。强大的系统分析功能是GIS的优点之一。在现有的空间数据基础上,利用缓冲分析、网络分析、叠合分析与数据挖掘技术,支持复杂空间问题的决策研究,模拟预测变化趋势等。如:以轨道线为中心,建立任意长度的缓冲区,分析出在缓冲区范围内各种管线的分布情况,显示某范围内距离轨道最近的管线或者对其进行碰撞检查等;还可以对大量长期的轨道监测数据进行综合分析,建立回归分析模型,以预测轨道沉降变化。 7）数字影像叠合。对地面影像数据进行配准后可以叠合在矢量图上,以此来增加地面可视化效果。同时也可在此基础上进行地面要素分析。 8）用户权限设置。根据需要设置两类用户:管理员、客户。用户必须使用帐号和密码才能进入系统。管理员具有全部权限,可以进行系统备份、数据录入、修改、查询、删除、打印输出等,还可以增加、删除客户;客户的基本权限有数据查询、统计和打印输出等,客户可以有一个,也可以有多个。 2 城市轨道交通基础GIS的实现 2.1 数据库处理 依据系统基本功能和数据编码等,建立基于SQLSever的数据库管理系统。数据库中数据模型对象可分为如下几类:轨道工程信息表、钻孔基本信息表、剖面地层信息表、地层基本信息表、钻孔层位信息表、构筑物基础基本信息表、构筑物基础层位表、管线基本信息表、管线层位信息表等。以此来建立图形属性数据库,并建立图形属性值与索引字段关联。由图形属性值定位数据库索引字段,以此来调用其他相关字段内容。 2.2 GIS二次开发技术 系统采用ArcGIS作为二次开发平台,调用Ar-cGIS部分优秀的功能模块,并对其进行修改、完善,具体体现在: 1）图形数据属性编辑。根据相关行业规范定义图形属性及其结构,建立与数据库的连接,提高软件的专业化水平。 2）库文件扩充。根据行业标准定义图例及各种专业符号,扩充ArcGIS的图例库、图形库,用于显示调用。 3）以缓冲区分析和叠加分析为基础进行轨道沿线构筑物基础数据和管线数据的专题分析。 2.3 城市轨道交通基础数据一体化显示 1）采用遥感图片配准、建筑物贴图和三维造型技术,实现地面景观和建筑物的立体显示。 2）根据坐标的精确定位,确定构筑物基础数据、管线数据和轨道数据的位置关系,实现地下轨道基础数据的显示。同时,可以在ArcGIS功能模块支持下,进行系统查询功能开发,实现轨道范围内各种管线和构筑物基础数据的查询、分析。 3）依据多层DEMTIN混合算法,以钻孔数据为基础,对轨道通过的地层数据进行可视化显示。首先,确定轨道沿线区域的综合地层顺序;其次,逐层形成单个地层的构建,各个地层体是通过上下两个地质层面表示的;最后,在区域范围内,在两层面间填充颜色、纹理[4-5]。 3 应用 1） 图形显示功能。如图3为本系统主界面,显示上海轨道交通规划图。 2） 轨道、管线等基础数据查询。点击图形要素,显示图形属性信息;亦可以输入查询条件,搜索数据库信息。如图4所示。 3） 地面建筑物三维显示。将遥感图像配准后,叠加在三维环境中显示,如图5所示。 4） 地下基础数据三维显示界面,如图6所示。 4 结语 1）城市轨道交通基础地理信息系统具有开放、通用、易操作、易维护、易扩展等特点,是一个集实用性和综合性为一体的多功能信息管理系统; 2）城市轨道交通基地理信息系统的应用,可以融合各种不同来源的城市轨道交通基础数据,进而达到数据的共享; 3）三维数据模型建立及其分析功能实现了轨道沿线各类基础地理信息的可视化表达,提供了一种直观的城市轨道交通基础地理信息游览查询,促进了城市轨道交通基础数据管理的信息化; 4）初步实现的地上建筑与地下要素关联显示和分析功能,具有良好的普适性,可进一步深入开发应用; 5）在充分实现系统内在功能的基础上可以不断深入地进行数据挖掘、开发集成所需的新功能,将可大大提高城市轨道交通基础信息管理的效率与质量,使城市轨道交通基础信息管理向科学化、数字化、可视化大步迈进。 参考文献 [1]贾学天.关于地理信息系统在地铁中应用的初步设想[J].中国市政工程,2003（5）:71. [2]陈述彭,鲁学军,周成虎.地理信息系统导论[M].北京:科学出版社,1999. [3]吴信才.地理信息系统设计与实现[M].北京:电子工业出版社,2002. [4]ZeilerM.ExploringArcObjects[M].USA:ESRIPress,2001. [5]BrattS,BoothB.UsingArcGIS3DAnalyst[M].USA:ESRIPress,2001.