高速列車(chē)運(yùn)行環(huán)境的三維GIS方案研究

鄒 丹，王英杰，封博卿

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

中國(guó)在高速鐵路領(lǐng)域所取得的一系列成果，已經(jīng)得到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注和認(rèn)可。我國(guó)高速鐵路網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)的安全性與可靠性提出了更高的要求。在這樣的運(yùn)營(yíng)環(huán)境和要求背景下，高速列車(chē)技術(shù)的發(fā)展面臨著多方面的重大挑戰(zhàn)。使用三維可視化技術(shù)模擬高速列車(chē)的運(yùn)行環(huán)境，可以為列車(chē)運(yùn)行構(gòu)建地理環(huán)境模型與真實(shí)景觀重現(xiàn)，為高速列車(chē)提供更加具有真實(shí)感的數(shù)字運(yùn)行環(huán)境，對(duì)于高速列車(chē)運(yùn)行環(huán)境的研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 三維GIS研究現(xiàn)狀簡(jiǎn)介

三維可視化技術(shù)是目前GIS領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外的許多專(zhuān)家都在研究關(guān)于三維數(shù)據(jù)建模，三維可視化和在三維平臺(tái)上的海量數(shù)據(jù)接入等問(wèn)題。

1.1 城市三維仿真規(guī)劃審批系統(tǒng)

海南省?？谑欣枚嘣獢?shù)據(jù)的快速建模以及二、三維混合聯(lián)動(dòng)的技術(shù)建立了城市三維仿真規(guī)劃審批系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全方位多精度的城市漫游瀏覽，包括乘客駕車(chē)漫游、步行漫游等，該系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)輔助進(jìn)行西海岸、?？谕鉃┑鹊囊?guī)劃方案落實(shí)工作。

1.2 數(shù)字煙臺(tái)三維城市規(guī)劃信息系統(tǒng)

山東省研制的“數(shù)字煙臺(tái)三維城市規(guī)劃信息系統(tǒng)”綜合了航拍、外業(yè)測(cè)量、數(shù)字正射影響（DOM）圖和數(shù)字高程模型（DEM）制作等測(cè)繪科技技術(shù)以及三維G IS技術(shù)的開(kāi)發(fā)，集成了500 km2規(guī)劃范圍內(nèi)的建筑、道路、景點(diǎn)、設(shè)施模型構(gòu)建的城市三維景觀，在計(jì)算機(jī)上重現(xiàn)了城市的真實(shí)面貌。該系統(tǒng)全面體現(xiàn)真實(shí)立體影像的決策分析，操作靈活方便，可以實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃應(yīng)用上的瀏覽現(xiàn)場(chǎng)、方案對(duì)比、方案修改、建筑體量分析、通視分析、與周?chē)h(huán)境分析、建筑色彩仿真、道路規(guī)劃瀏覽等功能，極大地提升了城市規(guī)劃的科技水平。

1.3 日本“數(shù)字城市Kyoto”項(xiàng)目

日本歷時(shí)3年完成了“數(shù)字城市Kyoto”項(xiàng)目，該項(xiàng)目集成了城市的屬性信息、虛擬顯示技術(shù)和實(shí)時(shí)漫游功能，以分層的模式真實(shí)重現(xiàn)一個(gè)立體的城市。它將二維地理信息與三維可視化景觀結(jié)合起來(lái)，采用直接交互實(shí)現(xiàn)的互操作方式，鼓勵(lì)市民參與系統(tǒng)的互動(dòng)。

1.4 Google Earth網(wǎng)絡(luò)三維GIS

Goog le Earth這一網(wǎng)絡(luò)三維GIS服務(wù)，使得人們可以在網(wǎng)絡(luò)上探索到地球的任何一個(gè)地方，從海洋到森林，每一個(gè)古老的人類(lèi)文明都以三維可視化的方式展現(xiàn)到人們眼前。Goog le Earth還提供免費(fèi)的三維建模工具，用戶(hù)可以使用工具制作三維景觀添加到Google Earth上。

2 高速列車(chē)運(yùn)行環(huán)境的三維GIS需求分析

2.1 三維GIS的定義和特點(diǎn)

三維GIS指的是能對(duì)地理區(qū)域內(nèi)的空間對(duì)象進(jìn)行3D描述和分析的地理信息系統(tǒng)?？梢杂靡粋€(gè)表達(dá)式 )來(lái)表示，其中，x，y是通常意義上二維GIS中表示平面位置上的坐標(biāo)，z表示空間高度上的變量。在同一個(gè)系統(tǒng)中，x，y，z的連續(xù)變化使得地表的構(gòu)造和地形的走向都一目了然，從整體上給人以強(qiáng)烈的視覺(jué)感染。

2.2 三維GIS的功能

2.2.1 三維數(shù)據(jù)管理

采集有效的三維數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、重構(gòu)、數(shù)據(jù)變換組合與編碼。對(duì)存在于數(shù)據(jù)庫(kù)中的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)分析、修改、刪除等操作。

2.2.2 三維對(duì)象管理

將三維數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，可視化編輯及視覺(jué)變換，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份與維護(hù)。

2.2.3 三維空間分析

計(jì)算三維物體的表面積、體積、距離與方向；對(duì)物體進(jìn)行邏輯運(yùn)算。

2.3 列車(chē)運(yùn)行環(huán)境對(duì)三維GIS的需求

2.3.1 地理環(huán)境構(gòu)建

系統(tǒng)采集列車(chē)運(yùn)行線路及道路兩邊3 km范圍內(nèi)的遙感影像數(shù)據(jù)與數(shù)字高程數(shù)據(jù)，將各種數(shù)據(jù)整合后進(jìn)行三維建模。

2.3.2 列車(chē)監(jiān)控

系統(tǒng)在每臺(tái)高速列車(chē)上配備全球定位系統(tǒng)（GPS），實(shí)時(shí)為列車(chē)進(jìn)行定位，并將列車(chē)位置信息返回給系統(tǒng)，顯示在構(gòu)建的三維鐵路線路上。這樣的系統(tǒng)展示便于用戶(hù)實(shí)時(shí)了解目前列車(chē)運(yùn)行的位置信息以及途徑線路的地理環(huán)境信息。

2.3.3 線路監(jiān)控

將軌檢系統(tǒng)的信息接入系統(tǒng)中，可以在三維平臺(tái)上實(shí)時(shí)展示軌道的狀態(tài)，并提前模擬該軌道發(fā)生變化時(shí)，列車(chē)駛過(guò)的情況。利用先進(jìn)的模擬運(yùn)行算法，提前預(yù)知可能發(fā)生的事故，防患于未然。

2.3.4 設(shè)備設(shè)施監(jiān)控

三維G IS可以構(gòu)建車(chē)站和鐵路沿線各設(shè)備的模型，將各種模型進(jìn)行入庫(kù)管理，并在三維平臺(tái)上展示出來(lái)。

2.3 .5 模擬事件

高速列車(chē)運(yùn)行環(huán)境的三維GIS研究，提供給用戶(hù)一個(gè)模擬演練各種突發(fā)事件的平臺(tái)。用戶(hù)在該系統(tǒng)上通過(guò)修改各種諸如天氣的參數(shù)、軌道傾斜度、鐵路日載旅客量等信息，模擬各種突發(fā)情況對(duì)列車(chē)運(yùn)行造成的影像，并在模擬演練時(shí)，及時(shí)制定應(yīng)對(duì)各種突發(fā)事件的響應(yīng)對(duì)策。

2.4 系統(tǒng)研制的需求

2.4.1 數(shù)據(jù)需求

合成三維地理信息模型需要的數(shù)據(jù)，包括遙感影像或航拍照片， DEM數(shù)據(jù)和矢量地理數(shù)據(jù)。

2.4.2 軟件需求

開(kāi)發(fā)可視化的列車(chē)運(yùn)行環(huán)境三維GIS需要在一個(gè)成熟的三維GIS平臺(tái)上處理整合數(shù)據(jù)與定制自身的業(yè)務(wù)。目前，主流的三維平臺(tái)有：（1）Goog le Earth，提供全球的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和航拍照片。（2）Sky lineG lobe三維業(yè)務(wù)平臺(tái)，用戶(hù)可定制用于整合自身業(yè)務(wù)的三維G IS系統(tǒng)。（3）GeoGloble，管理海量數(shù)據(jù)的可視化三維GIS軟件，提供全球化的三維可視系統(tǒng)。

3 高速列車(chē)運(yùn)行環(huán)境的三維GIS建設(shè)方案

高速列車(chē)運(yùn)行環(huán)境的三維G IS研究建立在分析鐵路實(shí)際需求和國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上。目前列車(chē)運(yùn)行環(huán)境的需求主要集中在將多源異構(gòu)鐵路沿線數(shù)據(jù)接入高速鐵路運(yùn)行環(huán)境的三維可視化平臺(tái)中綜合展示，為高速列車(chē)運(yùn)行提供真實(shí)的數(shù)字化運(yùn)行平臺(tái)。

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是構(gòu)建三維模型的基礎(chǔ)，通過(guò)高速列車(chē)運(yùn)行線路的遙感影像數(shù)據(jù)，航拍照片和DEM數(shù)據(jù)的相互疊加構(gòu)成三維GIS的海量數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.1.1 遙感影像的數(shù)據(jù)采集

以高速列車(chē)線路數(shù)據(jù)為主要采集目標(biāo)，包括線路數(shù)據(jù)、沿線車(chē)站及站前廣場(chǎng)并覆蓋多個(gè)主要?jiǎng)榆?chē)運(yùn)用所及聯(lián)絡(luò)線。數(shù)據(jù)采用QuickBird或W orldV iew衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并確保影像獲取的時(shí)間為植被、地物色彩信息豐富的季節(jié)且遙感影像數(shù)據(jù)的含云量在10%以?xún)?nèi)。

3.1.2 DEM數(shù)據(jù)采集

采集反映三維地形信息的數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)。

3.1.3 二維矢量地理數(shù)據(jù)的采集

數(shù)據(jù)內(nèi)容包括河流、湖泊、池塘、植被、省級(jí)行政區(qū)劃、縣級(jí)行政區(qū)劃、鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃、省會(huì)城市、縣市城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)村居民地、主要公路、鄉(xiāng)鎮(zhèn)小路等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)屬性及標(biāo)注內(nèi)容。

3.2 數(shù)據(jù)處理與融合

3.2.1 數(shù)據(jù)處理

構(gòu)建一個(gè)公共的投影坐標(biāo)系，將三維GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)集投影到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行剪裁與修正，并進(jìn)行分層管理。對(duì)采集的遙感影像數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的坐標(biāo)系和經(jīng)緯度投影進(jìn)行處理，限制影像的接邊誤差，對(duì)影像的紋理貼圖進(jìn)行色調(diào)和清晰度的處理。提高全色數(shù)據(jù)的亮度，增強(qiáng)局部反差，突出紋理細(xì)節(jié)并盡可能降低噪聲；對(duì)多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行色彩增強(qiáng)，拉大不同地類(lèi)間的色彩反差，突出其多光譜彩色信息。

完成DEM數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和投影變換，并對(duì)高程數(shù)據(jù)的地理基礎(chǔ)、精度、網(wǎng)格尺寸等信息做詳細(xì)記錄。相鄰重復(fù)數(shù)字高程模型拼接后不出現(xiàn)裂痕，重疊高程值保持一致。

3.2.2 數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合的原則是：能清晰表現(xiàn)紋理信息，突出主要地類(lèi)；影像光譜特征還原真實(shí)、準(zhǔn)確、無(wú)光譜異常；融合影像色調(diào)均勻、反差適中、色彩逼真。

影像融合的基本要求是以整景為單元，根據(jù)影像波段的光譜范圍、地物和地形特征等因素，選擇能清晰表現(xiàn)地物利用類(lèi)型特征和邊界、色彩接近自然真彩色的融合算法；融合影像無(wú)重影、模糊等現(xiàn)象。

影像數(shù)據(jù)融合的技術(shù)步驟是：融合前處理；融合單元；融合方法；融合后處理，效果檢查。

3.3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

圖1為高速列車(chē)運(yùn)行環(huán)境的三維GIS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要搭建平臺(tái)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為系統(tǒng)硬件提供傳輸途徑，通過(guò)通信協(xié)議并設(shè)置防火墻實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)的安全傳輸。鐵路上的應(yīng)用系統(tǒng)為保證運(yùn)行的安全通常需要隔絕內(nèi)外網(wǎng)的連接，但要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸需要在網(wǎng)絡(luò)層搭建特殊的防護(hù)墻或使用專(zhuān)用的通信信道連接。

3.3.2 系統(tǒng)硬件層

系統(tǒng)硬件層主要是系統(tǒng)運(yùn)行的硬件設(shè)備環(huán)境。包括主機(jī)、存儲(chǔ)器、交換機(jī)、工作站和一些輔助設(shè)備。各設(shè)備間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層連接并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的互聯(lián)互通。

3.3.3 數(shù)據(jù)資源層

數(shù)據(jù)資源層存儲(chǔ)各種平臺(tái)展示需要的數(shù)據(jù)，包括二維地理數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、DEM高程數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、系統(tǒng)信息和文件數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)資源層存儲(chǔ)各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)，完成海量多元數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

3.3.4 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層是一個(gè)數(shù)據(jù)處理的綜合平臺(tái)。主要搭建處理三維數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)引擎，并將存儲(chǔ)的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)縫連接與融合。

3.3.5 數(shù)據(jù)訪問(wèn)層建設(shè)

數(shù)據(jù)訪問(wèn)層包括構(gòu)建三維模型所需的各種類(lèi)型數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)層采用數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)和管理各類(lèi)三維數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)與地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的可視化分析與管理，為海量多源數(shù)據(jù)提供索引機(jī)制和管理支持。

3.3.6 服務(wù)層建設(shè)

服務(wù)層包括搭載三維GIS的平臺(tái)軟件、軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)三維模型等。所需的其他軟件開(kāi)發(fā)在軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行。

3.3.7 三維建模層建設(shè)

在三維GIS平臺(tái)的支持下，基于三維建模技術(shù)，為列車(chē)運(yùn)行環(huán)境提供三維模型的構(gòu)建方法。

3.3.8 應(yīng)用層建設(shè)

將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整合后，將構(gòu)建的三維GIS模型作為成果輸出，并在此三維模型系統(tǒng)上對(duì)列車(chē)運(yùn)行的各種狀態(tài)進(jìn)行分析與管理。

4 結(jié)束語(yǔ)

三維GIS與以往的二維GIS相比，在表現(xiàn)空間地貌地形和鐵路信息上更加形象直觀，使用戶(hù)對(duì)于整個(gè)高速列車(chē)的運(yùn)行環(huán)境有立體的認(rèn)知。將GPS設(shè)備搭載到列車(chē)上，對(duì)列車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并將列車(chē)位置反應(yīng)到三維平臺(tái)上。通過(guò)對(duì)高速列車(chē)運(yùn)行環(huán)境三維GIS的研究，用戶(hù)可以更好地了解整條線路上列車(chē)運(yùn)行的狀況。通過(guò)系統(tǒng)模擬各種氣候環(huán)境對(duì)列車(chē)運(yùn)行的影像，模擬突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，列車(chē)運(yùn)行可能出現(xiàn)的問(wèn)題和存在的隱患。該系統(tǒng)可以將各種設(shè)備和設(shè)施構(gòu)建到鐵路運(yùn)行環(huán)境的三維模型上，對(duì)設(shè)施設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控。高速列車(chē)三維平臺(tái)的研究對(duì)于列車(chē)監(jiān)控、線路監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控和防災(zāi)防突發(fā)事件有著重要的意義。

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