基于線性參照系統(tǒng)的高鐵沉降數(shù)據(jù)集成模型

張倩寧，黃澤純，洪安東，尚海濱

（1.西南交通大學(xué) 地科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 高速鐵路運(yùn)營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031; 3.成都理工大學(xué) 旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，四川 成都 610059）

基于線性參照系統(tǒng)的高鐵沉降數(shù)據(jù)集成模型

張倩寧1,2，黃澤純1,2，洪安東1,2，尚海濱3

針對高鐵沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的海量特性，以及傳統(tǒng)管理方式存在的效率不高、可視化效果不好的問題，設(shè)計(jì)了一種基于線性參照系統(tǒng)有效管理和顯示高鐵沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成模型。該模型中，高鐵路網(wǎng)以路徑要素集存儲，高鐵沿線非空間數(shù)據(jù)以事件表的形式存儲，由此實(shí)現(xiàn)高鐵沉降監(jiān)測相關(guān)的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的線性建模與集成。同時(shí)，使用ArcEngine組件與．NET平臺實(shí)現(xiàn)了沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)空間查詢和可視化表達(dá)功能，可形象地反映高鐵線路與沉降監(jiān)測點(diǎn)的分布狀況，更易于進(jìn)行沉降數(shù)據(jù)的可視化分析、預(yù)測和評估。數(shù)據(jù)集成模型實(shí)現(xiàn)了非空間數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的一體化管理，有效地減少了數(shù)據(jù)存儲冗余，提高了高鐵變形監(jiān)測數(shù)據(jù)管理的效率，對我國高速鐵路的建設(shè)與運(yùn)營安全的海量監(jiān)測數(shù)據(jù)管理具有一定的參考價(jià)值。

線性參照系統(tǒng)；沉降監(jiān)測；數(shù)據(jù)集成；空間數(shù)據(jù)庫；可視化

在高速鐵路建設(shè)與運(yùn)營過程中，沉降監(jiān)測是一項(xiàng)伴隨始終的工作，其對于高鐵建設(shè)的質(zhì)量保障和運(yùn)營安全起著至關(guān)重要的作用。高速鐵路經(jīng)過的區(qū)域地形往往比較復(fù)雜、沉降監(jiān)測點(diǎn)種類繁多，由此產(chǎn)生的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)量十分巨大。沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)具有周期性、高精度性等特點(diǎn)[1]。鑒于以上特點(diǎn)，只有對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的質(zhì)量控制和合理管理，才能保障高速鐵路的順利建設(shè)與安全運(yùn)營[2]。

目前常采用的高速鐵路沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)管理方式為：使用Excel軟件管理沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，用CAD軟件建立高速鐵路圖形文件。這種傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理方式存在很多缺陷，如空間信息和屬性信息嚴(yán)重分離，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，僅僅考慮了沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，卻忽略了監(jiān)測點(diǎn)的空間特征；易產(chǎn)生大量冗余數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不一致；管理效率低。因而如何有效地管理沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)和可視化表達(dá)高速鐵路變形特征成為研究的重點(diǎn)。本文提出了一種新的基于線性參照系統(tǒng)的高鐵沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與表達(dá)的集成模型。運(yùn)用線性參照系統(tǒng)來管理高速鐵路沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，可將非空間數(shù)據(jù)以事件表的形式存儲，實(shí)現(xiàn)了非空間數(shù)據(jù)的空間化，大大降低數(shù)據(jù)冗余度，減少數(shù)據(jù)存儲量。同時(shí)，線性參照系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高速鐵路沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的線性可視化管理，且可方便地對數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入和管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新。

1 線性參照系統(tǒng)

1.1 理論基礎(chǔ)

1974年，Baker和Blessing提出了線性參照系統(tǒng)。1997年Alan Vonderohe等[3-6]提出了一個(gè)通用的線性參照模型，闡述了線性參照模型由線性參照基準(zhǔn)、拓?fù)渚W(wǎng)和線性參照方法3個(gè)部分組成。線性參照基準(zhǔn)是由控制點(diǎn)和控制段組成。拓?fù)渚W(wǎng)為應(yīng)用層，建立在線性參照基準(zhǔn)上，管理部門可根據(jù)需要在同一線性參照基準(zhǔn)上建立多種不同的拓?fù)渚W(wǎng)。設(shè)施數(shù)據(jù)以事件的形式，通過線性參照方法建立在拓?fù)渚W(wǎng)上。

線性參照方法是使用沿線狀要素的相對位置存儲地理事件的方法。為了方便使用，不同的部門會采用不同的線性參照方法，各線性參照方法可根據(jù)線性參照基準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。我國的鐵路部門一般采用里程樁法。這種方法為每一條鐵路賦予唯一編號，指定固定起點(diǎn)位置，沿著道路行進(jìn)方向，在路兩側(cè)設(shè)立里程樁，實(shí)際定位時(shí)，量測定位點(diǎn)到最近的里程樁的距離，得到準(zhǔn)確的里程樁號。

在線性參照模型中，一維線性要素類的設(shè)施、現(xiàn)象等信息通過線性參照定位的方法，以事件的形式建立在拓?fù)鋵由?，使得空間數(shù)據(jù)庫的建立不再依賴于基礎(chǔ)地圖，脫離了與基礎(chǔ)地圖中的空間要素的直接聯(lián)系，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了非空間數(shù)據(jù)的空間化。

1.2 ArcGIS中的線性參照數(shù)據(jù)集

在ArcGIS中，用于構(gòu)建線性參照系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型有路徑要素集和事件表。路徑要素集是具有已定義測量系統(tǒng)的路徑集合，而路徑是指具有唯一標(biāo)識符和通用測量系統(tǒng)的任意線狀要素。事件表就是事件信息的集合，包含有關(guān)可沿路徑要素定位的資產(chǎn)、狀況和事件信息。線性參照模型中一般包含兩種類型的事件：點(diǎn)事件和線事件。點(diǎn)事件僅使用一個(gè)測量值描述路徑的離散位置，而線事件使用測量始于值和測量止于值描述路徑的一部分。ArcGIS軟件使用動態(tài)分段法將事件顯示在路徑要素網(wǎng)上[7]。

2 沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)組織與線性建模

2.1 沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)組織

高速鐵路沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)一般包含空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)三大部分?？臻g數(shù)據(jù)主要由高鐵沿線基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、高鐵線路的線性參照基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和拓?fù)渚W(wǎng)數(shù)據(jù)組成。屬性數(shù)據(jù)主要包括高鐵路段基本屬性、監(jiān)測點(diǎn)基本屬性、沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)的存在可以很方便地解決數(shù)據(jù)共享等問題。元數(shù)據(jù)主要包含各種高鐵沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

2.2 高鐵沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)線性建模

基于線性參照系統(tǒng)建立的高鐵沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)集成模型如圖1所示。在對高速鐵路沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行線性建模時(shí)，事件表通過線性參照方法與路徑要素集關(guān)聯(lián)，并顯示在路徑要素上。高速鐵路系統(tǒng)一般采用的線性參照方法是里程樁法。建模的基本步驟為：

1）路徑要素集的建立。高速鐵路沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)集成模型中，根據(jù)實(shí)際需要路徑要素集由高速鐵路線性參照基準(zhǔn)和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)生成，并選擇里程樁的線性參照方法。

2）事件表的建立。高鐵沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)集成模型中，事件表分為點(diǎn)事件表和線事件表。點(diǎn)事件表一般可由點(diǎn)狀分布的要素表進(jìn)行構(gòu)建。模型中由監(jiān)測點(diǎn)分布表、基準(zhǔn)點(diǎn)分布表、工作基點(diǎn)分布表、交叉跨越表和鐵路站點(diǎn)分布表等構(gòu)建。點(diǎn)事件表中必須包括測量字段和路徑關(guān)聯(lián)字段。測量字段根據(jù)里程樁號進(jìn)行構(gòu)建，路徑關(guān)聯(lián)字段為點(diǎn)狀要素所在路徑。線事件表一般可由線狀表示的要素表進(jìn)行構(gòu)建。模型中由高鐵線下工程結(jié)構(gòu)類型表、災(zāi)害分布表、高鐵設(shè)計(jì)時(shí)速表、施工單位表和運(yùn)營管理單位表等構(gòu)建。線事件表中必須包括起始測量字段、終止測量字段和路徑關(guān)聯(lián)字段。起始和終止測量字段可根據(jù)線狀要素開始和結(jié)束的里程樁號進(jìn)行構(gòu)建，路徑關(guān)聯(lián)字段為現(xiàn)狀要素所在路徑。

3）事件的顯示。這個(gè)過程實(shí)現(xiàn)了高速鐵路屬性數(shù)據(jù)向空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。根據(jù)路徑關(guān)聯(lián)字段和測量字段，模型使事件表正確地關(guān)聯(lián)和顯示在高鐵線路路徑要素上。本模型中選用線路編號作為事件表和屬性表的關(guān)聯(lián)字段。最后，使用ArcGIS軟件中的線性參照工具將事件表轉(zhuǎn)換為點(diǎn)圖層或線圖層，并顯示在路徑要素上。

圖1 高鐵沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)線性集成模型

3 實(shí)驗(yàn)與功能實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)采用的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)是某條高速鐵路的一段實(shí)測數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)由高速鐵路沿線遙感影像經(jīng)矢量化后獲得。

3.1 高速鐵路沉降監(jiān)測空間數(shù)據(jù)庫

根據(jù)上述組織方式，實(shí)驗(yàn)中，基于ArcGIS的File Geodatabase構(gòu)建數(shù)據(jù)存儲模型。建立的高速鐵路沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)庫如圖2所示。

Geodatabase數(shù)據(jù)模型符合OGC技術(shù)規(guī)范，且支持關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL接口。對于已經(jīng)存在的原始空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)，可通過ArcGIS軟件將數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，還需進(jìn)行初步處理，如添加和轉(zhuǎn)換事件表的測量字段和關(guān)聯(lián)字段。高鐵沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的更新，可直接使用ArcGIS軟件進(jìn)行原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的維護(hù)。

圖2 高鐵沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

3.2 線性參照數(shù)據(jù)集

1）建立拓?fù)渚W(wǎng)。在ArcGIS中使用線性參照工具的“創(chuàng)建路徑”，在線性參照基準(zhǔn)上創(chuàng)建路徑要素類。

2）設(shè)置影線。由于高速鐵路沉降監(jiān)測過程中，一個(gè)監(jiān)測斷面上會設(shè)置兩個(gè)或多個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)，為了更加形象地表達(dá)每個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)所在鐵路的具體位置（左邊、中線或右邊），對生成的路徑要素類圖層，按照一定的規(guī)則進(jìn)行影線設(shè)置。通過影線的設(shè)置可形象地模擬高速鐵路沉降監(jiān)測點(diǎn)位的分布，使得區(qū)域沉降的分析和評估更加形象化。

3）創(chuàng)建事件圖層。使用線性參照工具中的“創(chuàng)建路徑事件圖層”，將沉降監(jiān)測點(diǎn)事件表生成點(diǎn)事件圖層，將高鐵線路相關(guān)線事件表生成線事件圖層。

3.3 沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化表達(dá)及查詢功能

基于ArcEngine開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)并開發(fā)了高鐵沉降數(shù)據(jù)處理模塊，實(shí)現(xiàn)了基于線性參照系統(tǒng)的高鐵沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化顯示及查詢功能。模塊將查詢功能和可視化功能相結(jié)合，使得數(shù)據(jù)分析、預(yù)測和評估更易于進(jìn)行。

查詢模塊實(shí)現(xiàn)了按屬性條件查詢功能，如圖3所示查詢線路上所有的隧道監(jiān)測點(diǎn)。

圖3 隧道監(jiān)測點(diǎn)查詢結(jié)果

監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化模塊實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)的表格顯示和沉降曲線圖的實(shí)時(shí)繪制功能，如圖4、5所示。

圖4 隧道監(jiān)測點(diǎn)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖5 隧道監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降曲線圖

4 結(jié) 語

本文引入線性參照系統(tǒng)來管理和顯示高鐵沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了高鐵沉降監(jiān)測成果的空間和屬性數(shù)據(jù)的一體化管理，可提高數(shù)據(jù)的管理效率。實(shí)驗(yàn)表明，線性參照系統(tǒng)非常適用于管理高鐵沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠有效地改善傳統(tǒng)的高鐵線路空間數(shù)據(jù)和沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的分離狀況。在數(shù)據(jù)存儲方面，可降低數(shù)據(jù)冗余度，優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)；在數(shù)據(jù)顯示方面，可更加形象地反映沉降監(jiān)測點(diǎn)的點(diǎn)位分布狀況，使數(shù)據(jù)分析、預(yù)測和評估更加易于進(jìn)行。本文僅僅對基于線性參照系統(tǒng)的高鐵沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)集成模型做了初步探討，為了增強(qiáng)線性集成模型在高鐵建設(shè)與運(yùn)營中運(yùn)用的通用性和實(shí)用性，可進(jìn)一步對高鐵運(yùn)營安全監(jiān)測其他方面數(shù)據(jù)進(jìn)行線性集成建模研究。

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P258

B

1672-4623（2016）01-0099-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.01.030

張倩寧，碩士，研究方向?yàn)闀r(shí)空數(shù)據(jù)挖掘、LiDAR點(diǎn)云處理。

2015-04-03。

項(xiàng)目來源：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2682014CX017）；長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（IRT13092）。