基于GIS技術(shù)的運營鐵路快速測量數(shù)據(jù)管理技術(shù)

胡偉強

（中國鐵路南昌局集團有限公司，南昌 330022）

近年來我國鐵路運營里程大幅增長，既有線維護、監(jiān)測和升級改造任務(wù)不斷加重。既有線快速測量出來的海量數(shù)據(jù)分析與管理是線路線形恢復(fù)和在旁新建線路的基礎(chǔ)，也是線路提速和升級改造的重要決策保障［1］。同時，由于鐵路運營任務(wù)異常繁忙，線路檢測和測量的天窗時間不斷縮短。因此，快速獲取線路測量數(shù)據(jù)給決策人員進行直觀展示與分析變得尤為重要，對既有線監(jiān)測、改造和維護具有重要意義和實用價值［2-3］。對既有線測量數(shù)據(jù)管理來說，現(xiàn)有的查看、管理和分析手段不能實現(xiàn)線路情況的實時反映，因此需要一種全新的技術(shù)手段進行可視化分析與管理。

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，GIS 技術(shù)從以前簡單的地物表達到融合大數(shù)據(jù)、BIM和容器技術(shù)，在空間數(shù)據(jù)分析與展示上顯示出強大的生命力［4］。GIS 技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域投入應(yīng)用，尤其在鐵路設(shè)施管理系統(tǒng)中，憑借其強大的空間數(shù)據(jù)處理能力為鐵路行業(yè)提供決策支持服務(wù)［5-6］。在比較成熟的GIS 平臺基礎(chǔ)上開發(fā)WebGIS 應(yīng)用系統(tǒng)，能夠有效降低開發(fā)難度，并且提高開發(fā)效率。而ArcGIS 平臺是GIS 業(yè)內(nèi)較為成熟的一款GIS 平臺，除了提供ArcMap 和ArcCatalog 等數(shù)據(jù)處理工具之外，還有很多的服務(wù)管理平臺，如二維ArcGIS Server，三維ArcGIS Portal，此外ArcGIS 平臺還提供整套的解決方案用來支持Web端開發(fā)。

因此，將GIS 技術(shù)運用到海量鐵路線路復(fù)測數(shù)據(jù)的管理，用空間數(shù)據(jù)來表達鐵路設(shè)備設(shè)施，是未來鐵路行業(yè)智能化的趨勢。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

基于南昌局目前對運營鐵路復(fù)測數(shù)據(jù)管理方面的現(xiàn)狀和需求，首先對線路復(fù)測數(shù)據(jù)進行深入的分析與研究，然后設(shè)計數(shù)據(jù)存儲方案和數(shù)據(jù)服務(wù)調(diào)用方案。

1.1 數(shù)據(jù)中心設(shè)計

基于不同空間測量技術(shù)所交付的空間數(shù)據(jù)成果不同，南昌局線路復(fù)測的空間數(shù)據(jù)類型可以分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)2 類。其中，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、線路復(fù)測數(shù)據(jù)；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括遙感影像數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)以上空間數(shù)據(jù)的多版本、多時相管理，對其進行分類管理，見表1。

表1 鐵路測量數(shù)據(jù)分類

空間信息數(shù)據(jù)存儲與管理是一個海量遞增的過程，因此空間數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)需要具備高擴展性、高存取率等特點。本研究方案將影像數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)存儲于NoSQL 非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和線路復(fù)測數(shù)據(jù)存儲于分布式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，并通過增加內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)空間測量數(shù)據(jù)的快速獲取。數(shù)據(jù)中心設(shè)計基于虛擬化容器和分布式技術(shù)，能夠支撐三類空間數(shù)據(jù)庫按需橫向擴展、存儲資源靈活分配，以滿足鐵路線路空間測量數(shù)據(jù)的增量存儲需求。

數(shù)據(jù)中心設(shè)計采用kubernetes編排管理docker，搭建基于mongodb 的nosql數(shù)據(jù)庫，用來集群存儲非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；搭建基于mysql 的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，用來存儲結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲方案。

1.2 服務(wù)中心設(shè)計

數(shù)據(jù)采集處理后，要達到使用的目的還需要對各類地理信息數(shù)據(jù)進行服務(wù)共享，共享后可被Web 端引用訪問。服務(wù)中心設(shè)計依托于強大的GIS 服務(wù)管理器，將各類數(shù)據(jù)分層處理，按服務(wù)要求轉(zhuǎn)化為特殊的格式。

服務(wù)中心采用ArcGIS Server 和ArcGIS Portal 對數(shù)據(jù)服務(wù)進行聯(lián)合，其中ArcGIS Server 提供Image Server（影像服務(wù)）、Map Server（地圖服務(wù)）、Feature Server（要素服務(wù)）、Scene Server（場景服務(wù)）等各類數(shù)據(jù)服務(wù)類型，極大地滿足各Web 應(yīng)用對空間服務(wù)中心地圖資源的調(diào)用。

1.3 整體方案設(shè)計

數(shù)據(jù)管理與可視化系統(tǒng)的主要作用是將運營鐵路快速測量技術(shù)中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)進行高效管理與可視化展示，包括傾斜攝影數(shù)據(jù)、激光點云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、單體模型、矢量數(shù)據(jù)、臺賬數(shù)據(jù)等，主要分為3大部分，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)多版本、多時相的存儲管理；服務(wù)中心負(fù)責(zé)二、三維數(shù)據(jù)服務(wù)的處理發(fā)布；數(shù)據(jù)管理與展示系統(tǒng)Web 應(yīng)用通過三維引擎展示二、三維數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)管理應(yīng)用功能。

2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)來源和業(yè)務(wù)需求方面的調(diào)研，設(shè)計了數(shù)據(jù)展示、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)管理四大模塊，每個模塊又有各自不同功能的子模塊，如圖2所示。

2.1 數(shù)據(jù)展示

從數(shù)據(jù)中心調(diào)用點云、三維、傾斜攝影等地圖資源服務(wù)，將鐵路線路的二維平面地圖、三維場景、傾斜攝影地圖作為系統(tǒng)展示的3 種底圖，同時在底圖資源上疊加鐵路線路地理實體數(shù)據(jù)，實現(xiàn)鐵路地理信息數(shù)據(jù)與底圖資源的一體化展示，如圖3 所示。在系統(tǒng)中設(shè)置統(tǒng)一檢索入口，實現(xiàn)鐵路設(shè)備查詢定位、線路里程定位；提供設(shè)備設(shè)施點選、框選定位，距離測量、面積測量等基本功能；集成設(shè)備設(shè)施基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)通過點擊查看詳情信息；提供多時相地圖，實現(xiàn)調(diào)閱不同時間段線路測量數(shù)據(jù)進行對比。

圖3 系統(tǒng)點云三維數(shù)據(jù)展示

2.2 統(tǒng)計分析

依據(jù)鐵路線路測量相關(guān)規(guī)范，提供線路附屬設(shè)備設(shè)施查詢統(tǒng)計功能，提供地圖框選統(tǒng)計和運營線路復(fù)測情況統(tǒng)計?？蜻x統(tǒng)計可在地圖上用鼠標(biāo)任意拉取一個矩形框，便可統(tǒng)計落在框內(nèi)的各個鐵路沿線設(shè)備設(shè)施數(shù)量和類型，同時對選中的設(shè)備提供定位功能。運營線路復(fù)測數(shù)據(jù)情況統(tǒng)計是從數(shù)據(jù)源、時間、管轄站段等多角度進行統(tǒng)計，并把測量數(shù)據(jù)的完成情況在地圖上進行可視化展示。此外，對一些比較精確的線路復(fù)測數(shù)據(jù)，如軌道線形偏差調(diào)整數(shù)據(jù)，采用波形圖的方式對偏差數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計展示（圖4），并將每一點的偏差數(shù)值在地圖三維實景上進行標(biāo)注和展示，便于用戶清晰直觀地查看。

圖4 偏差值分析波形

2.3 數(shù)據(jù)管理

集中管理線路的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)和線路復(fù)測數(shù)據(jù)，提供各類數(shù)據(jù)資源的上傳和下載功能，按照時間戳、上傳人員等對上傳數(shù)據(jù)進行管理，實現(xiàn)測量成果數(shù)據(jù)的版本化管理，同時也對元數(shù)據(jù)進行管理。

2.4 系統(tǒng)管理

提供系統(tǒng)的用戶管理、功能菜單權(quán)限管理、系統(tǒng)服務(wù)狀態(tài)監(jiān)控等功能，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫運行監(jiān)控、系統(tǒng)訪問日志留痕等。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)基于南昌局線路各類測量數(shù)據(jù)，以及南昌局實際業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的智能化管理及信息全方位感知。利用WebGIS 搭建了數(shù)據(jù)中心、服務(wù)中心和平臺功能模塊的設(shè)計，完成了線路數(shù)據(jù)二、三維一體化展示，以及各類測量數(shù)據(jù)多源、多版本集中化管理。此外，系統(tǒng)還實現(xiàn)了對各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析功能。同時，硬件系統(tǒng)采用分布式部署方式，充分發(fā)揮Web 服務(wù)器和Agent 服務(wù)器的優(yōu)勢，實現(xiàn)物理資源的高效整合和數(shù)據(jù)快速訪問。