摘要：城市軌道交通基礎地理信息系統是運用地理學、地質工程學、計算機圖形學、計算數學等多學科理論和方法,以地理信息系統技術為基礎,結合數據庫處理、ArcGIS中的編程技術、三維圖像處理技術建立的,是對城市軌道交通基礎數據進行綜合管理和分析的大型信息管理系統。結合城市軌道交通基礎地理信息系統用戶需要,闡述了城市軌道交通基礎地理信息系統的功能特征;探討了基于地理信息系統平臺的軌道交通基礎數據三維空間可視化方法等。 關鍵詞　城市軌道交通,地理信息系統,設計 0 引言 我國從1965年開始修建地鐵以來,城市軌道交通建設的規模不斷擴大[1]。40多年雖然已完成數量巨大的工程地質勘察及軌道項目建設,但在項目中產生出的大量規劃資料、基礎地質勘察資料等的城市軌道基礎地理信息,相當部分處在一種分散使用、分散保管、甚至大量遺棄的狀態;此外,目前對城市軌道交通基礎地理信息的存儲管理還是以文字、圖紙、圖表為主的傳統管理,查閱不便,尤其在處理大量工程數據時更是難以下手。因此,必須有一套現代的信息管理系統與之配套,而地理信息系統技術的發展為此提供了一種恰當和實用的工具。 地理信息系統（GeographicalInformationSys-tem,簡為GIS）是20世紀60年代開始迅速發展起來的地理學研究技術,是多種學科交叉的產物。近年來,地理信息系統在全球得到空前迅速的發展,成為實現現代化科學管理的高新技術。它被廣泛地應用到城市規劃、城市地下管網管理、城市交通、社會服務等方面。GIS具有處理海量數據的存儲、進行復雜的邏輯運算和數據挖掘的功能,同時也是實現空間圖形顯示與空間信息查詢、分析的有效工具。利用GIS的數據輸入、存貯、檢索、顯示和綜合分析應用等功能[2-3],將軌道交通基礎數據的空間信息與其相關的屬性信息結合,能夠實現城市軌道交通基礎地理信息檢索、統計、分析、修改、打印等,為城市軌道交通基礎地理信息提供快速、準確的現代化管理手段;此外,城市軌道交通基礎數據中有大量的工程地質數據和地下管線數據,傳統的數據管理很難把不同類型的數據進行三維可視化顯示,亦無法對數據進行分析和處理。而地理信息系統的三維可視化功能是以適當的數據結構建立特征數學模型,采用計算機圖形技術將數學描述以3D圖像的形式予以表現,這樣可以實現城市軌道交通基礎數據管理的可視化。 1 城市軌道交通基礎GIS的分析與設計 1.1 總體結構 系統利用ArcGIS的強大的地圖操作功能,來實現對城市軌道交通所涉及的地層、鉆孔、監測、構筑物、管線等基礎地理數據的可視化管理和分析。系統由硬件、GIS軟件和系統軟件、數據庫、接口等4部分構成,其總體結構如圖1所示。 1.2 模塊設計 系統要對大量的軌道交通沿線的各種空間及屬性數據進行管理,同時也要實現地層數據、構筑物數據和管線數據的可視化分析。根據通用軟件設計原理,系統采用模塊化設計。分為專題信息管理、基礎信息管理和系統維護3個子系統總共由8個模塊組成,如圖2所示。 1.3 系統功能 系統要求把孤立、分散的各種城市軌道交通基礎數據以地理空間為紐帶建立起相關關系,在此基礎上開發形成基于GIS的城市軌道交通基礎地理信息系統。使各種鉆孔數據、軌道周邊構筑物基礎數據、地面地形數據、地下管線數據等形成一個有機的整體;對城市軌道交通基礎信息進行檢索、查詢、分析;同時可以使地層信息實現三維顯示;并初步形成一個可擴展的城市軌道交通基礎信息數據庫。系統的主要功能如下: 1）地圖的操作功能。包括地圖的放大、縮小和移動等操作;對各種圖形要素進行分層顯示的功能;此外,還可以執行圖形的任意范圍打印輸出功能。 2）屬性數據錄入編輯。對所有圖形的屬性建立專門的屬性數據庫表,通過數據維護子模塊完成數據的錄入、編輯、修改。主要的屬性數據操作對象包括軌道交通概況、鉆孔基本信息、軌道項目施工信息、地層分層信息、各類地下管線信息、地面建筑物信息、構筑物基礎信息、監測數據等。 3）圖形輸入編輯。系統數據包括空間數據和空間屬性數據兩種。空間數據是指二維平面數據,主要包括軌道交通及站點、地形地貌、地質構造、建筑物、鉆孔、管線、構筑物基礎等點、線、面狀數據。這些數據以層的方式進行組織,以矢量圖的形式在平面圖上表現出來。系統可通過數據維護子模塊對空間數據進行編輯,即進行點、線、面的添加、刪除操作。 4）信息檢索與查詢功能。系統可以同時對空間和屬性數據進行方便、靈活、準確的查詢與定位。實現空間圖形數據和屬性數據的雙向聯合查詢和分析,既可由圖形信息查詢所需的屬性信息,又可根據各種的屬性信息條件查詢圖形信息。系統設計了點擊、條件、邏輯等查詢方式,具有空間位置、屬性、范圍等多種查詢檢索功能。 5）信息可視化功能。系統可以將數據庫中的信息以文字、地圖、圖片等形式加以顯示,并為用戶提供分層顯示和各要素的選擇顯示等功能。系統將以點、線為基本形態,以鉆孔數據為基礎,選用適當的內插方法,將零散的、局部的二維地質鉆孔數據構成地層信息在三維空間中顯示;并重現地下空間形態和組合關系,重建三維模型,用三維圖形生動地表現出來,從而實現地下復雜空間結構與關系的表達、分析和過程的三維可視化。通過三維軌道可視化顯示,可以直觀、生動地反映軌道及其沿線各區域的概況。 6）空間分析功能。強大的系統分析功能是GIS的優點之一。在現有的空間數據基礎上,利用緩沖分析、網絡分析、疊合分析與數據挖掘技術,支持復雜空間問題的決策研究,模擬預測變化趨勢等。如:以軌道線為中心,建立任意長度的緩沖區,分析出在緩沖區范圍內各種管線的分布情況,顯示某范圍內距離軌道最近的管線或者對其進行碰撞檢查等;還可以對大量長期的軌道監測數據進行綜合分析,建立回歸分析模型,以預測軌道沉降變化。 7）數字影像疊合。對地面影像數據進行配準后可以疊合在矢量圖上,以此來增加地面可視化效果。同時也可在此基礎上進行地面要素分析。 8）用戶權限設置。根據需要設置兩類用戶:管理員、客戶。用戶必須使用帳號和密碼才能進入系統。管理員具有全部權限,可以進行系統備份、數據錄入、修改、查詢、刪除、打印輸出等,還可以增加、刪除客戶;客戶的基本權限有數據查詢、統計和打印輸出等,客戶可以有一個,也可以有多個。 2 城市軌道交通基礎GIS的實現 2.1 數據庫處理 依據系統基本功能和數據編碼等,建立基于SQLSever的數據庫管理系統。數據庫中數據模型對象可分為如下幾類:軌道工程信息表、鉆孔基本信息表、剖面地層信息表、地層基本信息表、鉆孔層位信息表、構筑物基礎基本信息表、構筑物基礎層位表、管線基本信息表、管線層位信息表等。以此來建立圖形屬性數據庫,并建立圖形屬性值與索引字段關聯。由圖形屬性值定位數據庫索引字段,以此來調用其他相關字段內容。 2.2 GIS二次開發技術 系統采用ArcGIS作為二次開發平臺,調用Ar-cGIS部分優秀的功能模塊,并對其進行修改、完善,具體體現在: 1）圖形數據屬性編輯。根據相關行業規范定義圖形屬性及其結構,建立與數據庫的連接,提高軟件的專業化水平。 2）庫文件擴充。根據行業標準定義圖例及各種專業符號,擴充ArcGIS的圖例庫、圖形庫,用于顯示調用。 3）以緩沖區分析和疊加分析為基礎進行軌道沿線構筑物基礎數據和管線數據的專題分析。 2.3 城市軌道交通基礎數據一體化顯示 1）采用遙感圖片配準、建筑物貼圖和三維造型技術,實現地面景觀和建筑物的立體顯示。 2）根據坐標的精確定位,確定構筑物基礎數據、管線數據和軌道數據的位置關系,實現地下軌道基礎數據的顯示。同時,可以在ArcGIS功能模塊支持下,進行系統查詢功能開發,實現軌道范圍內各種管線和構筑物基礎數據的查詢、分析。 3）依據多層DEM\TIN混合算法,以鉆孔數據為基礎,對軌道通過的地層數據進行可視化顯示。首先,確定軌道沿線區域的綜合地層順序;其次,逐層形成單個地層的構建,各個地層體是通過上下兩個地質層面表示的;最后,在區域范圍內,在兩層面間填充顏色、紋理[4-5]。 3 應用 1） 圖形顯示功能。如圖3為本系統主界面,顯示上海軌道交通規劃圖。 2） 軌道、管線等基礎數據查詢。點擊圖形要素,顯示圖形屬性信息;亦可以輸入查詢條件,搜索數據庫信息。如圖4所示。 3） 地面建筑物三維顯示。將遙感圖像配準后,疊加在三維環境中顯示,如圖5所示。 4） 地下基礎數據三維顯示界面,如圖6所示。 4 結語 1）城市軌道交通基礎地理信息系統具有開放、通用、易操作、易維護、易擴展等特點,是一個集實用性和綜合性為一體的多功能信息管理系統; 2）城市軌道交通基地理信息系統的應用,可以融合各種不同來源的城市軌道交通基礎數據,進而達到數據的共享; 3）三維數據模型建立及其分析功能實現了軌道沿線各類基礎地理信息的可視化表達,提供了一種直觀的城市軌道交通基礎地理信息游覽查詢,促進了城市軌道交通基礎數據管理的信息化; 4）初步實現的地上建筑與地下要素關聯顯示和分析功能,具有良好的普適性,可進一步深入開發應用; 5）在充分實現系統內在功能的基礎上可以不斷深入地進行數據挖掘、開發集成所需的新功能,將可大大提高城市軌道交通基礎信息管理的效率與質量,使城市軌道交通基礎信息管理向科學化、數字化、可視化大步邁進。 參考文獻 [1]賈學天.關于地理信息系統在地鐵中應用的初步設想[J].中國市政工程,2003（5）:71. [2]陳述彭,魯學軍,周成虎.地理信息系統導論[M].北京:科學出版社,1999. [3]吳信才.地理信息系統設計與實現[M].北京:電子工業出版社,2002. [4]ZeilerM.ExploringArcObjects[M].USA:ESRIPress,2001. [5]BrattS,BoothB.UsingArcGIS3DAnalyst[M].USA:ESRIPress,2001.