摘要：城市軌道交通基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)是運用地理學(xué)、地質(zhì)工程學(xué)、計算機圖形學(xué)、計算數(shù)學(xué)等多學(xué)科理論和方法,以地理信息系統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合數(shù)據(jù)庫處理、ArcGIS中的編程技術(shù)、三維圖像處理技術(shù)建立的,是對城市軌道交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行綜合管理和分析的大型信息管理系統(tǒng)。結(jié)合城市軌道交通基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)用戶需要,闡述了城市軌道交通基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)的功能特征;探討了基于地理信息系統(tǒng)平臺的軌道交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)三維空間可視化方法等。 關(guān)鍵詞　城市軌道交通,地理信息系統(tǒng),設(shè)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(shè)的規(guī)模不斷擴大[1]。40多年雖然已完成數(shù)量巨大的工程地質(zhì)勘察及軌道項目建設(shè),但在項目中產(chǎn)生出的大量規(guī)劃資料、基礎(chǔ)地質(zhì)勘察資料等的城市軌道基礎(chǔ)地理信息,相當(dāng)部分處在一種分散使用、分散保管、甚至大量遺棄的狀態(tài);此外,目前對城市軌道交通基礎(chǔ)地理信息的存儲管理還是以文字、圖紙、圖表為主的傳統(tǒng)管理,查閱不便,尤其在處理大量工程數(shù)據(jù)時更是難以下手。因此,必須有一套現(xiàn)代的信息管理系統(tǒng)與之配套,而地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展為此提供了一種恰當(dāng)和實用的工具。 地理信息系統(tǒng)（GeographicalInformationSys-tem,簡為GIS）是20世紀(jì)60年代開始迅速發(fā)展起來的地理學(xué)研究技術(shù),是多種學(xué)科交叉的產(chǎn)物。近年來,地理信息系統(tǒng)在全球得到空前迅速的發(fā)展,成為實現(xiàn)現(xiàn)代化科學(xué)管理的高新技術(shù)。它被廣泛地應(yīng)用到城市規(guī)劃、城市地下管網(wǎng)管理、城市交通、社會服務(wù)等方面。GIS具有處理海量數(shù)據(jù)的存儲、進行復(fù)雜的邏輯運算和數(shù)據(jù)挖掘的功能,同時也是實現(xiàn)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(shù)據(jù)輸入、存貯、檢索、顯示和綜合分析應(yīng)用等功能[2-3],將軌道交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的空間信息與其相關(guān)的屬性信息結(jié)合,能夠?qū)崿F(xiàn)城市軌道交通基礎(chǔ)地理信息檢索、統(tǒng)計、分析、修改、打印等,為城市軌道交通基礎(chǔ)地理信息提供快速、準(zhǔn)確的現(xiàn)代化管理手段;此外,城市軌道交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中有大量的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)和地下管線數(shù)據(jù),傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理很難把不同類型的數(shù)據(jù)進行三維可視化顯示,亦無法對數(shù)據(jù)進行分析和處理。而地理信息系統(tǒng)的三維可視化功能是以適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立特征數(shù)學(xué)模型,采用計算機圖形技術(shù)將數(shù)學(xué)描述以3D圖像的形式予以表現(xiàn),這樣可以實現(xiàn)城市軌道交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理的可視化。 1 城市軌道交通基礎(chǔ)GIS的分析與設(shè)計 1.1 總體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)利用ArcGIS的強大的地圖操作功能,來實現(xiàn)對城市軌道交通所涉及的地層、鉆孔、監(jiān)測、構(gòu)筑物、管線等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的可視化管理和分析。系統(tǒng)由硬件、GIS軟件和系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫、接口等4部分構(gòu)成,其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 1.2 模塊設(shè)計 系統(tǒng)要對大量的軌道交通沿線的各種空間及屬性數(shù)據(jù)進行管理,同時也要實現(xiàn)地層數(shù)據(jù)、構(gòu)筑物數(shù)據(jù)和管線數(shù)據(jù)的可視化分析。根據(jù)通用軟件設(shè)計原理,系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計。分為專題信息管理、基礎(chǔ)信息管理和系統(tǒng)維護3個子系統(tǒng)總共由8個模塊組成,如圖2所示。 1.3 系統(tǒng)功能 系統(tǒng)要求把孤立、分散的各種城市軌道交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以地理空間為紐帶建立起相關(guān)關(guān)系,在此基礎(chǔ)上開發(fā)形成基于GIS的城市軌道交通基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)。使各種鉆孔數(shù)據(jù)、軌道周邊構(gòu)筑物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、地面地形數(shù)據(jù)、地下管線數(shù)據(jù)等形成一個有機的整體;對城市軌道交通基礎(chǔ)信息進行檢索、查詢、分析;同時可以使地層信息實現(xiàn)三維顯示;并初步形成一個可擴展的城市軌道交通基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)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(zhí)行圖形的任意范圍打印輸出功能。 2）屬性數(shù)據(jù)錄入編輯。對所有圖形的屬性建立專門的屬性數(shù)據(jù)庫表,通過數(shù)據(jù)維護子模塊完成數(shù)據(jù)的錄入、編輯、修改。主要的屬性數(shù)據(jù)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(gòu)筑物基礎(chǔ)信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)等。 3）圖形輸入編輯。系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)和空間屬性數(shù)據(jù)兩種?？臻g數(shù)據(jù)是指二維平面數(shù)據(jù),主要包括軌道交通及站點、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、建筑物、鉆孔、管線、構(gòu)筑物基礎(chǔ)等點、線、面狀數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)以層的方式進行組織,以矢量圖的形式在平面圖上表現(xiàn)出來。系統(tǒng)可通過數(shù)據(jù)維護子模塊對空間數(shù)據(jù)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(tǒng)可以同時對空間和屬性數(shù)據(jù)進行方便、靈活、準(zhǔn)確的查詢與定位。實現(xiàn)空間圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的雙向聯(lián)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(jù)各種的屬性信息條件查詢圖形信息。系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)可以將數(shù)據(jù)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(tǒng)將以點、線為基本形態(tài),以鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),選用適當(dāng)?shù)膬?nèi)插方法,將零散的、局部的二維地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)成地層信息在三維空間中顯示;并重現(xiàn)地下空間形態(tài)和組合關(guān)系,重建三維模型,用三維圖形生動地表現(xiàn)出來,從而實現(xiàn)地下復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)與關(guān)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(qū)域的概況。 6）空間分析功能。強大的系統(tǒng)分析功能是GIS的優(yōu)點之一。在現(xiàn)有的空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,利用緩沖分析、網(wǎng)絡(luò)分析、疊合分析與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),支持復(fù)雜空間問題的決策研究,模擬預(yù)測變化趨勢等。如:以軌道線為中心,建立任意長度的緩沖區(qū),分析出在緩沖區(qū)范圍內(nèi)各種管線的分布情況,顯示某范圍內(nèi)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(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析,建立回歸分析模型,以預(yù)測軌道沉降變化。 7）數(shù)字影像疊合。對地面影像數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)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(chǔ)上進行地面要素分析。 8）用戶權(quán)限設(shè)置。根據(jù)需要設(shè)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(tǒng)。管理員具有全部權(quán)限,可以進行系統(tǒng)備份、數(shù)據(jù)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(quán)限有數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)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(chǔ)GIS的實現(xiàn) 2.1 數(shù)據(jù)庫處理 依據(jù)系統(tǒng)基本功能和數(shù)據(jù)編碼等,建立基于SQLSever的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)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(gòu)筑物基礎(chǔ)基本信息表、構(gòu)筑物基礎(chǔ)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(shù)據(jù)庫,并建立圖形屬性值與索引字段關(guān)聯(lián)。由圖形屬性值定位數(shù)據(jù)庫索引字段,以此來調(diào)用其他相關(guān)字段內(nèi)容。 2.2 GIS二次開發(fā)技術(shù) 系統(tǒng)采用ArcGIS作為二次開發(fā)平臺,調(diào)用Ar-cGIS部分優(yōu)秀的功能模塊,并對其進行修改、完善,具體體現(xiàn)在: 1）圖形數(shù)據(jù)屬性編輯。根據(jù)相關(guān)行業(yè)規(guī)范定義圖形屬性及其結(jié)構(gòu),建立與數(shù)據(jù)庫的連接,提高軟件的專業(yè)化水平。 2）庫文件擴充。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義圖例及各種專業(yè)符號,擴充ArcGIS的圖例庫、圖形庫,用于顯示調(diào)用。 3）以緩沖區(qū)分析和疊加分析為基礎(chǔ)進行軌道沿線構(gòu)筑物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和管線數(shù)據(jù)的專題分析。 2.3 城市軌道交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一體化顯示 1）采用遙感圖片配準(zhǔn)、建筑物貼圖和三維造型技術(shù),實現(xiàn)地面景觀和建筑物的立體顯示。 2）根據(jù)坐標(biāo)的精確定位,確定構(gòu)筑物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、管線數(shù)據(jù)和軌道數(shù)據(jù)的位置關(guān)系,實現(xiàn)地下軌道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的顯示。同時,可以在ArcGIS功能模塊支持下,進行系統(tǒng)查詢功能開發(fā),實現(xiàn)軌道范圍內(nèi)各種管線和構(gòu)筑物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的查詢、分析。 3）依據(jù)多層DEM\TIN混合算法,以鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對軌道通過的地層數(shù)據(jù)進行可視化顯示。首先,確定軌道沿線區(qū)域的綜合地層順序;其次,逐層形成單個地層的構(gòu)建,各個地層體是通過上下兩個地質(zhì)層面表示的;最后,在區(qū)域范圍內(nèi),在兩層面間填充顏色、紋理[4-5]。 3 應(yīng)用 1） 圖形顯示功能。如圖3為本系統(tǒng)主界面,顯示上海軌道交通規(guī)劃圖。 2） 軌道、管線等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(zhǔn)后,疊加在三維環(huán)境中顯示,如圖5所示。 4） 地下基礎(chǔ)數(shù)據(jù)三維顯示界面,如圖6所示。 4 結(jié)語 1）城市軌道交通基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)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(tǒng); 2）城市軌道交通基地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用,可以融合各種不同來源的城市軌道交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù),進而達到數(shù)據(jù)的共享; 3）三維數(shù)據(jù)模型建立及其分析功能實現(xiàn)了軌道沿線各類基礎(chǔ)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(chǔ)地理信息游覽查詢,促進了城市軌道交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理的信息化; 4）初步實現(xiàn)的地上建筑與地下要素關(guān)聯(lián)顯示和分析功能,具有良好的普適性,可進一步深入開發(fā)應(yīng)用; 5）在充分實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)在功能的基礎(chǔ)上可以不斷深入地進行數(shù)據(jù)挖掘、開發(fā)集成所需的新功能,將可大大提高城市軌道交通基礎(chǔ)信息管理的效率與質(zhì)量,使城市軌道交通基礎(chǔ)信息管理向科學(xué)化、數(shù)字化、可視化大步邁進。 參考文獻 [1]賈學(xué)天.關(guān)于地理信息系統(tǒng)在地鐵中應(yīng)用的初步設(shè)想[J].中國市政工程,2003（5）:71. [2]陳述彭,魯學(xué)軍,周成虎.地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論[M].北京:科學(xué)出版社,1999. [3]吳信才.地理信息系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002. [4]ZeilerM.ExploringArcObjects[M].USA:ESRIPress,2001. [5]BrattS,BoothB.UsingArcGIS3DAnalyst[M].USA:ESRIPress,2001.