陳 鴻，王 勇

(1.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東深圳518029;2.深圳市偉圖科技開發(fā)有限公司，廣東深圳518034)

一、背 景

隨著近幾年深圳地鐵二期建設(shè)進(jìn)程的加速，由地鐵施工引起的沿線管線改遷工程規(guī)模越來越大，隨之而來的地下管線資料的管理和應(yīng)用問題日益突出。在傳統(tǒng)的管線資料管理模式下，圖文表格不統(tǒng)一，分類統(tǒng)計(jì)、檢索速度慢，不利綜合分析，存在較多弊端。采用人工方式管理，資料更新維護(hù)效率低下，導(dǎo)致資料的現(xiàn)勢性較差。這些因素為管線施工事故埋下隱患，也不可避免地給地鐵工程建設(shè)帶來損失。

同時(shí)地鐵建設(shè)積累了大量的地質(zhì)資料，用傳統(tǒng)的圖表不能完全表達(dá)地質(zhì)信息的空間分布及巖層和結(jié)構(gòu)面間的位置關(guān)系。建立地鐵沿線的地質(zhì)三維可視化信息管理系統(tǒng)，能逼真反映地鐵沿線巖土層的空間分布情況以及地下主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)全貌，為地質(zhì)工作者分析、研究工程地質(zhì)現(xiàn)象和發(fā)現(xiàn)掌握巖土體結(jié)構(gòu)規(guī)律，提供一種新的研究手段和方法。建立可視化信息管理系統(tǒng)，可對龐大的地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理，實(shí)現(xiàn)快速查詢分析，還可避免不必要的重復(fù)勘察工作。

終上所述，基于三維GIS技術(shù)建立深圳市地鐵安保區(qū)地下管線與地質(zhì)資料三維信息管理系統(tǒng)，是根據(jù)三維GIS技術(shù)功能特點(diǎn)，結(jié)合深圳市地鐵發(fā)展現(xiàn)狀及長遠(yuǎn)規(guī)劃的必然選擇。同時(shí)也是深圳市三維數(shù)字城市發(fā)展上的必由之路與重要領(lǐng)域。

計(jì)算機(jī)三維圖形技術(shù)的快速發(fā)展極大地推進(jìn)了三維GIS的可視化技術(shù)進(jìn)步，乃至于WorldWind之類開源軟件的應(yīng)用大大降低了準(zhǔn)入門檻，從而催生了大量所謂的“三維可視化GIS”軟件。實(shí)際上，三維可視化僅僅是三維GIS的基本功能之一。對于深圳市地鐵安保區(qū)地下管線與地質(zhì)資料三維信息管理系統(tǒng)這樣的專業(yè)化三維GIS應(yīng)用，需要的是滿足大規(guī)模三維空間數(shù)據(jù)集成管理、在線更新與分析應(yīng)用的通用平臺。在這方面，國內(nèi)外已經(jīng)面世了不少綜合能力強(qiáng)大的三維GIS軟件平臺，其中比較有代表的是作為世界GIS工業(yè)領(lǐng)袖的Esri發(fā)布了具有增強(qiáng)三維數(shù)據(jù)管理、創(chuàng)作與編輯、三維分析和可視化處理能力的ArcGIS 10.1。

因此，無論在基礎(chǔ)理論準(zhǔn)備、行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，以及三維GIS支撐平臺方面都具備了項(xiàng)目建設(shè)與實(shí)施的基礎(chǔ)與環(huán)境，該項(xiàng)目可行性是確定的。

本系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)深圳地鐵安保區(qū)范圍內(nèi)管線和地質(zhì)信息的集中管理、統(tǒng)一調(diào)配、資源共享，建立綜合管線和地質(zhì)數(shù)據(jù)處理與維護(hù)的統(tǒng)一平臺、規(guī)劃管理與設(shè)計(jì)服務(wù)的平臺、各專業(yè)管線和地質(zhì)信息系統(tǒng)交互共享的平臺。從而為地鐵項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行管理、地鐵及周邊地下空間統(tǒng)一開發(fā)利用提供完整的綜合管線和地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為地鐵發(fā)展預(yù)測及政府相關(guān)部門決策提供可靠的依據(jù)，為地鐵建設(shè)、安保、防災(zāi)、搶險(xiǎn)、環(huán)境保護(hù)以及社會(huì)公眾提供管線和地質(zhì)信息綜合服務(wù)。

系統(tǒng)建設(shè)的重點(diǎn)在于如何將地鐵等地下空間開發(fā)與利用過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)有效地存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，并且使之能夠滿足各專業(yè)人士的習(xí)慣，體現(xiàn)個(gè)性化、人性化、專業(yè)的主題。

系統(tǒng)以先進(jìn)的3DGIS技術(shù)為基礎(chǔ)對地鐵沿線的管線、地質(zhì)信息與數(shù)據(jù)實(shí)施綜合管理。它以地理空間數(shù)據(jù)庫、三維模型庫為基礎(chǔ)，運(yùn)用地理模型分析方法為手段組成一個(gè)共享平臺，對地鐵沿線各類信息資源及數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理、分析和有機(jī)的集成，構(gòu)成一個(gè)具空間性和動(dòng)態(tài)性的地鐵資料數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

深圳地鐵安保區(qū)地下管線與地質(zhì)資料三維管理系統(tǒng)主要研究平面圖管理及地下管線，該系統(tǒng)是針對地鐵線路規(guī)劃、施工、運(yùn)行維護(hù)管理中相關(guān)城市綜合管線、工程地質(zhì)、安保區(qū)工程信息三方面的數(shù)據(jù)信息綜合管理，應(yīng)用的決策支持系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)所涉及的管理對象地鐵相關(guān)，具有地下、隱蔽、空間三維等特性，該系統(tǒng)運(yùn)用3DGIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)三維管理，應(yīng)用分析的三維可視化，以及地鐵隧道、站點(diǎn)、地下管線、巖土工程地層、安保工程的綜合虛擬現(xiàn)實(shí)展示。

1.系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要由兩大模塊構(gòu)成，系統(tǒng)維護(hù)模塊和應(yīng)用分析模塊(如圖1所示)。其中系統(tǒng)維護(hù)模塊主要使用對象為系統(tǒng)維護(hù)人員。該模塊主要任務(wù)是進(jìn)行系統(tǒng)權(quán)限設(shè)置，以及對服務(wù)器端保存的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)，包括各種三維模型，管線、地層、站點(diǎn)、建筑三維模型的更新;工程地質(zhì)勘察資料的管理和安全保護(hù)資料的管理。

圖1 系統(tǒng)主要功能示意圖

應(yīng)用分析模塊的使用對象則是地鐵規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理相關(guān)管理決策和工程技術(shù)人員。提供了從二維到三維，涵蓋地鐵安保區(qū)范圍的地下綜合管線，工程地質(zhì)，以及安全保護(hù)管理三方面業(yè)務(wù)的各種數(shù)據(jù)瀏覽、檢索查詢、分析計(jì)算功能。在最主要的三維應(yīng)用方面，可以在任意位置上，對地鐵相關(guān)地下空間剖切，生成剖面圖;生成綜合格柵圖，對地下管線、鉆孔、地層、隧道、站點(diǎn)進(jìn)行全方位、三維立體透視觀察，全面直觀地進(jìn)行分析計(jì)算，徹底了解各地層斷面與地鐵要素的關(guān)系。

2.系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)是基于ArcGIS 10.1最新版的基礎(chǔ)上開發(fā)而成的C/S架構(gòu)的Windows桌面應(yīng)用系統(tǒng)。采用最新的VS2010的C#為開發(fā)語言。在服務(wù)器端主要利用ArcSDE存儲(chǔ)管理各種空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。另外還利用ArcGISServer提供影像和地圖緩存服務(wù)，這樣可以高效訪問影像和相對固定的矢量地圖數(shù)據(jù)。

在客戶端，在 ArcGISEngine 10.1，VS2010 的C#為開發(fā)語言，在.NET Framework4.0的基礎(chǔ)上開發(fā)(如圖2所示)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括全深圳地表影像、各種基礎(chǔ)地理矢量數(shù)據(jù)，地鐵1、2、5線的工程地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)，工程勘察文檔、1、2、5線安保區(qū)范圍的地下綜合管線管線、安保區(qū)檢測和工程數(shù)據(jù)。另外還有標(biāo)志建筑、地鐵隧道、站點(diǎn)、地下管線、巖土工程地層等三維模型數(shù)據(jù)。

三、系統(tǒng)特點(diǎn)

1.集成的地鐵數(shù)字化系統(tǒng)

建立了以精確的地鐵三維空間地理框架的地質(zhì)、管線、安保綜合信息的二三維一體化管理模型，系統(tǒng)準(zhǔn)確、快捷、直觀地表達(dá)各種地鐵沿線各種信息、資源、數(shù)據(jù)，為地鐵建設(shè)、安保、防災(zāi)、搶險(xiǎn)、環(huán)境保護(hù)提供決策的基礎(chǔ)依據(jù)和有力的支持(如圖3、圖4所示)。

2.鉆孔數(shù)據(jù)自動(dòng)生成地層三維模型

大量的工程勘察鉆孔數(shù)據(jù)，其來源時(shí)間跨度大，地層劃分方法各異，要將其建立地層三維模型，研究制定了地層統(tǒng)一劃分標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)地層自動(dòng)整理算法，可以按主層或亞層自動(dòng)生成復(fù)雜地層三維模型(如圖5所示)。

圖3 系統(tǒng)主界面

圖4 綜合剖面圖

圖5 三維地層模型

3.模型的任意剖切和隧道模擬開挖

ArcGISEngine 10.1主要提供了二維和三維地圖控件等相關(guān)空間數(shù)據(jù)訪問組件，為系統(tǒng)的快速開發(fā)提供了基礎(chǔ)。但是，由于ArcGIS在三維分析方面，主要擅長的是地表地形擬三維方面的分析，在地下三維實(shí)體分析方面雖然在ArcGIS 10開始有了三維模型空間運(yùn)算功能，但仍然存在很多問題。比如模型空間運(yùn)算的實(shí)體必須是閉合模型，而在實(shí)際應(yīng)用中，許多站點(diǎn)、建筑模型是有手工制作的，很難滿足這一條件。因此還需要開發(fā)相應(yīng)的三維空間運(yùn)算算法。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地下三維模型的快速刨切算法，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)刨切，極大地提高了分析的效率與和可視化效果。利用ArcGIS的地理運(yùn)算工具可以進(jìn)行三維模型運(yùn)算，但是參與運(yùn)算的模型必須是ArcGIS判定的閉合模型。對于地鐵站點(diǎn)、建筑等手工建立的三維模型很難滿足這個(gè)條件，為此項(xiàng)目組開發(fā)出了任意三維模型的剖切程序，從而突破了模型閉合的限制。使三維分析運(yùn)算達(dá)到實(shí)用化，如圖6、圖7所示。

圖6 連續(xù)剖面切片圖

圖7 隧道的模擬開挖

四、結(jié)束語

通過一年的研究與建設(shè)，深圳地鐵三維地理信息系統(tǒng)開始投入試運(yùn)行。目前1、2、5號線數(shù)據(jù)已經(jīng)導(dǎo)入完成，在11號線的的規(guī)劃設(shè)計(jì)中成功應(yīng)用該系統(tǒng)的模擬隧道開挖功能，對新線路和原有線路的空間關(guān)系、所處地層位置、以及地下管線分布情況等進(jìn)行可視化分析展示，對地鐵規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了有力的支持。

隨著數(shù)據(jù)不斷的豐富，系統(tǒng)功能不斷完善，可將系統(tǒng)作為地鐵運(yùn)營、安全保護(hù)、設(shè)備管理、應(yīng)急管理等的基礎(chǔ)平臺，將會(huì)有力推進(jìn)數(shù)字地鐵的發(fā)展。

略)