馬 帥

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

2019 年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示，截止2019 年底，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)13.9 萬km，其中，高鐵營(yíng)業(yè)里程達(dá)到3.5 萬km，高鐵的發(fā)展速度和規(guī)模繼續(xù)領(lǐng)跑世界。 近年來，“數(shù)字交通、智慧交通”等概念逐漸興起，國(guó)內(nèi)外各行業(yè)都開展了以地理信息系統(tǒng)為平臺(tái)的應(yīng)用研究[1-2]。 在鐵路行業(yè)，已有BIM 在鐵路建設(shè)項(xiàng)目中各階段的應(yīng)用、BIM 與GIS 的技術(shù)融合以及將CAD/GIS/BIM 進(jìn)行在線集成等方面的研究[3-5]。以“BIM+GIS”為核心的GIS 平臺(tái)，既凸顯了BIM 技術(shù)在構(gòu)筑物內(nèi)部信息分析和管理的優(yōu)勢(shì)，也發(fā)揮了GIS在區(qū)域空間管理、空間分析的長(zhǎng)處，實(shí)現(xiàn)了兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。 劉延宏分析 “BIM+GIS”在鐵路橋梁建設(shè)整體信息化實(shí)施效果[6]；陳光等基于山地城市軌道交通項(xiàng)目研究一體化三維空間數(shù)據(jù)模型[7]；孫嶸認(rèn)為高鐵地理信息服務(wù)平臺(tái)可集成基礎(chǔ)地理信息、鐵路專業(yè)信息，形成面向多業(yè)務(wù)、多模式的鐵路地理信息平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)體系框架[8]；秦勇研究了鐵路地理信息系統(tǒng)的原理、建設(shè)原則和步驟，使鐵路地理信息系統(tǒng)能更好地服務(wù)于“數(shù)字鐵路”[9]。

SuperMap GIS 是一款具有二三維制圖與可視化、決策分析的大型GIS 基礎(chǔ)軟件平臺(tái)[10]。 以京雄城際鐵路項(xiàng)目為例，利用勘察設(shè)計(jì)階段的數(shù)據(jù)在SuperMap GIS 軟件實(shí)現(xiàn)京雄鐵路地理信息服務(wù)平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)整理過程和符號(hào)配置方法進(jìn)行詳細(xì)論述。

1 京雄城際鐵路簡(jiǎn)介

新建北京至雄安城際鐵路起點(diǎn)為李營(yíng)站，終點(diǎn)為雄安站，全長(zhǎng)92.4 km，沿線途經(jīng)北京大興區(qū)，廊坊的固安縣、永清縣、霸州市，保定的高碑店市及雄安新區(qū)，共設(shè)置李營(yíng)站、北京大興站、大興機(jī)場(chǎng)站、固安東站、霸州北站、雄安站6 座車站，其中李營(yíng)站為既有車站。 新建雄安動(dòng)車運(yùn)用所1 座、望架臺(tái)線路所1 座、牽引變電所2 座，包含京津聯(lián)絡(luò)線、津九上下行聯(lián)絡(luò)線，動(dòng)車走行線。 工點(diǎn)有橋梁、隧道、路基及多個(gè)大臨工程。

1.1 正線主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級(jí):高速鐵路；

(2)正線數(shù)目:雙線；

(3)速度目標(biāo)值:350 km/h；

(4) 最小平面曲線半徑: 最小曲線半徑為7 000 m，困難5 500 m；

(5)最大坡度:20‰；

(6)正線線間距:5.0 m；

(7)到發(fā)線有效長(zhǎng):650 m；

(8)牽引種類:電力；

(9)機(jī)車類型:CRH 系列動(dòng)車組；

(10)調(diào)度指揮方式:調(diào)度集中；

(11)列車運(yùn)行控制方式:采用CTCS-3；

(12)建筑限界:按350 km/h 速度標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行。

1.2 自然概況

(1)地形地貌

線路所屬地區(qū)位于華北平原北緣，多為沖積平原，地形平坦開闊，地面高程為4.4 ～27.4 m，地勢(shì)由西北向東南緩傾。

(2)地質(zhì)構(gòu)造

場(chǎng)區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造主要有北京坳陷、大興隆起和冀中坳陷。 事實(shí)上，近場(chǎng)區(qū)是華北斷陷區(qū)北京坳陷、冀中坳陷與太行山斷隆區(qū)京西隆起的結(jié)合部，經(jīng)歷長(zhǎng)期的構(gòu)造演化，形成北東向和北西向兩組相互交匯的斷裂構(gòu)造帶。 京西隆起主要由中上元古界和古生界組成，并有中生界覆蓋和燕山期花崗巖出露，長(zhǎng)期處于構(gòu)造隆起狀態(tài)，第四紀(jì)期間因北西向的張家口—渤海斷裂構(gòu)造帶活動(dòng)而在京西隆起邊緣形成沙河凹陷，第四系厚度最大可達(dá)600 m，以黃莊—高麗營(yíng)斷裂為界與北京坳陷相接[11]。

2 數(shù)據(jù)整理過程

2.1 SuperMap GIS 三維系統(tǒng)中數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)和高程基準(zhǔn)

京雄城際鐵路項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)均以XIAN80 橢球?yàn)榛鶞?zhǔn)，高斯投影方式，中央子午線為117°，高程基準(zhǔn)為1985 國(guó)家高程。 利用該項(xiàng)目的首級(jí)控制網(wǎng)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為WGS84 橢球的經(jīng)緯度并加密數(shù)據(jù)坐標(biāo)。

2.2 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的整理

基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)是地圖中最基礎(chǔ)的資料，包括定位基礎(chǔ)、水系、居民地及設(shè)施、交通、管線、境界與政區(qū)、地貌、植被與土質(zhì)共8 大類[12-13]，數(shù)據(jù)來源一般是衛(wèi)星影像、航飛資料、數(shù)字線劃圖和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

根據(jù)數(shù)據(jù)類型和比例，可將基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)整理為點(diǎn)、線、面三種數(shù)據(jù)格式，并以shp 數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)，如圖1 所示。

圖1 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)整理后存儲(chǔ)形式

2.3 地形及影像數(shù)據(jù)的整理

地形數(shù)據(jù)為以tif 格式存儲(chǔ)的柵格數(shù)據(jù)，需要兩套不同精度的數(shù)據(jù)，一套為以線路中心線每側(cè)各5 km 的低精度數(shù)據(jù)，一般為30 m 分辨率的srtm 高程數(shù)據(jù)；另一套為線路中心線每側(cè)500 m 的高精度dem 數(shù)據(jù)，一般為2 m 分辨率的格網(wǎng)dem 數(shù)據(jù)，或者從激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，如圖2 所示。

根據(jù)顯示級(jí)別，影像數(shù)據(jù)同樣需要兩種不同的精度，一種是以線路中心線每側(cè)5 km 范圍的低精度的影像，一般為2 m 分辨率的衛(wèi)星影像；另一種是線路中心線每側(cè)500 m 的高精度影像，一般為0.2 m 分辨率的航飛正射影像。

圖2 京雄地理信息服務(wù)平臺(tái)中DEM 數(shù)據(jù)展示

2.4 鐵路工程設(shè)計(jì)要素整理

傳統(tǒng)的鐵路工程設(shè)計(jì)成果一般為二維圖紙，需要將信息從二維圖紙中提取出來，將不同專業(yè)的設(shè)計(jì)圖紙根據(jù)設(shè)計(jì)類型轉(zhuǎn)為點(diǎn)、線、面的矢量數(shù)據(jù)，以shp 格式存儲(chǔ)。

京雄城際鐵路項(xiàng)目的工點(diǎn)三維模型有兩種數(shù)據(jù)格式，分別為構(gòu)建的參數(shù)化模型(max 格式)和BIM 模型(ifc 格式)，模型按照設(shè)計(jì)專業(yè)不同，主要分為地質(zhì)、路基、橋梁、隧道、地質(zhì)、站場(chǎng)、聲障(環(huán)保)、工經(jīng)、電力等。

2.5 數(shù)據(jù)命名規(guī)則

數(shù)據(jù)整理分類后，以文件的方式存儲(chǔ)在服務(wù)器中，并將其路徑與模型屬性連接。 為保證地信服務(wù)平臺(tái)的擴(kuò)展性及易讀性，在數(shù)據(jù)導(dǎo)入過程中，數(shù)據(jù)命名需要遵循的規(guī)則見表1。

表1 地理信息服務(wù)平臺(tái)數(shù)據(jù)命名規(guī)則

3 地信服務(wù)平臺(tái)中符號(hào)配置研究

在計(jì)算機(jī)環(huán)境下，鐵路三維信息模型系統(tǒng)通過三維技術(shù)對(duì)鐵路周邊現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景虛擬重建。 模型既可以表現(xiàn)出現(xiàn)狀條件，也可以根據(jù)鐵路設(shè)計(jì)圖紙，虛擬出未來鐵路建成后的效果。 鐵路三維信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了真實(shí)世界在空間和時(shí)間上的連續(xù)表達(dá)，可更直觀地展示出現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。

為了使觀看者在瀏覽鐵路三維信息模型系統(tǒng)時(shí)更容易獲取相關(guān)內(nèi)容，需要以直觀逼真的三維模型或符號(hào)代替圖紙中抽象的點(diǎn)、線、面要素，才能真正體現(xiàn)三維系統(tǒng)的意義。 三維符號(hào)化表達(dá)是在平面二維符號(hào)化表達(dá)基礎(chǔ)上，提出的一種利用三維符號(hào)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景快速表達(dá)的方法，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于直觀性、真實(shí)性、立體性[14]，隨著鐵路三維信息模型系統(tǒng)的快速發(fā)展，研究出一套標(biāo)準(zhǔn)化的、規(guī)范化的鐵路三維模型符號(hào)庫非常必要，基于三維符號(hào)庫，可以實(shí)現(xiàn)快速、交互地搭建統(tǒng)一的鐵路三維模型應(yīng)用系統(tǒng)。

3.1 鐵路三維地理信息模型的符號(hào)化表達(dá)形式與方法

在瀏覽鐵路三維地信系統(tǒng)時(shí)，不同縮放尺度下，視點(diǎn)與模型之間的可視距離會(huì)隨之改變，不同的模型在一定的距離內(nèi)才顯示出來，并且依據(jù)可視距離應(yīng)有不同的精度和表現(xiàn)形式，能夠表現(xiàn)不同的細(xì)節(jié)層次和粒度(LOD-Level of Detail)[15]，一般按照專業(yè)將LOD 設(shè)置為4 級(jí)，每級(jí)適用的專業(yè)見表2。

表2 各專業(yè)模型構(gòu)件幾何精度等級(jí)要求

以下分別論述在不同的視距下，鐵路要素在不同精度下表示方法。

(1)在可視距離為10 000～30 000 m 時(shí)，鐵路要素只需滿足1 級(jí)精度即可。 鐵路三維地信系統(tǒng)中，主要以線符號(hào)表示出鐵路方案的線路走向，以紅色線條表示推薦方案，其他顏色表示各種比較方案，表示方法見表3。

表3 1 級(jí)精度下鐵路線路方案表示方法

以京雄城際鐵路三維地理信息項(xiàng)目為例，在該精度下的表示方法如圖3 所示。

圖3 1 級(jí)精度下線路方案示意

(2)在可視距離2 000 ～10 000 m 時(shí)，鐵路三維地信系統(tǒng)中，可以展示2 級(jí)精度的鐵路要素，不僅可以展示出線路走向，還可以根據(jù)新建線路的工點(diǎn)劃分，將站場(chǎng)、路基、橋梁、隧道等設(shè)計(jì)單元表示出來，站場(chǎng)以三維點(diǎn)符號(hào)表示，路基、橋梁、隧道工點(diǎn)以不同的線符號(hào)區(qū)分，表示方法見表4。

表4 2 級(jí)精度下主要工點(diǎn)要素表示方法

根據(jù)所列圖示符號(hào)配置的京雄鐵路三維場(chǎng)景中的樣式如圖4 所示。

(3)在可視距離為500 ～2 000 m 時(shí)，需要表現(xiàn)出部件外觀等精細(xì)識(shí)別需求的幾何精度，在該精度下，通常以通用模型的形式表示出部件的大小與位置指標(biāo)，但并不一定與設(shè)計(jì)的一致，如圖5 所示。

(4)在可視距離小于500 m 時(shí)，需要表現(xiàn)出部件的設(shè)計(jì)成果，該精度下模型一般為高精度的BIM 模型，以滿足結(jié)構(gòu)施工、產(chǎn)品制造等高精度識(shí)別需求的幾何精度(一般不以三維符號(hào)表示)，如圖6 所示。

3.2 基礎(chǔ)地理信息要素表達(dá)

根據(jù)基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼標(biāo)準(zhǔn)，主要將二維矢量分居民地及設(shè)施、交通、水系、管線、境界與政區(qū)、植被與土質(zhì)6 個(gè)方面進(jìn)行三維表達(dá)。

(1)居民地及設(shè)施

居民地及設(shè)施數(shù)據(jù)來源地形圖，主要包括居民地、工礦及其設(shè)施、農(nóng)業(yè)及其設(shè)施、公共服務(wù)及其設(shè)施、其他建筑及其設(shè)施。 在三維中主要以矢量多邊形(建筑物)、矢量點(diǎn)(三維模型)、矢量點(diǎn)(圖片注記)方式表達(dá)。

(2)交通

交通主要包括鐵路、高速、國(guó)道、省道、其他道路以及道路構(gòu)造物及附屬設(shè)施。 在三維中主要以矢量多邊線(折線)、矢量點(diǎn)(文本注記)、矢量點(diǎn)(圖片注記)方式表達(dá)。

(3)水系

圖4 2 級(jí)精度下設(shè)計(jì)單元示意

圖5 服務(wù)平臺(tái)中的參數(shù)化模型

圖6 服務(wù)平臺(tái)中的BIM 模型

水系主要包括河流、湖泊、水庫以及其他水系要素。 在三維中以矢量點(diǎn)(文本注記)、矢量點(diǎn)(圖片注記)方式表達(dá)。

(4)管線

管線數(shù)據(jù)主要包括輸電線以及附屬設(shè)施、城市管線等。 在三維中以矢量點(diǎn)(三維模型)方式表達(dá)。

(5)境界與政區(qū)

境界與政區(qū)主要包括省界、市界、縣界以及相應(yīng)行政區(qū)域名稱注記。 根據(jù)視角高度不同分級(jí)別顯示。 當(dāng)視角高度大于3 000 km 時(shí)，顯示全國(guó)省級(jí)界線以及省級(jí)行政區(qū)名稱。 當(dāng)視角高度達(dá)700 km，開始顯示市界以及市級(jí)行政區(qū)名稱。 當(dāng)視角高度達(dá)到100 km，開始顯示縣界以及縣級(jí)行政區(qū)名稱。 視角高度達(dá)70 km，開始顯示鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)行政區(qū)名稱。 當(dāng)視角高度達(dá)10 km，開始顯示村級(jí)行政區(qū)名稱。

(6)植被與土質(zhì)

植被與土質(zhì)數(shù)據(jù)主要內(nèi)容見表5。

表5 常用植被表示方式

京雄地信服務(wù)平臺(tái)符號(hào)配置整體效果如圖7所示。

圖7 京雄地信服務(wù)平臺(tái)符號(hào)配置整體效果

4 結(jié)論

通過京雄地理信息服務(wù)平臺(tái)的示范應(yīng)用，規(guī)范多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理流程，形成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理流程和命名規(guī)則，建立京雄地理信息服務(wù)平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)體系框架，提供GIS 可視化、空間分析等功能服務(wù)，提供規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的接口，為成果交付、施工管理、運(yùn)維管理、資產(chǎn)管理打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為建設(shè)鐵路地理信息“一張圖”平臺(tái)提供借鑒。