張 浩

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

鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)中,需對(duì)沿線地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況等進(jìn)行調(diào)查,并在此基礎(chǔ)上,開展詳細(xì)設(shè)計(jì)[1]。隨著測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展,高清航飛影像、數(shù)字線劃圖、點(diǎn)云等地理信息數(shù)據(jù)在專業(yè)調(diào)查工作中發(fā)揮重要的作用[2]。然而,這些數(shù)據(jù)大多比較分散,沒有得到有效整合及充分利用,且存在大量重復(fù)和冗余,極大地影響勘測(cè)設(shè)計(jì)的進(jìn)度和效率[3]。

“互聯(lián)網(wǎng)+”的興起和5G的進(jìn)步,為各行各業(yè)提供無處不在的大眾化、普及化、實(shí)時(shí)化和智能化服務(wù)的有利條件,測(cè)繪學(xué)也向著地理空間信息智能服務(wù)科學(xué)發(fā)展[4]。李海蓉利用奧維地圖將免費(fèi)影像地圖和實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航應(yīng)用于鐵路環(huán)水保調(diào)查工作[5];郭靖等基于集成“3S”技術(shù),將無人機(jī)和奧維地圖應(yīng)用于艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路調(diào)查工作中[6]。但是,由于奧維地圖采用的是公共地圖,時(shí)效性差且精度不高,無法滿足重點(diǎn)區(qū)域調(diào)查工作的要求。

為解決當(dāng)前調(diào)查工作中的信息化水平低下、各設(shè)計(jì)專業(yè)各自為戰(zhàn)等問題[7],研發(fā)一種鐵路勘測(cè)多專業(yè)綜合調(diào)查系統(tǒng),融合多源地理信息數(shù)據(jù)及勘測(cè)設(shè)計(jì)資料,并將其發(fā)布成WebGIS服務(wù)[8-9],以期改變當(dāng)前調(diào)查工作紙質(zhì)化的現(xiàn)狀,提高鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)的智能化水平。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

采用B/S模式(瀏覽器/服務(wù)器模式)進(jìn)行開發(fā),將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)服務(wù)與云計(jì)算模塊統(tǒng)一置于服務(wù)器端[10],用戶通過瀏覽器或移動(dòng)終端與服務(wù)器進(jìn)行加密通信,相關(guān)指令。經(jīng)服務(wù)器解析后完成相關(guān)的計(jì)算和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備,再次通過高速互聯(lián)網(wǎng)將計(jì)算結(jié)果和數(shù)據(jù)服務(wù)返回給客戶端,最后客戶端完成數(shù)據(jù)的解析后進(jìn)行渲染展示。多專業(yè)綜合調(diào)查系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)層

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為PostgreSQL數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)[11]。PostgreSQL是一個(gè)開源的對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),同時(shí)支持GIS數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)擴(kuò)展。 采用數(shù)據(jù)服務(wù)的形式可以解放用戶的存儲(chǔ)空間,便于管理維護(hù)和共享。系統(tǒng)采用開源GIS服務(wù)器GeoServer[12]和國(guó)產(chǎn)GIS服務(wù)器SuperMap iServer[13]進(jìn)行地理信息數(shù)據(jù)及專業(yè)設(shè)計(jì)資料的服務(wù)發(fā)布。

1.2 業(yè)務(wù)層

在業(yè)務(wù)層(應(yīng)用層),系統(tǒng)采用前后端分離的方式進(jìn)行協(xié)同開發(fā),后端選擇C#和Python兩種編程語言,實(shí)現(xiàn)調(diào)查要素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)庫的“增刪改查”操作以及相關(guān)空間分析算法。

1.3 展示層

客戶端采用開源WebGIS框架Openlayers對(duì)地理信息數(shù)據(jù)[14]、鐵路專題數(shù)據(jù)及調(diào)查專題要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行疊加和展示,按照數(shù)據(jù)分類和數(shù)據(jù)范圍動(dòng)態(tài)渲染,采用開源圖表可視化框架Echarts進(jìn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的展示。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)主要包括網(wǎng)絡(luò)地圖(天地圖)、0.2m分辨率高清航飛影像、1∶2000比例數(shù)字線劃圖等多源地理信息數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)線位等勘察設(shè)計(jì)資料數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源與服務(wù)發(fā)布形式見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)來源與服務(wù)發(fā)布

2.2 數(shù)據(jù)處理

鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)中,需在1∶2000比例數(shù)字線劃圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行初步選線,并對(duì)其周邊的現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查。當(dāng)前,多基于將數(shù)字線劃圖和設(shè)計(jì)線位疊加后的成果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,電子化程度不高。為提高當(dāng)前調(diào)查工作的智能化水平,將數(shù)字線劃圖中的調(diào)查對(duì)象進(jìn)行實(shí)體化,并將實(shí)體化后的調(diào)查對(duì)象、數(shù)字線劃圖、高清航飛影像以及設(shè)計(jì)線位等資料發(fā)布成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

(1) 調(diào)查對(duì)象實(shí)體化

為實(shí)現(xiàn)調(diào)查過程智能化,首先把CAD格式的1∶2000數(shù)字線劃圖轉(zhuǎn)換成shapefile格式[15],根據(jù)圖層與類別將線劃圖中的對(duì)象轉(zhuǎn)換成空間地理要素點(diǎn)、線、面,圖層與類別對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖3。轉(zhuǎn)換后每個(gè)對(duì)象作為獨(dú)立的地理實(shí)體,存儲(chǔ)空間位置和其他屬性信息。

圖3 調(diào)查對(duì)象實(shí)體化

(2)數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布

為方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的過程中遠(yuǎn)程瀏覽高清航飛影像、1∶2000比例數(shù)字線劃圖等設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料,需將這些數(shù)據(jù)發(fā)布成服務(wù)。高清航飛影像通過GeoServer發(fā)布成Tiled Map Service(TMS,瓦片地圖服務(wù));數(shù)字線劃圖及設(shè)計(jì)線位等CAD格式的數(shù)據(jù)通過超圖iServer發(fā)布成UGCV5(MVT) 矢量瓦片服務(wù);轉(zhuǎn)換后的調(diào)查要素通過GeoServer發(fā)布成Web Feature Service(WFS,網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù))。

圖4 數(shù)據(jù)服務(wù)

前端調(diào)用上述發(fā)布的服務(wù)進(jìn)行渲染,實(shí)現(xiàn)線路、橋梁、隧道、路基、站場(chǎng)等5個(gè)專業(yè)27類調(diào)查對(duì)象在網(wǎng)絡(luò)地圖上的圖屬一體化表達(dá),將調(diào)查對(duì)象屬性信息和空間信息智能掛接,并疊加高清影像服務(wù)和設(shè)計(jì)資料服務(wù),可構(gòu)建鐵路勘測(cè)調(diào)查“一張圖”(見圖5)。底圖為高清航飛影像服務(wù),紅色部分為設(shè)計(jì)線位,紫色填充表示數(shù)字線劃圖中的房屋要素,藍(lán)色半透明為實(shí)體化的調(diào)查對(duì)象,點(diǎn)擊可以查詢其屬性信息,右側(cè)展開菜單表示調(diào)查實(shí)體種類。

圖5 鐵路勘測(cè)調(diào)查“一張圖”

3 功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 調(diào)查數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及實(shí)體化

鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)階段,調(diào)查基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來源于1∶2000比例數(shù)字線劃圖,這些數(shù)據(jù)原始坐標(biāo)系一般為工程獨(dú)立坐標(biāo)系,且存儲(chǔ)于dwg、dxf等CAD格式的文件中,不便于實(shí)時(shí)分享和管理。因此,首先對(duì)CAD格式的調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換至網(wǎng)絡(luò)地圖常用的球體墨卡托投影坐標(biāo)系(EPSG:3857),然后將原始調(diào)查資料中的調(diào)查要素按照?qǐng)D層與類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行實(shí)體化,并存儲(chǔ)于地理數(shù)據(jù)庫中,以便數(shù)據(jù)共享和管理。

3.2 實(shí)時(shí)共享與協(xié)同調(diào)查功能

通過將調(diào)查實(shí)體發(fā)布成WFS服務(wù)的方式,可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)編輯共享和協(xié)同調(diào)查作業(yè),充分發(fā)揮GIS的優(yōu)勢(shì)。另外,為每個(gè)調(diào)查實(shí)體添加“上傳時(shí)間”、“更新時(shí)間”和“記錄員”3個(gè)屬性字段,通過制定相應(yīng)規(guī)則來避免調(diào)查過程中出現(xiàn)的沖突操作,對(duì)調(diào)查實(shí)體進(jìn)行區(qū)別渲染,在協(xié)同調(diào)查的過程中又互不影響,進(jìn)而提高調(diào)查工作的效率。

3.3 離線調(diào)查模式

針對(duì)野外網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不良的情況,該系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)離線調(diào)查模式,主要包括地圖離線緩存和調(diào)查實(shí)體的離線操作。

調(diào)查人員可以框選調(diào)查范圍,通過網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求對(duì)范圍內(nèi)的地圖進(jìn)行離線緩存,在野外網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不良時(shí)加載本地緩存的地圖,以便調(diào)查人員查看對(duì)照。同時(shí),使用SQLite數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)調(diào)查實(shí)體的本地存儲(chǔ),在網(wǎng)絡(luò)不佳的情況下對(duì)本地調(diào)查實(shí)體數(shù)據(jù)庫進(jìn)行增刪改查操作,待網(wǎng)絡(luò)信號(hào)恢復(fù)正常時(shí)與云端數(shù)據(jù)庫進(jìn)行同步。

3.4 空間分析與計(jì)算功能

GIS具有強(qiáng)大的空間分析和計(jì)算能力,可充分應(yīng)用于鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)中。該系統(tǒng)集成緩沖區(qū)分析、疊置分析以及空間統(tǒng)計(jì)計(jì)算等功能,可通過導(dǎo)入設(shè)計(jì)線位進(jìn)行緩沖區(qū)分析和疊置分析,同時(shí)自動(dòng)計(jì)算調(diào)查實(shí)體距離設(shè)計(jì)線位的距離、方位以及所處的線路里程等。

3.5 地圖基礎(chǔ)功能

該系統(tǒng)還具有地圖縮放,長(zhǎng)度、角度、面積量測(cè),圖層控制和導(dǎo)航等基本功能,同時(shí)還支持kml格式文件解析加載。

4 應(yīng)用案例

某鐵路項(xiàng)目全長(zhǎng)約122km,線路經(jīng)過沖洪積平原、剝蝕丘陵、低山區(qū)等地形地貌,相對(duì)高差達(dá)800m,其間部分段落河谷深切,地形變化大,植被發(fā)育,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查較為困難。在項(xiàng)目定測(cè)階段,挑選具有代表性的路段(長(zhǎng)30km,寬300m),采用鐵路勘測(cè)多專業(yè)綜合調(diào)查系統(tǒng)開展調(diào)查工作,組織調(diào)查人員5人;另在相同長(zhǎng)度的路段配置調(diào)查人員10人,采用傳統(tǒng)調(diào)查方法進(jìn)行對(duì)比。

4.1 調(diào)查實(shí)體屬性外業(yè)采集

調(diào)查實(shí)體屬性外業(yè)采集是整個(gè)調(diào)查工作的基礎(chǔ),為后續(xù)調(diào)查成果報(bào)表智能輸出提供數(shù)據(jù)。調(diào)查人員通過系統(tǒng)移動(dòng)端對(duì)調(diào)查對(duì)象的屬性和資料進(jìn)行外業(yè)實(shí)地采集。

外業(yè)調(diào)查對(duì)象主要包括線路、橋梁、站場(chǎng)、路基、隧道等5個(gè)專業(yè),房屋、圍墻、墳?zāi)?、電力線、通訊線、道路、河流、水庫等29種地物,通過對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及實(shí)體化轉(zhuǎn)換之后,針對(duì)每種調(diào)查實(shí)體所需調(diào)查的信息設(shè)計(jì)相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)表。調(diào)查人員在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查后,將屬性信息和現(xiàn)場(chǎng)照片填報(bào)在對(duì)應(yīng)的調(diào)查實(shí)體中,即完成調(diào)查實(shí)體的屬性采集和電子歸檔工作,實(shí)現(xiàn)外業(yè)調(diào)查過程“無紙化”。

對(duì)某房屋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,通過實(shí)際觀察和現(xiàn)場(chǎng)咨詢,填寫該房屋的間數(shù)、面積、新舊程度等屬性信息,并上傳現(xiàn)場(chǎng)房屋照片見圖6,即可完成該房屋的調(diào)查工作。

圖6 房屋現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

4.2 內(nèi)外業(yè)調(diào)查一體化

調(diào)查人員在現(xiàn)場(chǎng)完成調(diào)查實(shí)體屬性信息采集后,可以實(shí)時(shí)共享到別的移動(dòng)設(shè)備和桌面端(見圖7)。內(nèi)業(yè)人員可以實(shí)時(shí)查看外業(yè)調(diào)查工作進(jìn)度,綜合研判之后,將指導(dǎo)意見及時(shí)反饋給現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查人員以避免疏漏;同時(shí),提高內(nèi)外業(yè)調(diào)查協(xié)作水平和工作效率,實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)調(diào)查一體化。

圖7 內(nèi)外業(yè)調(diào)查一體化

4.3 調(diào)查成果智能輸出

對(duì)調(diào)查實(shí)體進(jìn)行屬性采集之后,利用系統(tǒng)的空間分析和計(jì)算功能,可以對(duì)調(diào)查成果進(jìn)行智能化輸出,免去以往人工整理計(jì)算的繁瑣操作。每個(gè)調(diào)查實(shí)體都有空間位置和調(diào)查屬性信息,在設(shè)計(jì)線位的基礎(chǔ)上,通過空間分析,可計(jì)算出調(diào)查實(shí)體所處的里程信息以及距離設(shè)計(jì)線位的距離和方位,并將此信息保存到對(duì)應(yīng)的調(diào)查實(shí)體中。

如圖8所示,篩選線路里程CK0至CK1200之間的房屋,在系統(tǒng)中導(dǎo)出線路專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化報(bào)表“拆遷建筑物表(一)”,表中“里程”和“距中線”均為系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算得出。另外,還可以根據(jù)線路里程范圍篩選滿足條件的房屋、圍墻、窯洞和墳?zāi)?并將其導(dǎo)出為dxf格式的拆遷圖層,調(diào)查實(shí)體的部分屬性如房屋層數(shù)會(huì)在拆遷圖層中顯示。

圖8 CK0-CK1200拆遷建筑物信息

此外,可以按照站場(chǎng)、路基、隧道和橋梁專業(yè)報(bào)表的格式,通過系統(tǒng)將電子調(diào)查成果智能輸出為各專業(yè)所需的報(bào)表,如“車站房屋調(diào)查表”“路基用地分類表”“橋梁外業(yè)調(diào)查結(jié)果表”等。同時(shí),各設(shè)計(jì)專業(yè)還可以根據(jù)調(diào)查實(shí)體類型和調(diào)查日期進(jìn)行篩選,導(dǎo)出kml格式的調(diào)查實(shí)體及其對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)圖片,供測(cè)繪專業(yè)人員補(bǔ)測(cè)地形圖時(shí)使用,節(jié)省傳統(tǒng)調(diào)查過程中上下序分發(fā)任務(wù)單的時(shí)間。

4.4 對(duì)比分析

通過對(duì)比測(cè)試,采用本系統(tǒng)可智能輸出標(biāo)準(zhǔn)化成果報(bào)表16種,在調(diào)查人員減少5人的情況下提前7d完成工作。與現(xiàn)階段常規(guī)調(diào)查方法相比,本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)協(xié)同調(diào)查,同時(shí)實(shí)現(xiàn)整個(gè)調(diào)查過程“無紙化”。采用“內(nèi)業(yè)解譯-外業(yè)調(diào)查-成果智能輸出歸檔”的新型調(diào)查模式與傳統(tǒng)調(diào)查模式的對(duì)比情況見表1。

表1 本系統(tǒng)調(diào)查方法與傳統(tǒng)方法對(duì)比

5 結(jié)語

鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)調(diào)查工作存在信息化水平低、調(diào)查數(shù)據(jù)管理不善、存在信息孤島等現(xiàn)象。為改善上述問題,研發(fā)一種鐵路勘測(cè)多專業(yè)綜合調(diào)查系統(tǒng),可充分發(fā)揮GIS在空間數(shù)據(jù)管理與協(xié)作上的優(yōu)勢(shì),通過對(duì)調(diào)查所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)體化轉(zhuǎn)化和服務(wù)發(fā)布,構(gòu)建鐵路勘測(cè)調(diào)查“一張圖”,改進(jìn)傳統(tǒng)調(diào)查工作流程,實(shí)現(xiàn)“內(nèi)業(yè)解譯-外業(yè)調(diào)查-成果智能輸出歸檔”的新型調(diào)查模式。實(shí)踐表明,采用本系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)查可以節(jié)省調(diào)查工作時(shí)間,有效改進(jìn)傳統(tǒng)調(diào)查方法中重復(fù)調(diào)查的弊端,提高信息化水平和工作效率。