高速列车运行环境的三维GIS方案研究

邹 丹，王英杰，封博卿

（中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所，北京 100081）

中国在高速铁路领域所取得的一系列成果，已经得到了世界各国的广泛关注和认可。我国高速铁路网运行环境复杂，对系统的安全性与可靠性提出了更高的要求。在这样的运营环境和要求背景下，高速列车技术的发展面临着多方面的重大挑战。使用三维可视化技术模拟高速列车的运行环境，可以为列车运行构建地理环境模型与真实景观重现，为高速列车提供更加具有真实感的数字运行环境，对于高速列车运行环境的研究具有一定的现实意义。

1 三维GIS研究现状简介

三维可视化技术是目前GIS领域研究的热点和难点，国内外的许多专家都在研究关于三维数据建模，三维可视化和在三维平台上的海量数据接入等问题。

1.1 城市三维仿真规划审批系统

海南省海口市利用多元数据的快速建模以及二、三维混合联动的技术建立了城市三维仿真规划审批系统，实现了全方位多精度的城市漫游浏览，包括乘客驾车漫游、步行漫游等，该系统利用虚拟现实技术来辅助进行西海岸、海口外滩等的规划方案落实工作。

1.2 数字烟台三维城市规划信息系统

山东省研制的“数字烟台三维城市规划信息系统”综合了航拍、外业测量、数字正射影响（DOM）图和数字高程模型（DEM）制作等测绘科技技术以及三维G IS技术的开发，集成了500 km2规划范围内的建筑、道路、景点、设施模型构建的城市三维景观，在计算机上重现了城市的真实面貌。该系统全面体现真实立体影像的决策分析，操作灵活方便，可以实现城市规划应用上的浏览现场、方案对比、方案修改、建筑体量分析、通视分析、与周围环境分析、建筑色彩仿真、道路规划浏览等功能，极大地提升了城市规划的科技水平。

1.3 日本“数字城市Kyoto”项目

日本历时3年完成了“数字城市Kyoto”项目，该项目集成了城市的属性信息、虚拟显示技术和实时漫游功能，以分层的模式真实重现一个立体的城市。它将二维地理信息与三维可视化景观结合起来，采用直接交互实现的互操作方式，鼓励市民参与系统的互动。

1.4 Google Earth网络三维GIS

Goog le Earth这一网络三维GIS服务，使得人们可以在网络上探索到地球的任何一个地方，从海洋到森林，每一个古老的人类文明都以三维可视化的方式展现到人们眼前。Goog le Earth还提供免费的三维建模工具，用户可以使用工具制作三维景观添加到Google Earth上。

2 高速列车运行环境的三维GIS需求分析

2.1 三维GIS的定义和特点

三维GIS指的是能对地理区域内的空间对象进行3D描述和分析的地理信息系统。可以用一个表达式 )来表示，其中，x，y是通常意义上二维GIS中表示平面位置上的坐标，z表示空间高度上的变量。在同一个系统中，x，y，z的连续变化使得地表的构造和地形的走向都一目了然，从整体上给人以强烈的视觉感染。

2.2 三维GIS的功能

2.2.1 三维数据管理

采集有效的三维数据并对其进行坐标转换、重构、数据变换组合与编码。对存在于数据库中的三维数据进行查询分析、修改、删除等操作。

2.2.2 三维对象管理

将三维数据库中的数据进行建模分析，可视化编辑及视觉变换，对数据进行备份与维护。

2.2.3 三维空间分析

计算三维物体的表面积、体积、距离与方向；对物体进行逻辑运算。

2.3 列车运行环境对三维GIS的需求

2.3.1 地理环境构建

系统采集列车运行线路及道路两边3 km范围内的遥感影像数据与数字高程数据，将各种数据整合后进行三维建模。

2.3.2 列车监控

系统在每台高速列车上配备全球定位系统（GPS），实时为列车进行定位，并将列车位置信息返回给系统，显示在构建的三维铁路线路上。这样的系统展示便于用户实时了解目前列车运行的位置信息以及途径线路的地理环境信息。

2.3.3 线路监控

将轨检系统的信息接入系统中，可以在三维平台上实时展示轨道的状态，并提前模拟该轨道发生变化时，列车驶过的情况。利用先进的模拟运行算法，提前预知可能发生的事故，防患于未然。

2.3.4 设备设施监控

三维G IS可以构建车站和铁路沿线各设备的模型，将各种模型进行入库管理，并在三维平台上展示出来。

2.3 .5 模拟事件

高速列车运行环境的三维GIS研究，提供给用户一个模拟演练各种突发事件的平台。用户在该系统上通过修改各种诸如天气的参数、轨道倾斜度、铁路日载旅客量等信息，模拟各种突发情况对列车运行造成的影像，并在模拟演练时，及时制定应对各种突发事件的响应对策。

2.4 系统研制的需求

2.4.1 数据需求

合成三维地理信息模型需要的数据，包括遥感影像或航拍照片， DEM数据和矢量地理数据。

2.4.2 软件需求

开发可视化的列车运行环境三维GIS需要在一个成熟的三维GIS平台上处理整合数据与定制自身的业务。目前，主流的三维平台有：（1）Goog le Earth，提供全球的卫星影像数据和航拍照片。（2）Sky lineG lobe三维业务平台，用户可定制用于整合自身业务的三维G IS系统。（3）GeoGloble，管理海量数据的可视化三维GIS软件，提供全球化的三维可视系统。

3 高速列车运行环境的三维GIS建设方案

高速列车运行环境的三维G IS研究建立在分析铁路实际需求和国内外技术现状的基础上。目前列车运行环境的需求主要集中在将多源异构铁路沿线数据接入高速铁路运行环境的三维可视化平台中综合展示，为高速列车运行提供真实的数字化运行平台。

3.1 数据采集

数据采集是构建三维模型的基础，通过高速列车运行线路的遥感影像数据，航拍照片和DEM数据的相互叠加构成三维GIS的海量数据库。

3.1.1 遥感影像的数据采集

以高速列车线路数据为主要采集目标，包括线路数据、沿线车站及站前广场并覆盖多个主要动车运用所及联络线。数据采用QuickBird或W orldV iew卫星数据，并确保影像获取的时间为植被、地物色彩信息丰富的季节且遥感影像数据的含云量在10%以内。

3.1.2 DEM数据采集

采集反映三维地形信息的数字高程模型和数字正射影像数据。

3.1.3 二维矢量地理数据的采集

数据内容包括河流、湖泊、池塘、植被、省级行政区划、县级行政区划、乡镇行政区划、省会城市、县市城市、乡镇村居民地、主要公路、乡镇小路等基础地理信息数据。数据属性及标注内容。

3.2 数据处理与融合

3.2.1 数据处理

构建一个公共的投影坐标系，将三维GIS数据库中不同类型的数据集投影到统一的坐标系中，对数据进行剪裁与修正，并进行分层管理。对采集的遥感影像数据采用统一的坐标系和经纬度投影进行处理，限制影像的接边误差，对影像的纹理贴图进行色调和清晰度的处理。提高全色数据的亮度，增强局部反差，突出纹理细节并尽可能降低噪声；对多光谱数据进行色彩增强，拉大不同地类间的色彩反差，突出其多光谱彩色信息。

完成DEM数据的坐标转换和投影变换，并对高程数据的地理基础、精度、网格尺寸等信息做详细记录。相邻重复数字高程模型拼接后不出现裂痕，重叠高程值保持一致。

3.2.2 数据融合

数据融合的原则是：能清晰表现纹理信息，突出主要地类；影像光谱特征还原真实、准确、无光谱异常；融合影像色调均匀、反差适中、色彩逼真。

影像融合的基本要求是以整景为单元，根据影像波段的光谱范围、地物和地形特征等因素，选择能清晰表现地物利用类型特征和边界、色彩接近自然真彩色的融合算法；融合影像无重影、模糊等现象。

影像数据融合的技术步骤是：融合前处理；融合单元；融合方法；融合后处理，效果检查。

3.3 平台实现

图1为高速列车运行环境的三维GIS系统体系结构。

3.3.1 网络层

网络层主要搭建平台运行的网络环境，为系统硬件提供传输途径，通过通信协议并设置防火墙实现内外网的安全传输。铁路上的应用系统为保证运行的安全通常需要隔绝内外网的连接，但要实现实时数据的传输需要在网络层搭建特殊的防护墙或使用专用的通信信道连接。

3.3.2 系统硬件层

系统硬件层主要是系统运行的硬件设备环境。包括主机、存储器、交换机、工作站和一些辅助设备。各设备间通过网络层连接并实现数据间的互联互通。

3.3.3 数据资源层

数据资源层存储各种平台展示需要的数据，包括二维地理数据、遥感影像数据、DEM高程数据、三维模型数据、系统信息和文件数据。数据资源层存储各种类型的数据，完成海量多元数据的存储。

3.3.4 数据处理层

数据处理层是一个数据处理的综合平台。主要搭建处理三维数据的数据引擎，并将存储的各种数据进行无缝连接与融合。

3.3.5 数据访问层建设

数据访问层包括构建三维模型所需的各种类型数据和基础地理数据。数据层采用数据仓库存储和管理各类三维数据、空间数据与地理基础数据，完成数据的可视化分析与管理，为海量多源数据提供索引机制和管理支持。

3.3.6 服务层建设

服务层包括搭载三维GIS的平台软件、软件开发平台三维模型等。所需的其他软件开发在软件开发平台上进行。

3.3.7 三维建模层建设

在三维GIS平台的支持下，基于三维建模技术，为列车运行环境提供三维模型的构建方法。

3.3.8 应用层建设

将所有数据进行整合后，将构建的三维GIS模型作为成果输出，并在此三维模型系统上对列车运行的各种状态进行分析与管理。

4 结束语

三维GIS与以往的二维GIS相比，在表现空间地貌地形和铁路信息上更加形象直观，使用户对于整个高速列车的运行环境有立体的认知。将GPS设备搭载到列车上，对列车进行实时监控并将列车位置反应到三维平台上。通过对高速列车运行环境三维GIS的研究，用户可以更好地了解整条线路上列车运行的状况。通过系统模拟各种气候环境对列车运行的影像，模拟突发事件发生时，列车运行可能出现的问题和存在的隐患。该系统可以将各种设备和设施构建到铁路运行环境的三维模型上，对设施设备进行集中监控。高速列车三维平台的研究对于列车监控、线路监控、设备监控和防灾防突发事件有着重要的意义。

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