三维GIS技术在铁路全生命周期中的应用探讨

2014-01-18闵世平赵亮亮

铁路技术创新 2014年5期

■ 闵世平赵亮亮

■ 闵世平赵亮亮

以实际案例分析和探讨三维GIS技术如何在铁路勘察设计、施工建设和安全运营各阶段实现广泛深入应用，发挥其基础性和支撑性作用，并为铁路信息化建设的进一步提高提供一些可供参考的技术思路和实用工具；提出一套面向铁路行业的三维GIS技术应用路线，研发一系列面向铁路行业的实用三维GIS软件工具，并通过实际应用验证了技术路线和软件工具的可行性。

三维GIS；铁路行业；全生命周期；铁路信息化

1 基于三维GIS技术的铁路行业总体解决方案

铁路行业全生命周期是指铁路勘察设计、建设施工和安全运营3个阶段。三维GIS技术在各阶段的应用侧重不同，但相互之间在技术和数据层面的关联性非常紧密，因此，从铁路行业信息化建设和发展的角度看，在统筹兼顾的基础上，综合规划和科学制定各阶段信息化建设数据标准和技术发展要求，有利于提高效率、节省投资。以三维基础地理信息和三维GIS技术为数据和软件支撑环境，为铁路行业各阶段的科学决策提供位置、数据集成、空间分析3大技术支撑和服务。在勘察设计阶段，为规划选线、辅助设计、成果展示等业务提供集成三维地理环境和碰撞检测等空间分析应用；在施工建设阶段，基于前一阶段的三维地理环境，为数字化施工、工程形象进度、施工安全监测提供高精度三维地理数据基础；在运营阶段，基于竣工测量更新后的三维地理环境，为铁路日常养护、安全监测和应急抢险提供数据管理和分析应用（见图1）。

2 勘察设计阶段

勘察设计阶段三维GIS的应用，需重点解决三方面问题：三维地理环境快速搭建、基于三维GIS技术的数据集成共享和辅助设计平台开发。

2.1 三维地理环境快速搭建

三维地理环境快速搭建包括基础地理数据的快速采集和带状三维场景的无缝集成，与传统数字城市面状三维场景构建不同。铁路工程呈带状分布，三维场景的构建需解决分带投影和无缝拼接问题，这是铁路行业开展三维GIS技术应用的前提和基础。

根据范围大小和精度需求，基础地理数据的快速采集可采用不同手段，例如：中小比例尺数据可购置卫星影像；大范围大比例尺可采用有人驾驶航测方法；小范围大比例尺可采用无人机采集等技术。带状三维地理环境的制作包括地形三维和地面建筑物的制作和集成，其技术流程见图2。

其中沿铁路中线带状三维模型自动匹配，三维模型与三维地形准确匹配技术和工具已开发完成并得到实际应用，中（国）老（挝）铁路精细三维场景部分截图见图3。

图1 铁路行业三维GIS技术应用流程

图2 铁路带状三维环境快速搭建技术流程

由此提出铁路中线分段投影及三维模型自动匹配的解决思路：通过铁路中线横、纵断面二维设计成果，基于严密算法，快速生成铁路三维矢量中线，通过分类处理（如路基、隧道等）和等间距分段处理后，提取每段中线的空间定位属性和类别属性信息，并与铁路三维模型部件自动匹配，实现呈带状分布铁路三维模型沿铁路中线快速集成。

2.2 基于三维GIS技术的数据集成共享

目前，铁路勘察设计各专业大多独立开展设计工作，这种设计模式无法确保专业之间的协调性和一致性。因此，“协同设计”理念应运而生，业内人士试图寻求一种多专业“协同设计、过程互检”的设计模式和技术手段，但效果不甚理想。

三维GIS技术强大的数据管理、数据集成、共享服务和空间分析功能为协同设计的进一步完善提供有效支撑：基于高精度铁路带状三维电子沙盘，集成地质、环评、经济等各种基础数据，为设计人员提供一个共享集成的真实三维环境，各专业动态设计成果能够动态集成到三维场景中，达到实时动态互检的目的。

根据以上，研发了一款面向二维、三维结合，能为各专业提供在线集成的三维地理环境服务软件平台。

2.3 辅助设计功能开发

基于铁路三维地理环境，利用三维GIS的空间分析功能，为铁路各专业设计工作提供有效辅助设计服务。

2.3.1 规划选线

铁路定线主要包括地质选线和经济可行性选线，涉及地形地貌、地质、环境、交通、经济发展、运量需求等众多因素，这些因素几乎都与地理位置相关，均可“图形化、位置化”，并集成到三维环境中，提高了这些因素的数据丰富性和视角多样性，为设计人员提供一个更加全面的

虚拟选线环境，减少实地踏勘工作量，提高设计人员查找、整合、对比资料的工作效率。同时，利用三维GIS空间分析功能能提供一些适用的辅助选线工具（见图4），例如：根据地形地貌、地质、环境等因素快速生成推荐方案，基于谷歌地球开发的三维规划选线系统已得到广泛深入应用，考虑数据安全性，有必要将其移植到自主三维GIS平台上。

图3 中（国）老（挝）铁路三维场景

图4 铁路规划辅助选线

图5 三维断面采集

图6 三维地质体重构及展示

2.3.2 三维断面采集

在铁路勘测设计工作中，断面图主要用于路基、桥梁、隧道及站场的断面设计、土石方数量计算、路基施工放样等，其精度直接影响工程数量计算的准确性。目前采用的全野外实测和航测内业立体采集断面法主要特点和存在的不足是：劳动强度大，工作效率低，断面成果离散，实际应用中会出现断面密度不足的情况，需要加密和补测。

利用高精度三维场景和三维GIS技术，为设计人员提供一种“按需采集”的室内断面测量手段，改变和弥补传统采集模式的不足，使得设计人员更专注于本专业的设计工作，最大限度减少对断面数据获取处理的工作量。

软件主要功能包括：按指定里程和方向自动断面采集（见图5），地物属性交互采集，任意位置、任意角度实时断面采集，断面与地形匹配检查等功能（地面植被茂密，需进行外业实测）。

2.3.3 三维地质体重构与应用

地质勘探数据在铁路站前各专业设计工作中，发挥着重要作用，是工程结构设计和造价预算重要的基础，传统的地质勘探数据主要以二维地质填图数据提供给设计人员，难以满足铁路BIM三维应用对“数据无缝、直观高效”的需求。利用三维GIS技术，根据地质钻孔、地质填图、地质调绘等基础数据，实现基于三维环境的三维地质体构建（地质体精度由以上各数据精度决定）、管理和分析展示等，为铁路BIM三维应用提供地下三维环境（见图6）。

基于三维GIS技术研究开发的三维地质体构建与管理应用软件，其主要功能包括：三维地理环境地上下一体化数据管理，三维地质体构建和剥离展示，第三方三维地质体数据输入和管理，地质填图数据任意位置生成，地质体剖切、地质体开挖等，可为铁路BIM三维应用提供数据查询、成果展示、碰撞分析、工程量预算等实用辅助工具。

2.3.4 征地拆迁

铁路建设项目点多、线路长，征地拆迁工作量大、涉及面广，切实做好征地拆迁工作，是推进铁路项目顺利实施的重要保障。在铁路勘察设计阶段，就应充分考虑这一

因素，因此，每一次线路方案的调整，都需要快速计算出铁路沿线征地指标。传统的计算方法是在CAD等二维环境中采用人机交互方式逐段叠加计算，计算工作量巨大，工作效率不高，正确性难以保证。采用三维GIS技术，可基本实现计算结果实时、动态、直观的要求，其过程为：收集和整理铁路沿线基础测绘、城市规划、国土地籍等各类专题数据；按耕地、林地、宅基地等类别进行数据分类，将分类数据转换成GIS数据，利用三维GIS空间分析和展示功能，计算机实时动态计算各类方案征地拆迁指标，并以色块或指定方式展示结果（见图7）。

2.3.5 三维环评

环境影响评价是铁路线路方案选择最重要的因素之一，传统二维环评资料直观性不够，经常出现环评结果认识的不一致和歧义。三维GIS技术将有效弥补这方面的不足，提高环评结果的辨识度和一致性。通过成兰铁路环评工作三维GIS技术的实际开发应用，验证了三维环评的可行性和可推广性。

在构建好的铁路三维电子沙盘环境中，将环评专题数据按准确地理位置（包括图形和属性），根据要求分类分层集成到三维环境中，在真实三维环境中判识铁路线路与环评数据的空间关系（包括隧道等地下工程）。这种空间关系是全方位的，包括平面位置、高程位置、宏观和微观、地上和地下，利用系统提供的空间面积和距离量测、裁切地形和数据指标查询等工具，快速统计和分析所需的各种环评指标，为科学高效的环评提供有效技术支撑。

3 建设施工阶段

建设施工阶段三维GIS的应用，主要基于勘察设计阶段搭建和移交，溶合精细三维地形和铁路三维设计成果的三维电子沙盘，以及相关三维GIS软件平台开展应用，在数字化施工、形象进度管理和安全监测等方面提供技术服务和支撑。

图7 基于三维GIS技术的征地拆迁

3.1 数字化施工

数字化施工是提升工地管理水平，优化施工方案，提高施工效率的最佳选择，同时也是提高施工进程透明度、实现施工过程有效监督的重要工具。基本技术应用体系见图8。

三维地理信息及三维GIS技术是数字化施工机械做出运行、填挖、压实等正确动作的重要前提，从图8可以看出地理信息在整个数字化施工技术流程中所处的支撑位置，是数字化施工中可视化施工、仿真模拟等应用的支撑平台。以数字化施工土石方压实自动检测为例，三维GIS技术使简单枯燥的压实过程和压实数据变成一种可量化和可视化过程，辅助管理人员实时监测、查询和指导压实过程和压实结果，提高其数字化压实工程的效率和质量（见图9）。

图8 三维GIS对数字化施工支撑

图9 数字化动态压实模拟

3.2 形象进度

形象进度管理是铁路建设施工过程中的重要管理工作，传统管理模式是利用图表、文字和数据，配以二维地形图实现的。三维GIS技术的引入，将使这一工作效率和质量得到有效提升。从定性的角度，三维GIS技术根据周

期性的工作量统计单，自动或交互式生成真实的三维实体，并在三维环境中直观展示工程的进展情况；从定量的角度，可以将铁路建设各子项工程动态统计数据与三维场景中的实体进行关联，将所有量化数据或资料，围绕真实三维对象集中关联和管理起来，实现“所见即所得”的资料管理模式。

3.3 安全监测

安全监测也是铁路建设施工的重要管理工作之一，为了规避和降低铁路工程安全事故的发生，针对铁路工程，特别是隧道工程的违章作业、安全隐患等安全事故，将视频监控，沉降、位移、倾斜、水位监测等技术和设备大量应用于安全监测工作，效果良好。引入三维GIS技术，主要是对这些监测设备和系统进行综合集成，提高其可视性和协同性。将所有监测设备，包括视频监控等各类监测传感设备，在真实三维场景中准确的坐标位置进行标注、展示和管理，各相关软件系统平台也围绕三维场景进行集成管理，在系统和数据层面进行相对共享，使用过程中所有监测数据可以围绕相关监测实体进行可视化管理、查询、统计、分析及预警预报等相关应用。三维GIS技术的应用，使得管理者对施工现场的宏观和微观两个层面都有直接的感性认识，全面提升各监测设备和系统的效率和效果，当发生安全隐患和事故时，能够快速直观定位到事发地，有助于应急抢险的科学快速决策。

4 安全运营阶段

随着我国铁路运营里程和速度不断提高，铁路安全运营成为国家、各级政府和广大群众最为关注的事件之一。铁路局传统的管理手段难以应对运营里程、运量需求和安全级别的不断增加，亟需寻求更加有效的管理手段。

围绕铁路运营阶段的日常养护、安全监测和应急抢险3大业务需求，三维GIS技术将在数据集成共享、位置服务、空间综合分析等方面为铁路安全运营提供有效技术支撑。经过勘察设计和建设施工后搭建的铁路三维电子沙盘和三维软件平台，集成了所有铁路设计成果和竣工验收资料，运营部门在此基础之上即可迅速开展相关信息化应用。以成昆铁路“铁路专业三维GIS应用平台”开发为例，开展了相关应用探索，效果良好。

系统构建了成昆铁路喜德—甘洛长100 km，宽约4 km的带状三维电子沙盘，对沿线铁路主要设施设备进行精细三维建模，开发了三维GIS常用测量和分析功能及一系列专业应用功能：铁路设施设备及用地图三维管理，沿线泥石流灾害管理查询，水位监测预警预报，巡防人员实时监测，灾害抢险辅助分析，灾后评估等应用。

4.1 铁路相关信息三维管理

当前，铁路设施设备表格和文档的管理、查询及应用模式，难以适应运营里程和速度的快速增加。引入三维GIS技术，将三维场景中三维实体对象及相关资料进行可视化关联，包括设计成果、原料采购、竣工验收、日常养护等所有离散的资料和信息，管理人员通过实体对象可快速查询和管理与之相关的所有信息，另外，结合铁路日常养护相关规范和现场监测信息综合要求，系统能够实现维修养护自动提示和定位功能，规避人为因素造成的差、错、漏现象；利用三维场景，对铁路局大量的安全保护区及用地图的二维管理和应用模式进行改进，将铁路安保区图和用地图在三维场景中进行展示和管理，直观便捷，更新维护也很便利；目前，铁路沿线泥石流沟等地质灾害资料均以文字、表格形式管理查询，使用维护不便，难以直观感受实地地形地貌及周围地理环境。基于高精度铁路三维电子沙盘，利用三维GIS技术的海量信息管理查询功能，能够将真实地理位置与地质灾害相关信息进行有机关联，实现地质灾害点在真实三维场景中的可视化管理和查询应用，除此之外，其它资料亦可采用这种管理模式和手段（见图10）。

4.2 水位监测预警预报基于高精度铁路三维电子沙盘数据，利用三维GIS的自动分析功能，通过安装在铁路重点设施设备上的水位监测设备或气象预报数据，实时、动态、直观显示水位当前位置，自动统计分析淹没范围，辅助管理人员进行科学快速制定应急决策（见图11）。

4.3 巡防人员实时监测

图10 铁路设施设备三维管理

每年汛期是铁路沿线灾害频发期，对铁路沿线重点地段或工点进行专人巡检，是确保铁路安全运营和减少灾害

损失的重要手段，因此，必须有效监督和指导巡检人员的工作，规避擅离职守的情况发生。利用三维GIS的位置服务功能，在高精度铁路三维电子沙盘中，动态追踪巡检人员的行进路线，查询历史巡检记录，实时向巡检人员发出必要的指令，实现监控和指导的目的。

图11 水位监测

4.4 灾害抢险辅助分析铁路沿线发生泥石流等灾害事故后，快速反应和科学决策异常重要，铁路三维电子沙盘和三维GIS能够迅速定位灾害地点，直观展示周边交通和地形地貌现状，快速查询抢险人员和抢险物资的位置，为抢险提供重要的决策依据。

4.5 灾后评估

地质灾害发生之前，铁路沿线构建了高精度三维电子沙盘，当某地发生地质灾害，采用无人机或激光扫描等设备，快速采集灾害区域的地形地貌数据，基于两期数据利用三维GIS技术快速计算泥石流或坍塌土石方量，统计分析受损的建筑、道路等周边相关信息，为灾后赔付等事宜提供科学依据，同时，灾前高精度的三维场景也为灾后恢复重建提供重要参考依据。

5 结论

综上所述，三维GIS技术在铁路全生命周期各阶段的实际应用验证了技术的可行性和深入研究应用的必要性，实现了技术统一、数据和系统共享、节省投资的目的。2013年初启动的中国铁路总公司BIM三维技术应用研究战略，拉开了铁路行业信息化新时代的大幕，作为这一研究战略中的重要技术，三维GIS技术的应用研究已成不可逆转之势。但是，长远来看，三维GIS技术在铁路行业要达到实用和推广，仍有几个重要问题有待解决：

标准问题：是新技术推广应用最为关键的基础性工作。铁路BIM技术的应用研究，只有建立在铁路建设各阶段数据格式、内容、精度等方面遵循统一标准的基础上，参考数字城市“统一基础地理框架”的模式开展此项研究。

自主性问题：主要是指基础软件平台的自主知识产权问题。目前，铁路三维GIS平台大多基于第三方软件进行二次开发完成，从可持续性、可扩展性和经济高效等方面考虑，有必要开展自主三维GIS平台的开发工作。鉴于BIM三维研究工作的紧迫性和三维GIS平台研究工作的难度，可采用功能分步替代的模式逐步实现自主。

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闵世平：中国中铁二院工程集团有限责任公司，工程师，四川成都， 610031