铁路地理信息服务平台数据整理与符号配置

马 帅

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

2019 年交通运输行业发展统计公报显示，截止2019 年底，全国铁路营业里程达13.9 万km，其中，高铁营业里程达到3.5 万km，高铁的发展速度和规模继续领跑世界。 近年来，“数字交通、智慧交通”等概念逐渐兴起，国内外各行业都开展了以地理信息系统为平台的应用研究[1-2]。 在铁路行业，已有BIM 在铁路建设项目中各阶段的应用、BIM 与GIS 的技术融合以及将CAD/GIS/BIM 进行在线集成等方面的研究[3-5]。以“BIM+GIS”为核心的GIS 平台，既凸显了BIM 技术在构筑物内部信息分析和管理的优势，也发挥了GIS在区域空间管理、空间分析的长处，实现了两者的优势互补。 刘延宏分析 “BIM+GIS”在铁路桥梁建设整体信息化实施效果[6]；陈光等基于山地城市轨道交通项目研究一体化三维空间数据模型[7]；孙嵘认为高铁地理信息服务平台可集成基础地理信息、铁路专业信息，形成面向多业务、多模式的铁路地理信息平台标准体系框架[8]；秦勇研究了铁路地理信息系统的原理、建设原则和步骤，使铁路地理信息系统能更好地服务于“数字铁路”[9]。

SuperMap GIS 是一款具有二三维制图与可视化、决策分析的大型GIS 基础软件平台[10]。 以京雄城际铁路项目为例，利用勘察设计阶段的数据在SuperMap GIS 软件实现京雄铁路地理信息服务平台，对数据整理过程和符号配置方法进行详细论述。

1 京雄城际铁路简介

新建北京至雄安城际铁路起点为李营站，终点为雄安站，全长92.4 km，沿线途经北京大兴区，廊坊的固安县、永清县、霸州市，保定的高碑店市及雄安新区，共设置李营站、北京大兴站、大兴机场站、固安东站、霸州北站、雄安站6 座车站，其中李营站为既有车站。 新建雄安动车运用所1 座、望架台线路所1 座、牵引变电所2 座，包含京津联络线、津九上下行联络线，动车走行线。 工点有桥梁、隧道、路基及多个大临工程。

1.1 正线主要技术标准

(1)铁路等级:高速铁路；

(2)正线数目:双线；

(3)速度目标值:350 km/h；

(4) 最小平面曲线半径: 最小曲线半径为7 000 m，困难5 500 m；

(5)最大坡度:20‰；

(6)正线线间距:5.0 m；

(7)到发线有效长:650 m；

(8)牵引种类:电力；

(9)机车类型:CRH 系列动车组；

(10)调度指挥方式:调度集中；

(11)列车运行控制方式:采用CTCS-3；

(12)建筑限界:按350 km/h 速度标准要求执行。

1.2 自然概况

(1)地形地貌

线路所属地区位于华北平原北缘，多为冲积平原，地形平坦开阔，地面高程为4.4 ～27.4 m，地势由西北向东南缓倾。

(2)地质构造

场区内地质构造主要有北京坳陷、大兴隆起和冀中坳陷。 事实上，近场区是华北断陷区北京坳陷、冀中坳陷与太行山断隆区京西隆起的结合部，经历长期的构造演化，形成北东向和北西向两组相互交汇的断裂构造带。 京西隆起主要由中上元古界和古生界组成，并有中生界覆盖和燕山期花岗岩出露，长期处于构造隆起状态，第四纪期间因北西向的张家口—渤海断裂构造带活动而在京西隆起边缘形成沙河凹陷，第四系厚度最大可达600 m，以黄庄—高丽营断裂为界与北京坳陷相接[11]。

2 数据整理过程

2.1 SuperMap GIS 三维系统中数据坐标系统和高程基准

京雄城际铁路项目勘察设计均以XIAN80 椭球为基准，高斯投影方式，中央子午线为117°，高程基准为1985 国家高程。 利用该项目的首级控制网，将数据转为WGS84 椭球的经纬度并加密数据坐标。

2.2 基础地理数据的整理

基础地理数据是地图中最基础的资料，包括定位基础、水系、居民地及设施、交通、管线、境界与政区、地貌、植被与土质共8 大类[12-13]，数据来源一般是卫星影像、航飞资料、数字线划图和现场实测数据。

根据数据类型和比例，可将基础地理数据整理为点、线、面三种数据格式，并以shp 数据格式存储，如图1 所示。

图1 基础地理数据整理后存储形式

2.3 地形及影像数据的整理

地形数据为以tif 格式存储的栅格数据，需要两套不同精度的数据，一套为以线路中心线每侧各5 km 的低精度数据，一般为30 m 分辨率的srtm 高程数据；另一套为线路中心线每侧500 m 的高精度dem 数据，一般为2 m 分辨率的格网dem 数据，或者从激光点云数据获取，如图2 所示。

根据显示级别，影像数据同样需要两种不同的精度，一种是以线路中心线每侧5 km 范围的低精度的影像，一般为2 m 分辨率的卫星影像；另一种是线路中心线每侧500 m 的高精度影像，一般为0.2 m 分辨率的航飞正射影像。

图2 京雄地理信息服务平台中DEM 数据展示

2.4 铁路工程设计要素整理

传统的铁路工程设计成果一般为二维图纸，需要将信息从二维图纸中提取出来，将不同专业的设计图纸根据设计类型转为点、线、面的矢量数据，以shp 格式存储。

京雄城际铁路项目的工点三维模型有两种数据格式，分别为构建的参数化模型(max 格式)和BIM 模型(ifc 格式)，模型按照设计专业不同，主要分为地质、路基、桥梁、隧道、地质、站场、声障(环保)、工经、电力等。

2.5 数据命名规则

数据整理分类后，以文件的方式存储在服务器中，并将其路径与模型属性连接。 为保证地信服务平台的扩展性及易读性，在数据导入过程中，数据命名需要遵循的规则见表1。

表1 地理信息服务平台数据命名规则

3 地信服务平台中符号配置研究

在计算机环境下，铁路三维信息模型系统通过三维技术对铁路周边现实场景虚拟重建。 模型既可以表现出现状条件，也可以根据铁路设计图纸，虚拟出未来铁路建成后的效果。 铁路三维信息系统实现了真实世界在空间和时间上的连续表达，可更直观地展示出现实场景。

为了使观看者在浏览铁路三维信息模型系统时更容易获取相关内容，需要以直观逼真的三维模型或符号代替图纸中抽象的点、线、面要素，才能真正体现三维系统的意义。 三维符号化表达是在平面二维符号化表达基础上，提出的一种利用三维符号实现场景快速表达的方法，其最大的优点在于直观性、真实性、立体性[14]，随着铁路三维信息模型系统的快速发展，研究出一套标准化的、规范化的铁路三维模型符号库非常必要，基于三维符号库，可以实现快速、交互地搭建统一的铁路三维模型应用系统。

3.1 铁路三维地理信息模型的符号化表达形式与方法

在浏览铁路三维地信系统时，不同缩放尺度下，视点与模型之间的可视距离会随之改变，不同的模型在一定的距离内才显示出来，并且依据可视距离应有不同的精度和表现形式，能够表现不同的细节层次和粒度(LOD-Level of Detail)[15]，一般按照专业将LOD 设置为4 级，每级适用的专业见表2。

表2 各专业模型构件几何精度等级要求

以下分别论述在不同的视距下，铁路要素在不同精度下表示方法。

(1)在可视距离为10 000～30 000 m 时，铁路要素只需满足1 级精度即可。 铁路三维地信系统中，主要以线符号表示出铁路方案的线路走向，以红色线条表示推荐方案，其他颜色表示各种比较方案，表示方法见表3。

表3 1 级精度下铁路线路方案表示方法

以京雄城际铁路三维地理信息项目为例，在该精度下的表示方法如图3 所示。

图3 1 级精度下线路方案示意

(2)在可视距离2 000 ～10 000 m 时，铁路三维地信系统中，可以展示2 级精度的铁路要素，不仅可以展示出线路走向，还可以根据新建线路的工点划分，将站场、路基、桥梁、隧道等设计单元表示出来，站场以三维点符号表示，路基、桥梁、隧道工点以不同的线符号区分，表示方法见表4。

表4 2 级精度下主要工点要素表示方法

根据所列图示符号配置的京雄铁路三维场景中的样式如图4 所示。

(3)在可视距离为500 ～2 000 m 时，需要表现出部件外观等精细识别需求的几何精度，在该精度下，通常以通用模型的形式表示出部件的大小与位置指标，但并不一定与设计的一致，如图5 所示。

(4)在可视距离小于500 m 时，需要表现出部件的设计成果，该精度下模型一般为高精度的BIM 模型，以满足结构施工、产品制造等高精度识别需求的几何精度(一般不以三维符号表示)，如图6 所示。

3.2 基础地理信息要素表达

根据基础地理信息要素分类与代码标准，主要将二维矢量分居民地及设施、交通、水系、管线、境界与政区、植被与土质6 个方面进行三维表达。

(1)居民地及设施

居民地及设施数据来源地形图，主要包括居民地、工矿及其设施、农业及其设施、公共服务及其设施、其他建筑及其设施。 在三维中主要以矢量多边形(建筑物)、矢量点(三维模型)、矢量点(图片注记)方式表达。

(2)交通

交通主要包括铁路、高速、国道、省道、其他道路以及道路构造物及附属设施。 在三维中主要以矢量多边线(折线)、矢量点(文本注记)、矢量点(图片注记)方式表达。

(3)水系

图4 2 级精度下设计单元示意

图5 服务平台中的参数化模型

图6 服务平台中的BIM 模型

水系主要包括河流、湖泊、水库以及其他水系要素。 在三维中以矢量点(文本注记)、矢量点(图片注记)方式表达。

(4)管线

管线数据主要包括输电线以及附属设施、城市管线等。 在三维中以矢量点(三维模型)方式表达。

(5)境界与政区

境界与政区主要包括省界、市界、县界以及相应行政区域名称注记。 根据视角高度不同分级别显示。 当视角高度大于3 000 km 时，显示全国省级界线以及省级行政区名称。 当视角高度达700 km，开始显示市界以及市级行政区名称。 当视角高度达到100 km，开始显示县界以及县级行政区名称。 视角高度达70 km，开始显示乡镇级行政区名称。 当视角高度达10 km，开始显示村级行政区名称。

(6)植被与土质

植被与土质数据主要内容见表5。

表5 常用植被表示方式

京雄地信服务平台符号配置整体效果如图7所示。

图7 京雄地信服务平台符号配置整体效果

4 结论

通过京雄地理信息服务平台的示范应用，规范多源异构数据的处理流程，形成标准的数据处理流程和命名规则，建立京雄地理信息服务平台的标准体系框架，提供GIS 可视化、空间分析等功能服务，提供规范、标准、统一的接口，为成果交付、施工管理、运维管理、资产管理打下坚实的基础，为建设铁路地理信息“一张图”平台提供借鉴。