深圳地铁三维地理信息系统建设与研究

陈 鸿，王 勇

(1.深圳市市政设计研究院有限公司，广东深圳518029;2.深圳市伟图科技开发有限公司，广东深圳518034)

一、背 景

随着近几年深圳地铁二期建设进程的加速，由地铁施工引起的沿线管线改迁工程规模越来越大，随之而来的地下管线资料的管理和应用问题日益突出。在传统的管线资料管理模式下，图文表格不统一，分类统计、检索速度慢，不利综合分析，存在较多弊端。采用人工方式管理，资料更新维护效率低下，导致资料的现势性较差。这些因素为管线施工事故埋下隐患，也不可避免地给地铁工程建设带来损失。

同时地铁建设积累了大量的地质资料，用传统的图表不能完全表达地质信息的空间分布及岩层和结构面间的位置关系。建立地铁沿线的地质三维可视化信息管理系统，能逼真反映地铁沿线岩土层的空间分布情况以及地下主要地质结构全貌，为地质工作者分析、研究工程地质现象和发现掌握岩土体结构规律，提供一种新的研究手段和方法。建立可视化信息管理系统，可对庞大的地质数据进行高效管理，实现快速查询分析，还可避免不必要的重复勘察工作。

终上所述，基于三维GIS技术建立深圳市地铁安保区地下管线与地质资料三维信息管理系统，是根据三维GIS技术功能特点，结合深圳市地铁发展现状及长远规划的必然选择。同时也是深圳市三维数字城市发展上的必由之路与重要领域。

计算机三维图形技术的快速发展极大地推进了三维GIS的可视化技术进步，乃至于WorldWind之类开源软件的应用大大降低了准入门槛，从而催生了大量所谓的“三维可视化GIS”软件。实际上，三维可视化仅仅是三维GIS的基本功能之一。对于深圳市地铁安保区地下管线与地质资料三维信息管理系统这样的专业化三维GIS应用，需要的是满足大规模三维空间数据集成管理、在线更新与分析应用的通用平台。在这方面，国内外已经面世了不少综合能力强大的三维GIS软件平台，其中比较有代表的是作为世界GIS工业领袖的Esri发布了具有增强三维数据管理、创作与编辑、三维分析和可视化处理能力的ArcGIS 10.1。

因此，无论在基础理论准备、行业应用经验，以及三维GIS支撑平台方面都具备了项目建设与实施的基础与环境，该项目可行性是确定的。

本系统的建设目标是实现深圳地铁安保区范围内管线和地质信息的集中管理、统一调配、资源共享，建立综合管线和地质数据处理与维护的统一平台、规划管理与设计服务的平台、各专业管线和地质信息系统交互共享的平台。从而为地铁项目的规划设计、施工及运行管理、地铁及周边地下空间统一开发利用提供完整的综合管线和地质基础数据，为地铁发展预测及政府相关部门决策提供可靠的依据，为地铁建设、安保、防灾、抢险、环境保护以及社会公众提供管线和地质信息综合服务。

系统建设的重点在于如何将地铁等地下空间开发与利用过程中产生的各种数据有效地存储在数据库中，并且使之能够满足各专业人士的习惯，体现个性化、人性化、专业的主题。

系统以先进的3DGIS技术为基础对地铁沿线的管线、地质信息与数据实施综合管理。它以地理空间数据库、三维模型库为基础，运用地理模型分析方法为手段组成一个共享平台，对地铁沿线各类信息资源及数据进行采集、管理、分析和有机的集成，构成一个具空间性和动态性的地铁资料数据库的管理系统。

二、系统分析与设计

深圳地铁安保区地下管线与地质资料三维管理系统主要研究平面图管理及地下管线，该系统是针对地铁线路规划、施工、运行维护管理中相关城市综合管线、工程地质、安保区工程信息三方面的数据信息综合管理，应用的决策支持系统。由于该系统所涉及的管理对象地铁相关，具有地下、隐蔽、空间三维等特性，该系统运用3DGIS技术，实现了空间数据三维管理，应用分析的三维可视化，以及地铁隧道、站点、地下管线、岩土工程地层、安保工程的综合虚拟现实展示。

1.系统功能

系统主要由两大模块构成，系统维护模块和应用分析模块(如图1所示)。其中系统维护模块主要使用对象为系统维护人员。该模块主要任务是进行系统权限设置，以及对服务器端保存的各类数据进行维护，包括各种三维模型，管线、地层、站点、建筑三维模型的更新;工程地质勘察资料的管理和安全保护资料的管理。

图1 系统主要功能示意图

应用分析模块的使用对象则是地铁规划设计、运行管理相关管理决策和工程技术人员。提供了从二维到三维，涵盖地铁安保区范围的地下综合管线，工程地质，以及安全保护管理三方面业务的各种数据浏览、检索查询、分析计算功能。在最主要的三维应用方面，可以在任意位置上，对地铁相关地下空间剖切，生成剖面图;生成综合格栅图，对地下管线、钻孔、地层、隧道、站点进行全方位、三维立体透视观察，全面直观地进行分析计算，彻底了解各地层断面与地铁要素的关系。

2.系统架构

该系统是基于ArcGIS 10.1最新版的基础上开发而成的C/S架构的Windows桌面应用系统。采用最新的VS2010的C#为开发语言。在服务器端主要利用ArcSDE存储管理各种空间数据和属性数据。另外还利用ArcGISServer提供影像和地图缓存服务，这样可以高效访问影像和相对固定的矢量地图数据。

在客户端，在 ArcGISEngine 10.1，VS2010 的C#为开发语言，在.NET Framework4.0的基础上开发(如图2所示)。

图2 系统结构示意图

系统数据包括全深圳地表影像、各种基础地理矢量数据，地铁1、2、5线的工程地质钻孔数据，工程勘察文档、1、2、5线安保区范围的地下综合管线管线、安保区检测和工程数据。另外还有标志建筑、地铁隧道、站点、地下管线、岩土工程地层等三维模型数据。

三、系统特点

1.集成的地铁数字化系统

建立了以精确的地铁三维空间地理框架的地质、管线、安保综合信息的二三维一体化管理模型，系统准确、快捷、直观地表达各种地铁沿线各种信息、资源、数据，为地铁建设、安保、防灾、抢险、环境保护提供决策的基础依据和有力的支持(如图3、图4所示)。

2.钻孔数据自动生成地层三维模型

大量的工程勘察钻孔数据，其来源时间跨度大，地层划分方法各异，要将其建立地层三维模型，研究制定了地层统一划分标准，设计了计算机地层自动整理算法，可以按主层或亚层自动生成复杂地层三维模型(如图5所示)。

图3 系统主界面

图4 综合剖面图

图5 三维地层模型

3.模型的任意剖切和隧道模拟开挖

ArcGISEngine 10.1主要提供了二维和三维地图控件等相关空间数据访问组件，为系统的快速开发提供了基础。但是，由于ArcGIS在三维分析方面，主要擅长的是地表地形拟三维方面的分析，在地下三维实体分析方面虽然在ArcGIS 10开始有了三维模型空间运算功能，但仍然存在很多问题。比如模型空间运算的实体必须是闭合模型，而在实际应用中，许多站点、建筑模型是有手工制作的，很难满足这一条件。因此还需要开发相应的三维空间运算算法。系统实现地下三维模型的快速刨切算法，实现了动态刨切，极大地提高了分析的效率与和可视化效果。利用ArcGIS的地理运算工具可以进行三维模型运算，但是参与运算的模型必须是ArcGIS判定的闭合模型。对于地铁站点、建筑等手工建立的三维模型很难满足这个条件，为此项目组开发出了任意三维模型的剖切程序，从而突破了模型闭合的限制。使三维分析运算达到实用化，如图6、图7所示。

图6 连续剖面切片图

图7 隧道的模拟开挖

四、结束语

通过一年的研究与建设，深圳地铁三维地理信息系统开始投入试运行。目前1、2、5号线数据已经导入完成，在11号线的的规划设计中成功应用该系统的模拟隧道开挖功能，对新线路和原有线路的空间关系、所处地层位置、以及地下管线分布情况等进行可视化分析展示，对地铁规划设计提供了有力的支持。

随着数据不断的丰富，系统功能不断完善，可将系统作为地铁运营、安全保护、设备管理、应急管理等的基础平台，将会有力推进数字地铁的发展。

略)