基于地理信息系统的轨道交通基础地理信息三维可视化

鏊。域市辄厦交涸器搽滁瓣然黧{；{l黼辩滁港裁瀚鞭l港骶l}{{添骚醛滁l强罄。溃壤蕊 基才地理信息系统的轨道交通 基础地理信息三维可视化 江男 陈能施蓓琦孙雅荣 (上海师范大学地理系，200234，上海∥第一作者，硕士研究生) 摘要随着地理信息系统(GIs)的快速发展，人们对空间 数据的需求日益增大，如何让用户对空间教据有夏直观更简 便的了解，成为GIS发展的一个热点。介绍了基于GIs的三 维可视化方法和关键技术。在AraGIs三维摸块Arc妇屺的 基础上，利用组件技术进行二次开发，对轨道交通基础地理 信息进行建模与可视化分析。 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和开发出了基于GIS的轨 道交通基础地理信息系统，利用AO技术扩展ArcSc衄e功 能，实现了轨道交通基础地理信息的三维可视化。 关键词轨道交通，地理信息系统，基础地理信息，三维可 视化 中图分类号TPl4 3DVbuali盟ti∞ofU汀F0undati帅aIG帅鲫phicIlI咖t10n Based∞G璐 JiangN“，omNeng，蛳蹦qi，sun‰ong Ab们dF01‰T19恤rapldd州lopIIl甘1tdGIS，thede一 Ⅱ舶dsf四spatialda七aareal酆inc豳119sharp峥．}kw幻ac— q画ntt}le蝴with即ati出da诅Ⅱ幽o。nv缸眦tlyhasbeoome a}DbpothGISdevdopm目lt．Thbpap目mak鹳a辩∞ndary d删elop恤印tofArcGISforthed商驴ofUrbanRailTI锄菇t 鄹吼肌ontheb∞迤of群!。l卿hicdata，t‰oc七erl出Awscene fⅧcti∞st0reaI洫3Dv曲all盟60nofuRl’basicge。g蛆phic dm． K帮wordsrad扛an酝t，g∞grapKcali—0iTnation野吼咖，ba蓟。 g∞g阳p}licdata，3D“sualization nrsbautllor’saddr嘲《知g珀phy【kp㈣t，S}l龃g垴 NmrIalUhiv哪ity，200234，s}langh缸，CHna 现有的地理信息系统(GIs)主要表达二维的地 表地物的图形和属性信息，要扩展到三维(包含地下 地质结构)的信息系统还有差距。城市轨道交通工 程项目从规划、可行性研究、初步设计到详细设计等 阶段，乃至到工程施工与运行阶段，积累了大量的基 础地理 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 ，用三维模型图形图像来表达和解释这 些庞大的资料，比光靠数据库和图表图纸等传统手 ·20· 段要有效得多。 随着计算机图形技术和GIS的发展，以及三维 立体、动画、多媒体和仿真等产品形式的出现，各种 轨道交通基础地理信息的可视化表现已经从不可能 成为可能，从单一的图表形式向基于地图的综合信 息的可视化表达形式过渡nJ。与此同时，社会应用 的愈加深入，使得社会各界对轨道交通基础地理信 息三维可视化产品的需求也愈加强烈。 1三维可视化概述 1．1基于GIs的三维可视化方法 当前三维可视化的方法主要有：三维图片与地 形结合显示，基于软件的地物显示及地形显示，基于 Directx的地物显示等。近几年来，国内外三维可视 化系统的商业软件相继出现，如ArcGIS的3DAm． 1yst、vieWScape3D、SuperMap、vRMap、mcView、 MapGIs等。纵观国内外几种软件的研究与开发现 状，在三维显示、建模等方面各有独到之处，但它们 只是三维可视化的一个基础平台，针对性不强，不能 够很好地满足各行业运营和管理部门的功能需要。 本文在mcGIS三维模块心cScene的基础上，利用 组件技术进行二次开发，对轨道交通基础地理信息 进行建模与可视化分析，实现轨道交通基础地理信 息的三维可视化。 1．2三维可视化的关键技术 L2．1 离散数据的插值与拟合 轨道交通基础地理信息可视化中，地质体三维 空间建模是轨道基础地理数据三维可视化的基础。 其钻孔数据、地层界面、地层剖面等可以看作是三维 空间中的函数。它们的拟合函数要根据实际勘测数 据建立，实测数据越丰富，越能够真实描绘出这些信 息的空间分布规律。地表地形测量数据和各地层数 据的生成可归结为双自变量离散数据的插值和拟 万方数据 {；漂舞期漤臻避{辩澈瓣潦l羲襄糍l臻瀵溪漆鏊搽|瀵l辫襄{嚣瓣添饕{§醛辫港瓣豁{蕊{溪{溪鼹淑裔满≤潦 合。多值曲面如地层的倒转褶皱，则采用多参变量 插值等其他一些较复杂的方法。空间曲面插值函数 有以下构造方法，如克里金插值法(Kriging方法)、 与距离成反比的加权方法(shepard方法)、径向基函 数插值法(Multiquadric方法)【“、平面弹性理论插值 法[3—4]等。 1．2．2三维数据结构 在计算机图形学中，曲线和曲面分别通过很多 微小直线段和微小三角面来模拟三维连续的面。贝0 轨道交通基础地理信息中各种数据的表面都是许多 微小直线段和微小三角面的集合。地质体三维空间 数据结构和建模是轨道交通基础地理数据三维可视 化的基础，这就要求必须具备有效的分层的三维数 据结构，能够确保人机交互显示的实现。 1．2．3可视化技术 轨道交通基础地理信息可视化，是利用计算机 技术，将工程勘测获得的数据以及规划管理部门的 资料，转换为轨道交通沿线地区的立体图和剖面图 形，其基础是工程数据和测量数据的可视化。ESRI 公司的ArcGIS已经包括了交互透视观察的方法以 及三维建模和分析的高级工具。觚GIS9．O中对 三维可视化功能进一步加强，并增加了对真实的3D 符号的支持以及在符号上贴上纹理等，从而大大提 高了可视化以及对真实世界的模拟能力15】。丽时， 脏GIs中内嵌了微软公司许可授权的VisualB罄ic forApplication(Ⅵ弧)。实际应用中，可用任何与 CoM兼容的编程语言，如v_捌a1Basic利用A刑珧． iects，来对A鸸Is进行二次开发，定制开发任何你 能想象得到的GIs软件。 2轨道交通基础地理信息三维可视化的初 步应用 2．1基础地理信息空间数据库管理 收集、整理轨道交通基础地理数据后录入空间 数据库各分项数据表，包括测绘数据、地质勘探数 据、社会统计调查数据、规划图以及全球定位系统 (GPs)数据和遥感影像(Rs)数据等。这些数据表 不仅包括轨道交通基础地理信息的位置数据，更重 要的是提供了其属性数据。以钻孔数据表为饲。根 据原始的钻iL数据平面图以及柱状图，按 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 录入 钻孔编号、岩层起始深度、岩层终止深度、层厚、岩性 (地层名称)、地层代码(地层年代)、岩层走向、岩层 倾向、岩层倾角、接触关系、地质描述等数据，形成了 钻孔数据表(见表1)。 2．2基于钻孔的地层建模方法 基于离散采样数据的插值与拟合的思想，即将 离散数据转化为连续曲线曲面。轨道交通基础地理 信息中复杂地质体三维建模与可视化的过程是：首 先对原始的数据进行处理，提取钻孔信息以及地层 分布情况；然后对钻孔数据进行插值以及层面的拟 合；最后行格网剖分与地层建模。这样就建立了基 于竖直钻孔数据的三维地层模型。 2．2．1建立层阍拓扑关系 层状地质结构中，每一层相同属性的地质层含 有上下两个单值的拟合曲面，因此建立层状地质模 型的关键是要确定各层的上下拓扑关系。水平位置 的拓扑关系一般可以由钻孔分布获得；整体的各层 之间的上下关系可通过相邻钻孔数据之问的传递确 表i地质钻孔数据表 ·2l· 万方数据 嚣Q珊市辄厦交强霁瀑鞭辫勰辩聪潮潍辩躐iiii渊}{i；捺逛拣辫l{慧黼鞭lll{}l；潼。蹶糍} 定。由于每个钻孔数据所含地层属性分布在一般情 况下不一定相同，对于地层分布情况的解释，如用计 算机模拟自动完成难度大，可靠性和准确性差，因此 可以由地质专家依据经验进行解释。 22．2钻孔数据的插值 由于原始钻孔数据的离散和有限等特点，不经 过处理是无法绘制出真实地质曲面的，因此必须进 行内插。本文采用单值曲面拟合函数来表达地层数 据在空间的分布，离散的钻孔数据经拟合形成连续 的层面如图1所示。并不是所有的层都能在钻孔上 有数据，有的地层在所考虑的区域内消失。某些地 层结构(如透镜体等)只会出现在少数几个钻孔数据 上，所以对于整个区域的插值，由于可利用的控制点 过少而在非控制点区出现不理想甚至错误的拟合结 果。因此在算法中 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 ，凡是不出现或应该消失的 层面被置于当前排列顺序号后面的层面下。 图1离散的钻孔数据以及插值后生成的地层数据 2．3建筑物可视化表达 2，3．1三维数据模型 对城市中建筑物进行三维可视化表达，要确定 用什么样的三维数据。建筑物是小尺度范围内的明 显变化，ArdGIS提供了一种基于矢量的Multipatch 数据模型【6]。ArcGIS在以二维矢量数据模型(点、 线、面)表达现实地理世界时，在点对象模型里提供 了一个字段以保存z方向的值。众所周知，由点组 成线，由线组成面。则点模型中的z字段其相应的 线模型和面模型也自然能够支持z字段。因此可 把二维数据的Z字段读写到空间的几何体中，形成 三维数据模型。 2．3．2MultiDatch数据模型的产生 首先完成数据转换(由CAD的DwG文件格式 转换成SHAPE格式)；第二步使用mcscene的 convert功能；然后在ArcM印中加载第二步生成的 具有初步三维信息的建筑物数据，利用ArcMap中 的编辑功能进行三维数据编辑；最后用Ⅵ3A代码将 编辑的结果转换成Multipatch数据。 ·22· 2．3．3建筑物的纹理贴图 对上述三维数据进行显示时，如果三维场景中 有一些模型的“骨架”，为了获得逼真的显示效果，必 须对建筑物进行纹理贴图，这样才能完全真实地描 绘出建筑物对象的特征。可通过纹理素材库获得贴 图。但建筑的复杂性丰富多样，实地工作中需要表 达代表性和标志性的建筑物，这就得实际摄影采样， 这时需要注意拍摄的高度和角度。获得合乎要求的 纹理之后，需要考虑如何将纹理恰如其分地映射到 相应的建筑物上，最关键的是控制纹理的坐标。把 纹理坐标和建筑物模型的坐标一一对应，则能完成 对建筑物的可视化表达。 2．4地下管线和建筑物基础数据的三维可视化 ～cGIs9．O中对三维可视化功能进一步加强， 增加了对真实的3D符号的支持，同时也可对点、 线、面实体等矢量数据垂直拉伸。因此，可利用3D 符号和实体拉伸功能对地下管线和建筑物基础数据 进行三维显示，如图2所示。 图2地下管线和建筑物基础数据的表示 3轨道交通基础地理信息的三维可视化 轨道交通基础地理信息种类多样。格式不同。 因此在分别对各种数据进行分析后，以址GIS9O 为基础平台，在其三维显示模块触cScene基础上利 用AO组件进行二次开发，完成轨道交通基础地理 信息的三维可视化，界面如图3所示。 4结语 本文旨在促进我国城市轨道交通基础地理信息 管理的可视亿、数字化。以现代管理工具、计算机技 术和GIS进行高效的轨道交通基础信息管理，推动 轨道交通管理由传统的信息管理和利用方式，向科 学化、 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化、规范化的现代空间管理方式的过渡， 促进并推广轨道交通基础地理信息的可视化。 (下转第32页) 万方数据 餐鼯艘市轫逵交圈器黧漆蒹溅滁黼鞭；{}}澜潮黼釜滁麓狳蕊l漱拣溅潜；；}；{；渊§潼口醒舔醛 大，桩基的抗弯刚度越大，其弯曲程度则越小，向左 的位移越大；而其下半段的位移基本相同。可见对 于宽度较大的桩基，需要控制其顶端位移；对于宽度 较小的桩基，需要注意其弯曲程度过大而引起折断。 4结语 本文采用数值模拟的方法分析了隧道施工后对 邻近建筑物及桩基的影响。选取施工后和150天两 个时刻的1号桩基的水平位移值作为研究对象，得 出以下结论： (1)盾构隧道对邻近建筑物及桩基的影响是时 问相关的，隧道在开挖后一段时间内对周边建筑及 桩基产生影响，其影响时间与周边土体的粘弹性性 质有关。 (2)隧道使邻近桩基发生弯曲变形和整体倾 斜，且距离隧道最近的桩基变形最大。隧道对邻近 建筑及其桩基有两种影响效果。两种影响效果同时 存在，计算参数不同，起主导作用的影响效果不同。 (3)隧道与桩基水平间距越小其影响范围越 大，地表建筑高度越大，桩基宽度相对就小、楼面荷 载越太．桩基位移越大。但这些计算参数的取值变 化，不会导致起主导作用的影响效果发生变化。其 中隧道外径和地表建筑高度对计算结果的影响程度 较大。对于建筑物截面宽度较小的桩基须注意控制 其弯曲．以防折断。 (4)隧道埋深和桩基长度是两个较为特别的计 算参数，它们的取值变化会使起主导作用的影响效 果发生变化，而且桩基的变形特征变化很大。隧道 埋深较小或桩基长度较大的情况下，桩基在隧道之 下的长度较大，地表建筑顺时针方向倾斜，第二种影 响效果起主导作用，反之则是第一种影响效果起主 导作用。 参考文献 [2】 【3] [4] [5】 f6] [7】 [8】 [9] [10] 廖少明．余炎，彭芳乐．盾构近距离穿越相邻隧道施工的数值 解析[J]岩土力学．2004．25(增)：223 Y{明罅EK，E叫I．Scudyof口。叩d．衄Ⅱ刮证te娜ti。Ⅱoff。血 3kdd汕1腿kd^venincIo钾pr旺imityh—a由n协商朗“ ∞ns响cchn0f叫仙d出ddt呲md[J]TurmdliI】ga|1dund小 g∞und帆Teck妇，1998。13(3)：289， 于宁，朱台华．盾构施工仿真及其相邻影响的数值分析[J]． 岩土力学，2004．25(2)：292 s=djr【lallE，D¨dd∞kH．A1u即sHT∞，aI】d邯14篦一dirrlcrul帆． d8mlyskofck鸵1y印日c。d“q}tubetmIf汕[J]．1h眦11ilg 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URBAN MASS TRANSIT 年，卷(期)： 2007,10(9) 参考文献(7条) 1.陈永华 可视化表达的若干关键问题的研究 2000 2.唐泽圣 三维数据场的可视化 1999 3.张菊明 三维地质模型的设计和显示 1995 4.张菊明.孙惠文.刘承祚 局部间断拟合函数在地质曲面分析和显示中的应用 1995 5.ESRI What's new at ArcGIS 9 2006 6.杨必胜 数字城市模型的三维建模与三维可视化技术研究[学位论文] 2002 7.陈能.江男.王梅珍 城市轨道交通基础地理信息系统的设计与实现[期刊论文]-城市轨道交通研究 2006(10) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_csgdjtyj200709006.aspx