韓元利，陳燕平，薛向陽(yáng)

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063;2.武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079)

將網(wǎng)絡(luò)影像服務(wù)(WMS)，如 Google Earth，Google Maps和天地圖等應(yīng)用于大型鐵路工程的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均作過這方面的嘗試［1］，但目前的應(yīng)用主要局限于大眾型的查詢服務(wù)，在工程應(yīng)用領(lǐng)域受客戶端的限制很難發(fā)揮作用。在數(shù)據(jù)獲取、存儲(chǔ)與共享以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方面，李德仁等［2－3］結(jié)合基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行研究;GIS技術(shù)自產(chǎn)生起，作為邊緣學(xué)科，以其強(qiáng)大的空間分析功能［4］而快速地應(yīng)用于各學(xué)科領(lǐng)域，如工程［5］、電力、水利等。

1 理論與方法

1.1 海量WMS影像數(shù)據(jù)的獲取

WMS數(shù)據(jù)組織主要有3種坐標(biāo):地理坐標(biāo)系統(tǒng)、像素坐標(biāo)系統(tǒng)和圖片坐標(biāo)系統(tǒng)。

地理坐標(biāo)系統(tǒng)可以是以經(jīng)緯度為標(biāo)識(shí)的全球統(tǒng)一大地坐標(biāo)或是以UTM投影后的平面坐標(biāo)，它們的區(qū)別是前者可以覆蓋全球區(qū)域，而后都只能覆蓋到約南緯85度到北緯85度之間的區(qū)域［6］，前者數(shù)據(jù)適合在全球三維表達(dá)平臺(tái)中表達(dá)與應(yīng)用，而絕大多數(shù)的WebGIS則是采用后者進(jìn)行平面組織與表達(dá)。

像素坐標(biāo)是將地理坐標(biāo)經(jīng)平面映射后按照不同的分辨率柵格化的光柵圖像空間，嚴(yán)格說來這種映射應(yīng)該是保證映射前后坐標(biāo)均能一一對(duì)應(yīng)的統(tǒng)一絕對(duì)轉(zhuǎn)換，因而諸如工程上常用的高斯－克呂格投影顯然不適合這種轉(zhuǎn)換，對(duì)UTM數(shù)據(jù)源來源，也無(wú)需再進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以直接進(jìn)行像素級(jí)定位。

圖塊索引坐標(biāo)是對(duì)統(tǒng)一像素空間的簡(jiǎn)化，我們知道如果要將全球范圍的影像放在一個(gè)圖像文件中，如果要達(dá)到一定的分辨率，在尺寸上是不可行的，因而需要進(jìn)行分件拆分，以標(biāo)準(zhǔn)大小的圖塊進(jìn)行分割是保障空間影像實(shí)時(shí)訪問、傳輸及多尺度表達(dá)的必要技術(shù)［7］。

WMS數(shù)據(jù)經(jīng)一定方式進(jìn)行平面投影后，按不同的分辨率可將全球數(shù)據(jù)分為18甚至更多層次，層次越高，分辨率越高，對(duì)第l層的平面影像按照固定的瓦片大小進(jìn)行規(guī)則分割形成22l塊圖形塊，這些圖像塊是本文進(jìn)行WMS影像獲取、傳輸與工程化應(yīng)用的原子單位。根據(jù)WMS數(shù)據(jù)源約定的全球區(qū)域內(nèi)對(duì)這些圖塊進(jìn)行有序地行列索引編制，從而實(shí)現(xiàn)了由地理坐標(biāo)→平面像素坐標(biāo)→圖塊索引坐標(biāo)的一一映射［8］，因而對(duì)地理位置的訪問均可以按圖塊行列索引號(hào)地址進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問、存儲(chǔ)與獲取。

基于圖塊訪問的海量WMS數(shù)據(jù)獲取與存儲(chǔ)整個(gè)流程如圖1所示。

圖1 海量WMS影像數(shù)據(jù)的獲取流程Fig.1 Process of data acquiring and storing

由于面對(duì)是海量的影像數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸，如果以一般的單任務(wù)方式實(shí)現(xiàn)，通常一個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)獲取可能在幾個(gè)小時(shí)甚至是幾天的時(shí)間，這顯然不能滿足工程設(shè)計(jì)的需要，為此我們?cè)讷@取技術(shù)上不僅采取網(wǎng)絡(luò)資源共享的方式避免已經(jīng)他人下載過的資源，而且在獲取手段上廣泛使用多進(jìn)程模式實(shí)現(xiàn)了并行的網(wǎng)絡(luò)傳輸入，如圖中所示，如果允許的同時(shí)下載任務(wù)數(shù)為20個(gè)，則程序在運(yùn)行期間最多可以保持22個(gè)進(jìn)程來保障影像數(shù)據(jù)獲取的高效率，其中包括一個(gè)用于資源檢索與定位的進(jìn)程和一個(gè)專門負(fù)責(zé)下載任務(wù)隊(duì)列管理的進(jìn)行。建立上述的機(jī)制與技術(shù)手段后，可以將平均數(shù)據(jù)獲取效率提高5%以上，基本上能夠保障大區(qū)域工程影像的即時(shí)設(shè)計(jì)需要。

1.2 工程CAD出圖

基于網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)協(xié)議(WMS)的全球影像在大型工程中的應(yīng)用技術(shù)主要是利用各種網(wǎng)絡(luò)電子地圖提供較新的多尺度工程化設(shè)計(jì)影像數(shù)據(jù)的技術(shù)。該技術(shù)基于金字塔式的瓦片數(shù)據(jù)多進(jìn)程獲取及先進(jìn)的云存儲(chǔ)技術(shù)與高精度的工程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，能夠方便地對(duì)任何區(qū)域下載衛(wèi)星圖、地形圖、交通圖等并自動(dòng)拼接，成果支持任何地方獨(dú)立工程坐標(biāo)的DWG圖的自動(dòng)生成。

可以通過繪制多邊形提取某個(gè)區(qū)域內(nèi)的影像，并在 CAD中對(duì)提取區(qū)域進(jìn)行拼接，然后在CAD中以平面形式展示出來，其動(dòng)態(tài)過程如圖2所示。

由于鐵路是一個(gè)陜長(zhǎng)的帶狀范圍，對(duì)于WMS在鐵路工程中的應(yīng)用，也可以通過提取鐵路線位兩側(cè)一定距離的影像進(jìn)行工程應(yīng)用，如金溫鐵路局部影像的提取如圖3所示。

圖2 WMS影像在下載、拼接與出圖過程Fig.2 Download，splicing and plot process of WMS

圖3 金溫鐵路局部影像及線位Fig.3 Images and railway route of Jinhua－Wenzhou railway

2 WMS在鐵路選線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 Google Maps在線選線

網(wǎng)絡(luò)在線選線設(shè)計(jì)能夠在脫離傳統(tǒng)CAD環(huán)境下利用任何在線電子地圖開展選線設(shè)計(jì)，相比CAD工程選線設(shè)計(jì)而言，它具備更新的更豐富的多尺度多媒介地圖數(shù)據(jù)支持;能夠方便地在交通圖、衛(wèi)片圖及柵格地形中進(jìn)行切換選線;能夠集宏觀、微觀于一體進(jìn)行設(shè)計(jì);能夠支持全球范圍內(nèi)的大區(qū)域無(wú)圖紙線位方案規(guī)劃(如圖4);能夠?qū)崟r(shí)地得到線位的地面剖切線供選線參考決策(圖4)。選線結(jié)果能夠兼容平面工程表達(dá)與球面空間表達(dá)，能夠兼容鐵四院現(xiàn)有鐵路選線輔助設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)，具備高效、好用、易用等特點(diǎn)。

圖4 Google Maps鐵路在線選線Fig.4 Google maps railway route selection online

2.2 Google Maps道路自動(dòng)提取

通過GIS矢量化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)Google Maps自動(dòng)道路跟蹤提取與工程圖的轉(zhuǎn)換，在Google Map上，通過首、尾點(diǎn)選擇要提取的道路，(只要是車子能夠走的路都能夠提取)，如圖5所示。提取后矢量化的道路再高亮顯示出來，并且可以轉(zhuǎn)為CAD平面圖形(圖6)，球面坐標(biāo)同步轉(zhuǎn)換為CAD工程平面坐標(biāo)，如圖6所示。

圖5 在Google Map下繪制要提取道路的轉(zhuǎn)折點(diǎn)Fig.5 Drawing roads’turning point on Google map

在投標(biāo)或初測(cè)過程中，常常會(huì)因?yàn)榈貓D年代久而導(dǎo)致一些重要交通要素沒有在地圖上顯示出來，特別是高等級(jí)道路對(duì)于鐵路縱斷面高程起到的作用幾乎是決定性的，這時(shí)候就可以借助網(wǎng)絡(luò)影像將近年代的交通矢量提取出來，對(duì)鐵路設(shè)計(jì)起參考作用。

2.3 拆遷數(shù)量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)

鐵路設(shè)計(jì)中的拆遷量調(diào)查是一項(xiàng)耗時(shí)而繁鎖的工作，目前，這項(xiàng)工作幾乎全由人工手工完成，不但數(shù)據(jù)規(guī)范化難以統(tǒng)一，測(cè)量精度也因人而異。本文通過GIS的緩沖技術(shù)［9］，查詢鐵路線位兩側(cè)一定范圍內(nèi)的建筑面積，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖7所示。這種自動(dòng)化線調(diào)，數(shù)據(jù)規(guī)范統(tǒng)一，經(jīng)得起改線的考驗(yàn)。

圖7 鐵路拆遷數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.7 Statistic of removal number of railway

3 應(yīng)用與結(jié)論

已經(jīng)建立包括4臺(tái)服務(wù)器與14T的磁盤陣列空間服務(wù)器組為超過300個(gè)客戶端提供相應(yīng)的空間影像數(shù)據(jù)支持服務(wù)與網(wǎng)絡(luò)選線設(shè)計(jì)服務(wù)，采用共享式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)雙軌存儲(chǔ)機(jī)制后空間數(shù)據(jù)采集效率提高至95%以上，基本能夠滿足實(shí)時(shí)的出圖成圖需要，目前已采集空間數(shù)據(jù)在2000G以上，并且以日均20G～35G的遞增量增加。

(1)利用網(wǎng)絡(luò)影像，在工程前期地圖準(zhǔn)備不到位的情況下，也可以進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，減緩了設(shè)計(jì)人員對(duì)底圖的依賴程度。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了智能化自動(dòng)選線、縱斷面地面線提取及矢量道路網(wǎng)的提取。

(2)數(shù)據(jù)精度完全取決于空間數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)精度，目前這方面的應(yīng)用僅限于鐵路設(shè)計(jì)初期。

(3)以鐵路為例進(jìn)行研究，網(wǎng)絡(luò)影像服務(wù)同樣可應(yīng)用于電力、水利或者公路等其他行業(yè)，尤其適用于相對(duì)缺乏基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)的海外工程。

［1］LIU Lingwei，XIA Yuanyou，HAN Yuanli.Research on three－dimensional modelling of railway route in railway route selection［C］//2010 International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering，2010(6):MACE2010:2907－2911.

［2］李德仁.信息高速公路、空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施與數(shù)字地球［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，1999，28(1):1－5.LI De-ren.Information superhighway，spatial data infrastructure and digital earth［J］.Surveying and Mapping，1999，28(1):1 －5.

［3］Goodchild M F，Yang S.A hierarchical spatial data structure for global geographic information systems［J］.ComputerVision，Graphicsand ImageProcessing:Graphical Models and Image Processing，1992，54(1):31－44.

［4］彭曉艷，龍 毅，毋河海.基于仿射變換的MapInfo矢量圖形坐標(biāo)糾正的方法探討［J］.測(cè)繪信息與工程，2002，27(5).PENG Xiao-yan，LONG Yi，WU He-hai.Coordinate adjustment on vector graph in mapinfo using affine transformation［J］.Journal of Geomatics，2002，27(5).

［5］宋 波，張占軍，何元慶，等.鐵路線路三維GIS系統(tǒng)建設(shè)研究［J］.中國(guó)鐵路，2008(10):35－42.SONG Bo.ZHANG Zhan-jun，HE Yuan-qing，et al.Study on 3D GIS system construction of railway route［J］.Chinese Railway，2008(10):35－42.

［6］孫立東.高斯－克呂格投影和橫軸墨卡托(UTM)投影的異同［J］.港工技術(shù)，2008(5):51－53.SUN Li-dong.Gauss－kruger projection and universal transverse mercator projection of the similarities and differences［J］.Port Engineering Technology，2008(5):51－53.

［7］HAN Yuan-li，LIU Yi-ping.Webgis－ based railway alignment design in engineering［C］//ICRE2010 － International Conference on Railway Engineering，2010:156 －161.

［8］韓元利.基于數(shù)字地球的鐵路選線設(shè)計(jì)模型［J］.測(cè)繪信息與工程，2010(6):18－20.HAN Yuan-li.A railway route design model on digital earth［J］.Journal of Geomaticcs Dec.，2010(6):18 －20.

［9］王榮霞，陳順偉，邢 妍.基于Mapinfo的三維地基信息咨詢系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和應(yīng)用［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2003(s1):295－300.WANG Rong-xia，CHEN Shun-wei，XING Yan.The construction and application of 3D foundation information advisory system database based on Mapinfo［J］.Structural Engineer，2003(s1):295 －300.