（道路与铁道工程专业论文）GIS技术在铁路勘测设计一体化中的应用研究与开发.pdf

摘要 摘要 l 我国铁路勘测设计技术经过多年发展己取得了较大的进展，但从整体上看 还处于较低水平，有诸多深层次的问题亟待解决。针对这种现状，提出将g i s 技术用于铁路勘测设计一体化的思路，并就建立基于g i s 的铁路线路设计系统 中的一些关键技术及其实现方法进行了较深入的研究，并开发了相应的软件。，i 在考察我国铁路勘测设计一体化技术发展现状和存在的问题以及g i s 技术 的特点和应用现状的基础上，提出将g i s 技术用于铁路勘测设计一体化是推动 铁路勘测设计向更高层次发展的有效途径和必然选择；提出了基于g i s 的铁路 勘测设计一体化系统的整体解决方案，对系统的设计目标、总体结构和处理流 程进行了研究，并对目前的技术基础和需解决的关键技术问题进行了探讨；提 出基于g i s 的铁路线路设计系统的总体结构和开发模式；在对系统应用环境和 多种软件技术深入研究的基础上，结合适合铁路线路设计的地理信息系统的空 间数据来源、数据结构特点，提出了空间数据的管理模式、存取途径以及客户 端模型，并在v c + + 程序设计环境下，应用o b j e c t a r x 开发工具和c o m 、a d o 等技术开发了相应的数据输入与管理软件系统：系统应用o b j e c t a r x 的事件通 知机制、容器对象、扩展数据、多文档支持等技术和方法，实现了图形数据与 属性数据的集成管理和无缝连接；对基于g i s 的铁路选线设计应用分析模型进 行研究，开发了基于缓冲区分析、叠置分析等空间拓扑分析的铁路选线影响因 素信息提取和地质地层分析等应用分析程序。 经过理论研究和系统开发的实践，认为将g i s 技术用于铁路勘测设计一体 化系统是可行的，它对于提高勘测设计质量和效率具有重要意义，是铁路勘测 设计技术发展的方向。通过在青藏线岸嘎一羊八井段的应用得到了验证。上 关键词：铁路勘测设计一体化? 地理信息系统，、铁路线路设计；空间数据 应用分析模型 一 竺竺竺! ! _ _ _ _ h _ h _ _ _ - _ - - _ 一 一 a b s t r a c t i nt h ep a s ty e a r sg r e a tp r o g r e s sh a sb e e nm a d ei nt h et e c h n i q u eo f i n t e g r a t i o no f r a i l w a ys u r v e ya n dd e s i g ni no u rc o u n t r y h o w e v e r ，t h et e c h n i q u ei ss t i l ld e v e l o p i n g i nal o w l e v e la n dt h e r ea r em a n yd e e p - l e v e lp r o b l e m sn e e dt ob es o l v e d a c c o r d i n g t ot h i ss t a t u s ，at h r o u g h w a yo f a p p l y i n gg i s t ot h ei n t e g r a t i o no f r a i l w a ys u r v e ya n d d e s i g n i si s s u e d ，a n ds o m ek e yt e c h n i q u ea n dw a y st op u ti ti n t o p r a c t i c e a b o u t b u i l d i n gar a i l w a yl i n e sd e s i g ns y s t e mb a s e do ng i si ss t u d i e dd e e p l y i nt h em e a t ) t i m e ，as o f ts y s t e mi sd e v e l o p e d b a s e do nt h e e x p l o r a t i o n o ft h e d e v e l o p m e n t s t a t u s q u o a n dt h ee x i s t e n t p r o b l e m so ft h ei n t e g r a t i o n o fr a i l w a y s u r v e ya n dd e s i g n ，a n dc o n s i d e r i n g t h e c h a r a c t e r i s t i ca n dt h ea p p l i c a t i o ns t a t u sq u oo fg i st e c h n i q u e ，t h ev i e w p o i n tt h a tt o a p p l yg i st e c h n i q u et ot h ei n t e g r a t i o no fr a i l w a ys u r v e ya n dd e s i g ni s aa v a i l a b l e a p p r o a c ha n dac e r t a i nc h o i c et op r o m o t et h es u r v e ya n dd e s i g nt e c h n i q u et oah i g h l e v e li ss h o w n ai n t e g r a t e ds o l u t i o no ft h ei n t e g r a t i o no f r a i l w a ys u r v e ya n dd e s i g n s y s t e mi sd e s i g n e da n d t h ed e v e l o p m e n t a i m s ，i n t e g r a t e df r a m e w o r k a n d p r o c e s sf l o w a r es t u d i e d i nt h em e a n t i m e ，t h et e c h n i q u eb a s i ca n dt h ek e y t e c h n i q u ea r ed i s c u s s e d t h ew h o l ef r a m e w o r ka n d d e v e l o p m o d eo ft h er a i l w a yd e s i g ns y s t e mb a s e do ng i s a r e d e s i g n e d b a s e d o nt h e d e e p l ys t u d y o ft h e r u n n i n g c o n d i t i o na n ds e v e r a l d e v e l o p m e n tt e c h n i q u e ，a n dc o n s i d e r i n gt h es o u r c ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed a t a w h i c h a d a p t st ot h er a i l w a yl i n e sd e s i g n ，t h em a n a g em o d e ，w r i t ea n dr e a dw a y sa n d t h em o d e lo ft h ec l i e n ts i d ea r ed e s i g n e d ，a n dad a t ai n p u ta n d m a n a g es y s t e mu s i n g t h e d e v e l o p m e n t t o o lo fo b j e c t a r xa n dt h e t e c h n i q u e o fc o ma n da d oi s d e v e l o p e du n d e rt h ed e v e l o p m e n tc i r c u m s t a n c eo fv c + + a p p l y i n gs o m ea d v a n c e d t e c h n i q u e o f o b j e c t a r x ，f o re x a m p l en o t i f i c a t i o nm e c h a n i s m ， c o n t a i n e r o b j e c t s ，e x t e n d e dd a t a ，m d i ，e t c ，t 1 1 e c o m p o s i t i v e m a n a g e m e n ta n dc l o s e s tl i n k e ro fg r a p h i c sd a t aa n da t t r i b u t ed a t aa r er e a l i z e d t h e a n a l y t i c a lm o d e lo fa p p l i c a t i o no ft h er a i l w a yl i n e sd e s i g nb a s e do ng i si ss t u d i e d b a s e do nt h ep r o g r a m so fb u f f e r a n a l y s i s ，o v e r l a ya n a l y s i sa n do t h e ra n a l y s i so f a b s t r a c t t o p o l o g i c a l r e l m i o no f s p a t i a ld a t a ，s o m ea p p l i c m i o np r o g r a m s ，i n c l u d i n g t h e p r o g r a m s t od i s t i l lt h ei n f o r m a t i o nw h i c hi n f l u e n c e st h er m l w a yl i n e sl o c a t i o na n dt h e p r o g r a m s t oa n a l y z e st h es t r a t u m ，8 r ed e s i g n e da n dw r i t t e n t h et h e o r e t i cs t u d ya n dt h ed e v e l o p m e n t p r a c t i c ep r o v et h a tt oa p p l yg i s t ot h e i n t e g r a t i o n o f r a i l w a ys u r v e y a n d d e s i g ns y s t e m i s f e a s i b l e ，w h i c h i s v e r y s i g n i f i c a t i v et op r o m o t et h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo f r a i l w a ys u r v e ya n dd e s i g na n di s t h et r e n do ft h e t e c h n i q u e o f r a i l w a ys u r v e y a n d d e s i g n t h e i n s t a n c eo ft h e a p p l i c a t i o n t o a n g a - y a n g b a j i n gs e g m e n to fq i n - z a n g l i n ev a l i d a t e st h e s e a l l i n c i p i e n t l y k e yw o r d s ：i n t e g r a t i o no f r a i l w a ys u r v e ya n dd e s i g n ，g i s ，r a i l w a yl i n e sd e s i g n s p a t i a ld a t a ，a n a l y t i c a lm o d e lo f a p p l i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得石家庄铁道学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丑堕聊签轹殛牲日期： 3 叠 3 2 2 z 第一章引言 1 1 研究的意义 第一章引言 实现铁路勘测设计一体化、智能化，一直是铁路勘测设计工作者所向往和 追求的目标，也是铁路勘测设计工作现代化和自动化的重要标志。虽然我国铁 路勘测设计的方法与手段随着社会生产和科学技术的发展取得了较大的进步和 提高，但从整体上看还处于较低水平，与“一体化、智能化”目标还有较大差 距，主要表现在： ( 1 ) 勘测与设计之间、各专业c a d 系统之间缺乏有效的信息沟通手段。工程 勘测、设计信息的采集、处理、管理、加工、分析在总体上还是以部门分离式 和专业分工式的作业为主，以图纸、表格、文字等信息载体交换数据为特征， 勘测部门与设计部门之间、各设计部门之间不能顺利、及时、准确地进行信息 沟通。 ( 2 ) 勘测信息数字化程度低。勘测部门提供的勘测信息往往以图纸、表格、 文字等形式为主，内容上定性描述的较多，这一方面造成设计人员对于勘测信 息难于准确理解，另一方面造成对勘测信息处理、利用上的困难，也不适应我 国“数字铁路”的发展趋势。 ( 3 ) 铁路勘测设计所涉及的信息是多方位的，如地形、地质、水文、气象、 村镇分布、农田、交通、水利设施、环境、经济、社会人文等，这些信息既有 空间定位特征、又有属性特征，既有定量指标、又有定性指标，既有确定性因 素、又有不确定性因素。现有的铁路勘测设计系统由于缺乏对各类信息全面采 集、表达、识别、分析手段，造成设计方案的优化和综合决策缺乏全面的信息 支持。 ( 4 ) 1 = 1 = 1 于( 2 ) 、( 3 ) 所述条件的限制，现有的铁路勘测设计系统基本不具有空间 分析能力，设计方案的优劣取舍在很大程度上取决于设计人员的实际经验和技 术水平，缺乏科学的决策支持。 ( 5 ) 许多软件是在比较落后的软硬件环境下，利用比较落后的软件手段和工 具开发的，加之这些软件在解决具体问题本身上也很不完善，所以研究成果和 第一章引言 软件与实际使用还有一定距离。 地理信息技术的发展为这些问题的解决提供了技术基础。地理信息系统不 仅能够采集、存储、管理和表达现实世界中各种对象的属性信息，而且能够处 理其空间定位特征，能将其几何信息和属性信息有机的结合起来，从空间和属 性两个方面对现实对象进行描述，并提供强大的分析、查询、显示等功能。将 地理信息系统技术应用于铁路工程勘测设计，建立一个集对铁路勘测、设计所 要求的空间数据和属性数据的采集、存储、管理、分析和输出于一体，不仅具 有c a d 的图形输入、编辑处理、输出的功能，而且可以对各种空间数据和相关 属性进行查询、检索、分析、评价，并能利用g i s 提供的丰富而准确的信息进 行辅助决策的铁路工程勘测设计一体化智能化系统，把g i s 与铁路勘测设计以 及各c a d 专业之间紧密联系起来，形成g i s + c a d 的一体化的生产体系，是实 现铁路勘测设计高速度、高质量和高效益，实现真正的铁路勘测设计体化智 能化的有效途径。 基于地理信息系统平台，开发新一代铁路勘测设计一体化系统，是未来铁 路勘测设计一体化智能化开发的发展方向和必然趋势。我国虽有部分专家学者 曾提出这一思路，但在这一方面的研究和开发还处于起步阶段，只是开展了部 分试验性研究工作，更没有成型的产品。进行铁路勘测设计一体化地理信息系 统技术的研究，建立一套支持铁路工程勘测设计一体化的地理信息系统，对提 高铁路勘测设计水平，促进铁路勘测设计现代化，适应铁路建设大发展的形势 具有重要意义。 1 2 国内外研究动态和趋势 计算机辅助勘测设计的研究在国外已有三十多年的历史。从2 0 世纪8 0 年 代末，国外的计算机辅助勘测设计开始由单项开发转向整体开发及系统开发， 从而产生了勘测设计一体化智能化的概念和研究体系，并取得了一定的成果， 体现在：线路设计中的智能c a d 技术；基于航测、遥感和g p s 的数据自动采集 和数字地面模型d t m 的研究和实现；道路设计中的三维可视化技术；地理信息 系统在勘测设计中的应用方法的研究。其中，有代表性的系统有：英国的m o s s 公路设计系统、美国的b r e n t w o o d 公司开发的三维公路设计系统和德国i b & t 公 司的c a r d 1 软件。目前，国际上勘测设计一体化智能化的研究开发主要是在 一一 第一章引言 勘测设计中应用网络技术、信息技术、多媒体技术以及灰色理论、模糊理论和 神经网络理论。 国内从2 0 世纪8 0 年代末期开始了系统的勘测设计一体化智能化研究工作， 并取得了一批很有价值的研究成果，有的己用于生产实践。但这些研究及软件 的开发基本上是以单项应用为主，缺乏系统的整体性，体现不了一体化、智能 化的特征，其核心是没能建立集成管理各种勘测设计数据的工程数据库，而在 这一方面的研究和开发还没取得实质性进展。 地理信息系统的思想和技术方法自2 0 世纪6 0 年代提出以来，随着计算机 技术的发展得到了快速的发展，目前已趋于成熟和完善。我国地理信息系统的 发展起步较晚，但发展较快，在技术研究、成果应用、人才培养、软件开发等 方面进展迅速，目前已走向实用化、集成化、工程化。但地理信息系统的应用 还主要限于测绘、土地和资源管理、环境评价与监测、区域规划等方面。 g i s 技术应用于铁路勘测设计领域，是铁路勘测设计体化智能化发展的必 然趋势。我国部分专家学者提出这一发展方向，对基于g i s 的铁路勘测设计系 统体系结构、应用前景和对铁路勘测设计的影响进行了探讨。但在这一方面的 研究和开发还处于起步阶段，更没有成型的产品。 1 3 本课题研究的主要内容和方法 本课题拟主要解决以下问题： ( 1 ) 地理信息系统在勘测设计一体化软件开发中的应用技术研究。主要研究 内容为：全面考察我国勘测设计技术的发展现状和存在的问题，分析地理信息 系统与铁路勘测设计的关系，提出一套基于g i s 的铁路勘测一体化系统的整体 解决方案。对系统的设计目标、总体结构和处理流程进行了研究，并对目前的 技术基础和需解决的关键技术问题进行探讨 ( 2 ) 提出基于g i s 的铁路线路设计系统的总体结构和系统的开发模式。 ( 3 ) 研究铁路线路设计g i s 的数据来源、数据结构，对其数据库设计、数据 输入、数据管理等关键技术及其实现方法进行深入研究，并开发相应软件。 ( 4 ) 对基于g i s 的铁路选线设计应用分析模型进行研究，并开发相应的应用 分析软件。 本课题研究采用以下研究方案： 第一章引言 ( 1 ) 科研调查，文献查阅。 对铁路各大设计院和公路设计部门目前使用的勘测设计软件现状进行调 查，了解存在的问题以及对预期的勘测设计软件的需求；熟悉铁路勘测设计生 产过程。 通过查阅大量的文献资料，了解目前勘测设计研究与地理信息系统研究的 新进展，掌握最新的理论方法和技术手段。 ( 2 ) 对课题进行深入地研究分析，经过认真思考、充分论证，在理论上提出 一套完整的解决问题的方法。 ( 3 ) 在理论研究的基础上，开发相应软件，建立适应铁路线路设计要求的地 理信息系统和选线分析模型软件系统，以验证解决方案的合理性、适用性、实 用性。 d 第二章铁路工程勘测设计一体化与地理信息系统 第二章铁路工程勘测设计一体化与地理信息系统 2 1铁路工程勘测设计一体化 2 1 1铁路工程勘测设计一体化概念 铁路勘测设计“一体化、智能化”系统是指应用当代测绘技术、数据库技术、 计算机技术、网络通信技术和c a d 技术，通过计算机及其软件，把一个设计院、 一个工程项目的所有信息( 勘测、设计、进度、计划、变更等数据) 有机地集成起 来，建立综合的计算机辅助信息流程，使勘测设计的技术手段从手工方式向现 代化c a d 技术转变，作到数据采集自动化、勘测资料处理数字化、硬件系统网 络化、图文处理现代化，逐步形成和建立适应多专业、多工种生产的商效益、 高柔性、智能化的工程勘测设计体系。该系统用系统工程观点，把勘测、设计 的图纸、图像、表格、文字等以数字化形式存贮，供各专业设计使用，系统的 核心是工程勘测设计数据库管理系统。系统的工作模式是通过各种采集手段， 采用统一编码将采集到的信息转换为标准格式后存在勘测信息数据库中，经过 加工处理后，与设计信息数据一起共同组成工程勘测设计数据库管理系统，作 为各专业开展c a d 时的共同信息来源。勘 测信息处理系统是铁路勘测设计信息系统 的基础，而铁路工程勘测设计数据库管理系 统可将铁路勘测设计所搜集和形成的数据 汇集于数据库中，进行计算机数据管理，做 到从原始资料到过程数据以及文档数据共 享，它是铁路勘测设计信息系统的核心。勘 测设计“一体化、智能化”体系可包括五大 块，即数据采集系统、勘测信息处理系统、 工程勘测设计数据库管理系统、各专业 c a d 系统、计算机文档管理系统。铁路勘测 设计“一体化、智能化”系统的概略工作流 程见图2 1 川。 一5 一 数据采集系统 勘测信息处理系统 i 工程勘测设计 数据库管理系统 i 各专业c a d 系统 计算机文档管理系统 图2 1 铁路勘测设计一体 化系统概略工作流程图 第二章铁路工程勘测设计一体化与地理信息系统 勘测设计一体化作业的主要特点是勘测设计各环节使用计算机作业，勘测 阶段为设计阶段，上道工序为下道工序以及各专业工种间提供接口数据文件， 使数据传递流畅，达到数据共享，这样，作业速度快，能缩短勘测设计周期， 文件资料一致、整洁、质量高，能提高铁路勘测设计的效率，节省人力，提高 经济效益。 铁路勘测设计一体化、智能化的主要研究内容及解决的技术关键是：勘测 数据的自动化采集，其核心是建立以g p s 、g i s 、r s 为中心的现代测绘体系； 建立数字地形模型和工程勘测设计数据库；应用软件系统的研究和开发；铁路 勘测设计知识工程的研究和专家系统的建设。 21 2 我国铁路勘测设计一体化发展现状与存在的问题 我国铁路勘测设计的传统方法和手段随着社会生产和科学技术的发展，在 装备和先进技术应用水平上有较大进步和提高，尤其是进入2 0 世纪9 0 年代以 来，铁道部各设计院在勘探、测量、设计等方面对计算机的应用都有了很大的 发展。但从整体上看，仍然以分散作业，手工操作为主，各工序、各专业彼此 分开，以图纸、表格、文字互提供资料，转抄传递，不但效率低，且错漏现象 时有发生，资料共享性差，同时还容易丢失。随着r s 、d p s 、g i s 、g p s 以及 e s 等技术的发展及集成，也必然促使铁路勘测设计进入到以数据库为核心的勘 测设计数据化产业体系。为了改变铁路勘测设计的落后局面，铁道部早就开始 注意到必须改变落后的勘测设计手段，并于1 9 7 9 年1 2 月由铁道部科技司立项 对“铁路线路设计自动化”进行研究，1 9 8 1 年批准“数字地形模型”和“纵断 面优化”分别正式立题研究，组织全路各设计院及有关高等院校联合攻关，并 于1 9 8 6 年1 1 月通过部级鉴定。1 9 9 2 年7 月完成整体连接，经过有关单位各自 努力下，终于研制出了“铁路线路辅助设计系统”，成为可用于生产的大型软 件。随着r s 、g p s 、g i s 、d p s 以及e s 等技术的发展，建立铁路勘测设计“一 体化、智能化”的条件已经具备，经过专家反复论证后，铁道部“九五”规划 把铁路勘测设计“一体化、智能化”列入其中，并作为研究开发的重点。1 9 9 5 年1 2 月由铁道部科技司主持召开了铁路勘测设计“一体化、智能化”论证会。 从1 9 9 7 年开始，由铁道部第一勘测设计院主持，石家庄铁道学院、兰卅f 铁道学 院、铁道部第二、三、四设计院、长沙铁道学院参加，完成了“铁路线路初步 设计方案比选系统”项目的研究工作，并于1 9 9 9 年9 月通过铁道部鉴定。 - - 6 第二章铁路工程勘测设计一体化与地理信息系统 同时应该看到，目前我国铁路勘测设计一体化智能化发展过程中，还存在 一些突出的问题主要表现在： ( 1 ) 软件的开发均以单项应用为主，各专业设计系统间封闭，缺乏系统的整 体性，体现不了一体化的特征。勘测与设计之间、各专业c a d 系统之间缺乏有 效的信息沟通手段。工程勘测、设计信息的采集、处理、管理、加工、分析在 总体上还是以部门分离式和专业分工式的作业为主，以图纸、表格、文字等信 息载体交换数据为特征，勘测部门与设计部门之间、各设计部门之间不能顺利、 及时、准确地进行信息沟通。其核心是工程勘测设计数据库的建设，在这方面 还没有取得实质性的开发成果。 ( 2 ) 勘测信息数字化程度低。勘测部门提供的勘测信息往往以图纸、表格、 文字等形式为主，内容上定性描述的较多，这一方面造成设计人员对于勘测信 息难于准确理解，另一方面造成对勘测信息处理、利用上的困难，也不相适应 我国“数字铁路”的发展趋势。 ( 3 ) 铁路勘测设计所涉及的信息是多方位的，如地形、地质、水文、气象、 村镇分布、农田、交通、水利设施、环境、经济、社会人文等，这些信息既有 空间定位特征、又有属性特征，既有定量指标、又有定性指标，既有确定性因 素、又有不确定性因素。现有的铁路勘测设计系统由于缺乏对各类信息全面采 集、表达、识别、分析手段，造成设计方案的优化和综合决策缺乏全面的情报 支持。 ( 4 ) 由于( 2 ) 、( 3 ) 所述条件的限制，现有的铁路勘测设计系统基本不具有空间 分析能力，设计方案的优劣取舍在很大程度上取决于设计人员的实际经验和技 术水平，缺乏科学的决策支持。 ( 5 ) 许多软件是在比较落后的软硬件环境下，利用比较落后的软件手段和工 具开发的，加之这些软件在解决具体问题本身上也很不完善，所以研究成果和 软件与实际使用还有一定距离。 铁路勘测设计一体化智能化系统是一个多专业多学科的系统工程，其建设 是一项长期的而艰巨的任务。要解决目前存在的问题，一方面需要建立一个统 一的框架结构和协同工作环境，进行系统的总体设计和制定切合实际的实施方 案，另一方面要充分利用大量的已经成熟的技术并寻求新的或有待开发的先进 技术的支持，如计算机网络通信技术、卫星遥感、全球定位系统、地理信息系 统、虚拟现实技术、空间数据仓库、人工智能、专家系统、数据挖掘和知识发 第二章铁路工程勘测设计一体化与地理信息系统 现等。 2 2 地理信息系统 2 2 1 地理信息系统的概念 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是一门集计算机科 学、信息科学、地理学等多门学科为一体的新兴学科，它是在计算机软件和硬 件支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内 涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统。 g i s 的概念框架如图2 - 2 ( 据美国联邦数字地图协调委员会( f i c c d c ) ) 。 图2 - 2g i s 概念框架和构成 2 2 1 1 地理信息系统的组成 一个典型的g i s 系统应包括四个基本的组成部分：计算机系统( 硬件、软件) 、 空间数据库系统、应用人员与组织机构和应用模型。各组成部分及其相互关系 如图2 3 所示【4 4 】。 计算机系统包括硬件系统和软件系统。计算机与一些外围设备联接形成g i s 的硬件环境。计算机是硬件系统的核心，用作数据的处理与管理。与它连接的 外围设备包括输入用的专用设备，如数字化仪、解析测图仪等及其它测绘设备 等。g i s 输出和贮存用的外部设备，通常是指标准的计算机外围设备，包括打印 机、高分辨率显示装置、绘图仪等。长远来看，硬件配置还应包括远程通讯装 詈。 8 一 第二章铁路工程勘测设计一体化与地理信息系统 地理信息系统的软件系统包括核心 软件和应用软件。核心软件包括数据处 理、管理、地图显示和空间分析等部分， 应用软件包则紧紧地与核心模块相连， 并面向一些特殊的应用问题，如网络分 析、数字地形模型分析等。g i s 软件系 统基本组成如图2 - 4 所示恤“。 空间数据库系统由数据库实体和 空间数据库管理系统( s d b m s ) 组成。地 理信息系统的空间数据分为几何数据 和属性数据。几何数据表现地理空间实 体的位置、大小、形状、方向以及拓扑 关系，可以采用栅格和矢量两种形式。 属性数据描述地理空间实体的名称、类 图2 - 3g i s 组成关系示意图 型、数量等。空间数据库管理系统主要用于数据维护、操作和查询检索等。 g i s 应用模型的构建和选择也是g i s 系统应用成败的至关重要的因素。虽然 g i s 为解决各种实际应用提供了有效的基本工具，但对于某一专门应用目的的解 决，必须通过构建专门的应用模型，例如土地利用适宜性模型、选址模型、洪 水预测模型、人口扩散模型等。这些模型是客观世界中相应系统经由观念世界 图2 - 4g i s 软件系统基本组成 第二章铁路工程勘测设计一体化与地理信息系统 到信息世界的映射，是联系g i s 系统与专业研究之间的纽带，反映了人类对客 观世界利用改造的能动作用，并且是g i s 技术产生经济效益的关键所在，因此 在g i s 技术中具有十分重要的地位。 2 2 1 2 地理信息系统的类型 地理信息系统根据其内容、功能和作用可分为两大基本类型：应用型地理 信息系统和工具型地理信息系统。 工具型地理信息系统就是g i s 工具软件包，它具有空间数据输入、存储、 处理、分析和输出等g i s 基本功能，是地理信息系统开发的平台或外壳，为地 理信息系统的使用者提供一种技术支持，是供其它系统调用或用户进行二次开 发的操作平台。用户能借助地理信息系统工具中的功能直接完成任务，或者利 用工具型地理信息系统加上专题模型完成任务。目前国外已有很多商品化的工 具型地理信息系统，如a r c i n f o ，g e n a m a p ，m a p i n f o ，m g e 等。国内近 几年在工具型地理信息系统的开发方面也取得了很大的成绩，如m a p g l s ， g e o s t a r ，c i t y s t a r 等。 应用型地理信息系统以某一专业、领域或工作为主要内容，根据用户的需 求和应用目的而设计的一种解决一类或多类实际应用问题的地理信息系统，除 了具有地理信息系统基本功能外，还具有解决地理空间实体及空间信息分布规 律、分布特性及相互依赖关系等的应用模型和方法。它可以在比较成熟的工具 型地理信息系统基础上进行二次开发完成，也可以是为某专业专门设计的。应 用型地理信息系统具有针对性明确、专业性强、系统开销小等特点。随着地理 信息系统应用领域的扩展，应用型g i s 的开发工作日显重要。如何针对不同的 应用目标，高效地开发出既合乎需要又具有方便美观丰富的界面形式的地理信 息系统，是g i s 开发者应该关心的问题。 2 2 2 地理信息系统的功能和应用 2 2 2 1 地理信息系统的功能 作为地理信息自动处理和分析系统，地理信息系统的功能贯穿数据采集一 分析一决策应用的全部过程，可概括为以下几个方面： ( 1 ) 数据采集与编辑。即在数据处理系统中将系统外部原始数据传输给系统 内部，主要用于获取数据，保证系统数据库中的数据在内容上与空间上的完整 一1 0 一 第二章铁路工程勘测设计一体化与地理信息系统 性、数据值逻辑一致、无错等。目前可用于地理信息系统数据采集的方法和技 术很多，如跟踪数字化、扫描数字化、遥感等。 但) 数据操作，包括数据的格式化、转换、概化。数据的格式化是指不同数 据结构的数据间变换；数据转换包括格式转换( 如矢、栅格式的转换) 、数据比例 尺的变换、投影变换等；数据概化包括数据平滑、特征集结等。 ( 3 ) 数据的存储与组织。这是一个数据继承的过程，也是建立地理信息系统 数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属性数据的组织，其关键是如何将二者 融合为一体。 f 4 ) 查询、检索、统计、计算功能。这是地理信息系统应具备的最基本的分 析功能。 ( 5 ) 空间分析功能。这是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其 它计算机信息系统的根本区别。地理信息系统的空间分析可分为三个不同的层 次。一是空间检索，包括从空间位置检索空间实体及其属性和从属性条件集检 索到空间实体。第二是空间拓扑叠加分析，空间拓扑叠加实现了输入特征的属 性的合并以及特征属性在空间上的连接。第三是空间模拟分析，包括外部的空 间模拟分析( 将地理信息系统作为一个通用的空间数据库，而空间模拟分析功能 则借助于其它软件) 、内部的空间模拟分析( 利用地理信息系统软件来提供空间分 析模块) 和混合型的空间模拟分析( 尽可能利用地理信息系统所提供的功能，同时 充分发挥地理信息系统使用者的能动性) 。 ( 6 ) 输出功能。以报表、图形、地图等形式显示输出全部或部分数据。 2 2 2 2 地理信息系统的应用 g i s 针对特定的应用任务，存储事物的空间数据和属性数据，根据事物的地 理坐标对其进行管理、检索、评价、分析、结果输出等处理，提供决策支持、 动态模拟、统计分析、预测预报等服务。随着地理信息技术的发展，其应用领 域已从早期用于自动制图( a m ) 、设施管理( f m ) 和土地信息系统( l i s ) ，逐步扩展 到地质、地理、测绘、资源、土地、市政、旅游、交通、水利、农林、环保、 教育、文化、国防、公安等领域，其应用水平也已从简单的机助制图、提供简 单的数据检索和查询，发展到分析和解决问题。 在环境评价和监测系统方面，g i s 可用于环境影响评价、污染评估、灌溉适 宜性评价、灾害预测( 森林火灾、洪水灾情、救灾抢险等) 、生态系统的研究、生 第二章铁路工程勘测设计一体化与地理信息系统 物圈遗迹管理、自然资源管理等。 在土地和资源评价管理方面，g i s 可用于土地管理、水资源清查、矿产资源 评价、预测、工程地质，地质灾害等。 在市政工程建设方面，g i s 可用于公共供应( 水、电、气、废水) 、电信网络、 交通、道路等管理及区域规划、城市规划等工程中。 g i s 可为政府和企业提供极为有力的管理、规划和决策工具。可用于企业生 产经营管理、税收、地籍管理、宏观规划、开发评价管理、交通工程、公共设 施使用、道路维护、公共卫生管理、经济发展、赈灾服务等。 由于g i s 强有力的数据管理、处理、显示和制图功能，测绘制图部门可利 用g i s 技术实现计算机制图设计、数据存储、编辑加工及自动化生产，采用g i s 技术便于地图修改、更新，缩短成图周期，大大提高劳动部门生产率。 g i s 应用的新的趋势是将具体应用模型与g i s 方法结合起来用于规划管理、 设计和决策。 2 2 3 地理信息系统的发展趋势 近年来，计算机技术飞速发展，特别是软件技术的发展，促使g i s 技术发 生了很大的变化。国际g i s 技术的发展趋势，一方面体现在技术的综合 ( i n t e g r a t i o n ) ，即g i s 技术与其他信息技术如c a d 、多媒体、通信、i n t e m e t 、办 公自动化、虚拟现实等多种技术结合，形成了综合的信息技术；另一方面体现 在g i s 软件技术的分化( f r a c t i o n a t i o n ) ，即g i s 软件技术的发展经历了从早期的 功能处理模块( m o d u l e ) 、包式g i s ( p a c k a g eg i s ) ，直到目前组件式g i s ( c o m g i s ) 、 网络式g i s ( w e b g i s ) 、开放式g i s ( o p e n g i s ) 成为g i s 产品开发的方向。 2 2 3 1 g i s 与c a d 技术的结合 c a d 是指计算机辅助设计，是- - f 7 空间设计技术，提供交互式的图形处理 功能，主要用来代替或辅助工程师进行各种设计工作，也可以绘制各种技术图 形，还可以与计算机辅助制造( c a m ) 系统共同用于产品加工中的实时控制。其主 要特点是设计者与计算机模型的交互。目前许多c a d 开始支持对象的非图形性 质，但其对属性数据的处理能力相对很弱。 而g i s 是一门空间管理技术，强调空间信息的管理和分析，主要用来管理 大量的既具有空间分布特征、又具有属性特征的空间数据，较c a d 来说，其管 一1 2 一 第二章铁路工程勘测设计一体化与地理信息系统 理的对象更为复杂，数据量更大，并提供强大的空间分析功能。 空间设计离不开空间信息的支持，二者处理的都是具有空间几何特征的信 息，因此，将g i s 与c a d 相结合，用g i s 实现对信息的管理和分析，提供对 c a d 的信息支持和决策分析支持，将会大大推进c a d 技术的发展。 2 2 3 2g i s 与r s 、g p s 的结合 全球定位系统( g p s ) 、地理信息系统( g i s ) 并i 遥感( r s ) ( 简称“3 s ”) 是目前对 地观测系统中空间信息获取、存贮、管理、更新、分析和应用的三大支撑技术， 它们有着各自独立、平行的发展和成就。随着3 s 技术研究和应用的不断深入， 人们逐渐认识到单独地应用之中的某一项技术往往不能满足综合性工作的需 要，不能提供所需的对地观测、信息处理、分析模拟的综合能力。因此，将三 者在线地连接、实时地处理、有机地结合成一个整体的系统，即3 s 的技术集成 ( i n t e g r a t i o n ) 就成为3 s 研究和应用发展的方向。 在3 s 集成系统中，g p s 主要用于实时、快速提供目标、各类传感器和运载 平台的空间位置；r s 用于实时或准时地提供目标及其环境的语义或非语义信息， 发现地球表面的各种变化，及时地对g i s 的空间数据进行更新；g i s 则是对多种 来源的时空数据综合处理、动态存贮、集成管理、分析加工，作为新的集成系 统的基础平台，并为智能化数据采集提供地学知识。 2 2 3 3w e b g i s 基于i n t e m e t 技术的g i s ，即w e b g i s ，是建立在i n t e m e t i n t r a n e t 之上的一 个开放式、具有统一标准和广泛适应性的g i s 网络应用系统。w e b g i s 本质上与 一般的地理信息系统没有区别，但由于其是建立在w e b 技术上的一种特殊环境 下的地理信息系统，具有以下主要特点： ( 1 ) w e b g i s 具有分布式应用体系结构。分布式应用体系结构能实现在客户机 端与服务器端都具备提供功能强大的、可执行进程的体系结构，达到真正有效 地平衡客户机与服务器之间的处理负荷，实现数据分布和计算分布的目标，使 系统具有可互操作性。 ( 2 ) 更广泛的访问范围。客户可以同时访问多个位于不同地方的服务器上的 最新数据，而这一i n t e m e t i n t r a n e t 所特有的优势大大方便了g i s 的数据管理， 使分布式的多数据源的数据管理和合成更易于实现。 ( 3 ) 平台独立性。无论服务器客户机是何种机器，无论w e b g i s 服务器端使 一l3 一 第二章铁路工程勘测设计一体化与地理信息系统 一一 用何种g i s 软件和c a d 软件，用户就可以透明地访问w e b g i s 数据，在本机或 某个服务器上进行分布式部件的动态组合和空间数据的协同处理与分析，实现 远程异构数据的共享。 ( 4 ) 系统成本低。传统g i s 在每个客户端都要配备昂贵的专业g i s 软件，而 用户使用的经常只是一些最基本的功能，这实际上造成了极大的浪费。w e b g i s 在客户端通常只需使用w e b 浏览器( 有时还要加一些插件) ，其软件成本与全套 专业g i s 相比明显要节省得多。另外，由于客户端的简单性而节省的维护费用 也不容忽视。 w e b g i s 是一个采用c l i e n t s e r v e r 体系结构的、分布式的系统，目前已经有 多种技术方法被用于研制w e b g i s ，主要的实现方法有：通用网关接口法( c g i ) 、 服务器应用程序接口法( s e r v e ra p i ) 、插件，控件发( p l u g i n a c f i v e xc o n t r 0 1 ) 汞3 j a v a 编程法等。 目前，世界各大g i s 专业公司已相继推出了各自的w e b g i s 产品，如 a u t o d e s k 公司的m a p g u i d e ，e s r i 公司的i n t e m e tm a ps e r v e r ，i n t e r g r a p h 公司的 g e o m e d i aw e bm a p ，m a p l n f o 公司的p r o s e r v e r 以及b e