高速公路三维地理信息系统

高速公路三维地理信息系统 可行性研究报告

云南昆明旭昊成信息技术有限公司 2009年11月 《高速公路三维地理信息系统》可行性研究报告

目录

一．项目背景和意义 .......................................................................... 2 二．应用或技术特色、前景 .............................................................. 3 1．主要应用领域 .......................................................................... 3 2．技术特色 .................................................................................. 4 3．应用前景 .................................................................................. 6 三．研究内容与预期目标 .................................................................. 7 1．研究内容 .................................................................................. 7 2．系统预期目标 .......................................................................... 7 四．设计原则、关键技术、总体设计 .............................................. 8 1．项目设计原则 .......................................................................... 8 2．项目关键技术 .......................................................................... 8 3．系统总体设计 .......................................................................... 9

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一．项目背景和意义

长期以来公路管理单位使用的公路GIS系统大都以二维地理信息系统和其它信息系统为主。虽然二维的GIS系统也能够展示复杂的地理信息，同时具有强大的空间分析功能，也能够进行数据获取、数据组织、数据操纵、数据分析和数据表现等。然而，用二维的图形界面展示空间信息是非常抽象的，只有专业的人士才懂得使用。相比二维GIS，三维GIS为空间信息的展示提供了更丰富、逼真的平台，使人们将抽象难懂的空间信息可视化和直观化，人们结合自己相关的经验就可以理解，从而做出准确而快速的判断。毫无疑问，三维GIS在可视化方面有着得天独厚的优势。

多维度空间分析功能更加强大。空间信息的分析过程，往往是复杂、动态和抽象的，在数量繁多、关系复杂的空间信息面前，二维GIS的空间分析功能常具有一定的局限性，如淹没分析、地质分析、日照分析、空间扩散分析、通视性分析等高级空间分析功能，二维GIS是无法实现的。由于三维数据本身可以降维到二维，因此三维GIS自然也能包容二维GIS的空间分析功能。三维GIS强大的多维度空间分析功能，不仅是GIS空间分析功能的一次跨越，在更大程度上也充分体现了GIS的特点和优越性。

鉴于三维GIS的诸多优点，三维GIS目前已经在城市规划、水利、公安、军事仿真、通信基站选址、综合应急等许多行业和领域得到了广泛应用。而交通数据的种类繁多（包括属性数据、空间数据、影像数据等），数据量大，操作复杂，人工管理难度大。随着信息化

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产业的不断发展，现有的一套信息化管理模式已经不适应社会发展的需要，特别是不适应飞速发展的交通行业的需要，如果没有相应的三维信息系统提供支撑，对交通信息数据的管理、使用和信息挖掘工作将难以开展。

二．应用或技术特色、前景

1．主要应用领域

从三维数字高速的现状与发展趋势来看：

三维可视化广泛应用于很多领域，在三维GIS中，三维数据可视化可以真实地表现空间数据、逼真地模拟仿真地理信息现实，进而可以直观地展现用户感兴趣的数据。为此，目前大多数省份在积极开展数字高速的建设。高速公路三维地理信息系统作为一个重要的组成部分，可以为数字高速建设提供一个重要的平台，实现高速公路场景的三维可视化漫游、检索和动态交互管理，改变了传统的高速公路管理方式。高速公路二维三维地理信息系统就是在传统高速公路地图的基础上，基于地理信息技术，虚拟现实等高技术，将高速公路地理信息和其他相关设施设备信息相结合，以三维可视化场景实现高速公路景观及信息的浏览查询，使现实中的高速公路环境在时间和空间上得到延伸，从而提高高速公路的管理水平。

传统的高速公路电子地图一般只能在二维的基础上模拟和处理现实世界中的三维现象，本质上是基于抽象符号的系统，不能给人以自然界的本原感受，在描述三维空间现象上无能为力，高速公路

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2D-3D一体化地理信息系统通过二维和三维的统一结合，以高速公路三维场景直观地展现地理空间现象，能给人更真实的感受，可以实现三维可视化，三维地物的属性查询，路线的飞行浏览，同时借助二维中的空间分析模块的桥梁，实现在三维中的路径分析等功能。

最后，目前的地理信息系统软件具有数据输入、编辑、处理、查询分析、网络分析、输出等全套功能，是开发各种系统的基础与工具，加上三维GIS理念的不断成熟和三维GIS技术的发展，Campus 2D-3D GIS的实现在可行性上可以保证。高速公路2D-3D一体化地理信息系统是在现有的二维地图基础上，而制作的一个公路二维三维一体化地理信息系统，它将三维场景和高速公路设施设备、道路景观、监控信息等有机地结合统一起来，实现高速公路二维视图和三维可视化场景的互响应与互操作，利用高速公路2D-3D一体化地理信息系统用户可以更快速、更准确地定位目标地物、选择最佳路径，实现检索和动态交互管理、高速公路场景的三维可视化漫游、以及二维三维的联动等功能，又可以得到全方位、多视角的信息，为将来进行高速公路应急处理、预案管理以及和航拍数据的一体化高级应用奠定基础。

2．技术特色

● 基于组件的开放式大型3D GIS平台

在系统设计中，从核心到应用开发界面以灵活、扩展功能丰富的组件技术（COM技术）为主。不同于某些主流GIS 平台，只是在应用开发界面上采用了ActiveX技术，本系统将采用COM组件作为系

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统构架技术，这使得系统拥有了较高的开放性和延展性。也正是由于采用了先进的系统构架技术，使得在拥有日趋庞大的功能集的同时，系统也仍然保持高度的稳定性。

● 完整的空间数据描述体系

利用成熟的空间数据模型，能够扩展出矢量地物、曲面模型、粒子系统、洪水节点、气象场节点、水流场、地质体等节点。并且所有的二次开发都可以通过自定义节点的方法加入自己的模型。

● 强大的三维空间数据处理能力

支持包括精确空间建模与实时编辑、支持多人协同制作场景、出色的三维矢量数据处理能力、基于元数据的编辑与更新、丰富的符号素材库、高分辨率图形输出、二三维信息无缝整合在内的强大的三维空间数据处理能力。

● 卓越的三维空间分析能力

系统能够提供基本的三维空间分析能力，具体包括： 量算分析：包括距离量算、面积量算和体积量算；

查询统计分析：能够对三维空间中任意对象的相关属性，包括查询当前地形点参数、查询对象空间信息查询、查询空间关系查询等；

地形分析： 在DEM数据之上进行的三维分析，包括坡度/坡向分析、 土方量分析、地形合并分析、地形平整等；

两点通视计算：计算空间中的两个点是否可见； 剖面观察：对场景进行纵剖面和横剖面观察； ● 海量数据管理能力

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数据管理能力上能够做到与关系数据库的无缝集成、多元多尺度数据无缝集成和海量地形支持。

● 大规模场景可视化支持

支持以下大规模场景可视化功能：高速动态载入、GIS数据的三维自动构建和快速建立大规模三维场景。

● 高度数据共享与互操作支持

无论是二维GIS，还是三维GIS，数据共享与互操作都是十分的重要。GIS用户需要把来自多种数据源、组织和其它格式的数据整合在一起。GIS软件需要专门技术来支持转换或直接访问多种格式的地理数据集。

3．应用前景

系统是基于真实地理数据的大型场景高速公路三维显示，叠加与高速公路相关的各种三维模型，包括：隧道、桥梁，收费站等，建立交通电子沙盘，在其上按照实际桩号直观显示实际安装的设备，点击相应的设备就能调出相应的监控信息，并进行特定的操作，如对主地图进行放大、缩小、移动、指定区域放大、显示快捷菜单；可以查询信息、信息提示、信息汇集功能、信息处理控制、信息发布、信息通信以及打印输出等等。实时利用监控手段，采集数据、分析数据，了解整个高速公路整体的运行状况，并实现与高速隧道诱导管理系统的三维互动及对策生成、辅助决策，并利用车载GPS定位，对指挥、救护车辆进行实时、全局调度，在最短的时间内，科学，合理的处理

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突发事件。

三．研究内容与预期目标

1．研究内容

实现高速公路上重点路段的精细建模，一般路段通过矢量路段表现，以正射影像覆盖全区，综合实现以虚拟现实技术构建完整高速路段；基于三维地理信息系统实现高速公路经济管理、监控告警、路段信息查询检索等功能，实现初步辅助决策。

2．系统预期目标

2.1 总体目标

系统利用数字高速公路理论、集成了三维GIS、RS技术和计算机技术、深入开发和应用空间信息资源，使得系统拥有了强大的开放性和延展性。该系统服务于高速公路建设和管理，监控和告警提示，初步的决策辅助，是可持续发展的信息基础设施和信息系统。

系统以各种比例尺的地形图、地面模型、影像图为依托，建立三维虚拟现实，并加入高速公路各类设施设备采集数据的综合信息，通过直观图形界面、完善的属性数据和成熟的数学分析模型，实现空间基础数据和非空间基础数据的结合，帮助相关人员完成决策，解决在高速公路管理方面的信息化的问题，大大提高办事效率。 2.2拟达到技术指标

① 建立高速公路数字高程模型；

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② 建立重点监控路段的三维景观； ③ 系统具有海量混合数据处理能力； ④ 实现出色的仿真效果与GIS结合； ⑤ 建立完整的空间数据描述体系； ⑥ 三维矢量数据解决方案； ⑦ 具有良好的人机交互功能。

四．设计原则、关键技术、总体设计

1．项目设计原则

依据专业性、适用性、可行性、功能的完备性等设计原则，保证系统具备科学合理的结构框架基础，着力追求先进性和高效性。

2．项目关键技术

系统关键技术有三维可视化技术、数据库技术、3S技术。三维GIS与二维GIS的一个重要不同之处在于它有一个三维对象的视觉表现问题。现在成熟的科学计算可视化技术和3S结合，可以直观地描述真实世界，具备了较为坚实的理论技术基础。在数据库方面，关系数据库已有较成熟的理论技术和广泛的应用，为支持空间数据管理的扩展关系数据库系统和面向对象的空间数据库系统已经被研制出来并商业化。

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3．系统总体设计

系统基于真实地理数据的大型场景高速公路三维显示，叠加与高速公路相关的各种三维模型，包括：隧道、桥梁，收费站等，建立交通电子沙盘，在其上按照实际桩号直观显示实际安装的设备，点击相应的设备就能调出相应的监控信息，并进行特定的操作，如对主地图进行放大、缩小、移动、指定区域放大、显示快捷菜单；可以查询信息、信息提示、信息汇集功能、信息处理控制、信息发布、信息通信以及打印输出等等。实时利用监控手段，采集数据、分析数据，了解整个高速公路整体的运行状况，并实现与高速隧道诱导管理系统的三维互动及对策生成、辅助决策，并利用车载GPS定位，对指挥、救护车辆进行实时、全局调度，在最短的时间内，科学，合理的处理突发事件。

3.1 系统框架图

所有二维空间数据的准备

空间查询与分析 三维可视化显示与二三维互动 系统底层数据（属性数据、二三维互动ID） 三维场景数据的准备

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3.2 功能结构图

放大 缩小 漫游 选择 自由缩放 二维平台 全图显示 恢复刷新 清除 距离量算 面积量算 放大 缩小 自由缩放 平移 选择 地图操作模块 三维平台 绕轴旋转 升降场景自由旋转 恢复 点图查询 目标地物查询与定位 路径查询 三维场景中建筑物属性查询 二维与三维的互相应与互操作 导航与检索系 定位与查询模块 分析功能模块输出模块 最短路径二维动态跟踪模拟 点缓冲区内设施设备查询 二维地图输出 三维地图输出 地图打印

3.3 功能特点：

● 快速浏览及查询：

基于真实坐标的模拟三维地理宏观场景，浏览整个区域各条高速公路的基本情况，如走向、桥梁、收费站、加油站等，查询各个交通

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设施的属性信息，基于三维数字交通电子沙盘，对整个区域的交通设施进行通盘了解；还可加载三维模型。

● 实时监控：

通过安装在隧道以及桥梁、报警点等重要部位的摄像探头，实时了解整个高速公路各区段车的流量，动态监测整个公路、隧道的交通运行状况；

● 疏通堵塞：

对发生交通拥堵区域进行调查和分析，为指挥部门提供第一手现场资料。

● 快速反应，应急指挥：

高速公路应急车辆主要包括交警巡逻车、路政巡逻车、救护车、消防车、清障车，这些车辆隶属不同的管理部门，其指挥调度并非完全统一于高速公路指挥调度中心，如救护车、消防车，则只能通过“120”及“119”，协助诱导路径。这期间，存在一个重要问题就是：最优救援路径的选择。众所周知，高速公路是实行单向通行，中央隔离限制出入的交通流模式，因此，在确定事件位置后，指挥调度中心就面临对应急车辆快速调度从而能第一时间到达现场，为实现这个目的，调度中心则要科学选择应急车辆和告之以最短路径前往。目前，对于大部分省份的交警巡逻车，均安置了GPS定位系统，通过建立巡逻车辆车载群呼台信息与GIS信息平台相结合，当遇到突发事件时，可以GIS信息平台上实时查询到巡逻车辆的位置与运行方向，并能通过无线通信网络或者语音通信与指挥中心和指挥车辆进行信息

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交换。用户能在中心或者指挥调度车上对车辆进行监控，并直观地下达调度指令。结合实时监测数据，与原有数据库存储的数据组织起来，粗略估计地高速公路的拥堵情况或者事故的严重情况，做出抢救伤员、疏散安置人员等最佳路径选择；

● 事故的灾害评估和恢复：

根据事故的严重程度以及营救人员的安排，科学的做出尽量减少伤亡，预防，快速反映，恢复交通的正确决策和有效措施；

当所发生事件为重特大交通事故或危化物品以及恶劣天气时，应急联动系统可快捷地估算事件、灾情、爆炸等造成的破坏区域和影响范围；在GIS电子地图上标出危险区、隔离区和警戒区，给出各区域危害程度和防护要求等信息；对危险区、隔离区和警戒区进行分析，列出区域内相关设备；给出应急网络图，列出应急响应队伍的联系电话、联系人、主要职责等信息；提供电子白板功能，可在事件模拟图上根据具体情况现场布置车辆，并可即时反馈到异地。例如，应急联动系统根据应急事件附近的交通信息采集仪器的数据，如车检器的交通量、车速等信息，以及附近的收费站的出入口信息，结合一定的算法，给出当前事件对交通的影响估计，并在GIS地图上以模拟结果的形式宣示，为决策者处理应急事件提供依据；

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