线路设计是城市轨道交通整个工程设计的“龙头”,涉及范围广、信息量大,把握着项目的总体布局,线路走向与空间位置选择合理与否,将直接影响到工程投资、运营期客流量、运营成本、实施难易、与周边环境和景观的协调等。现有的选线设计方法多是基于地形平面图和调查勘探资料在二维设计环境下进行的平、纵交替设计。在复杂的城市环境中,不易直观地发现各种潜在的冲突,需要内外业反复验证,不仅设计效率低下,且容易造成设计缺陷,难以满足城市轨道交通选线设计工作的要求。基于三维地理信息系统,实现三维地理信息平台代替传统的二维CAD平台,有利于从三维可视角度观察、评价设计效果和进行智能化空间分析,有利于随时进行冲突分析、拆迁预测、环境影响评价和景观影响评价。基于这一思想,本文以“基于GIS的城市轨道交通三维空间选线系统研究”为主题,对其中的所涉及的理论方法和关键技术进行了研究,从建模方法和算法方面提出了一整套方法并予以实现。论文主要研究内容及研究结果如下:系统研究了在3D GIS环境下的海量城市三维场景快速生成、城市轨道交通线路设计、线路三维建模与漫游展示、线路方案优化等相关问题。(1)海量城市三维场景快速生成。针对三维城市场景的特点,系统研究了地上三维城市场景和地下三维管网的数据结构。基于城市轨道交通线路三维快速设计的要求,提出了大范围城市场景快速建模的实现方法,解决了三维建筑物景观建模、三维道路景观建模、三维桥梁景观建模、三维地下管网建模等问题,基于流模式,实现了三维城市场景融合,最终实现了城市三维场景由“数据”到“场景”的快速建模。(2)城市轨道交通线路平面设计子系统研究。针对城市轨道交通线路平面的特点,系统研究了平面线路的数据结构和左、右线坐标及参数计算。按照《地铁设计规范》(GB50157-2013)的相关规定,基于Skyline 3D GIS平台,研发了城市轨道交通线路平面设计子系统,解决了左右线的初步设计、平面线路方案展示和动态调整、断链生成与处理、标签显示以及并行段自动提取等问题,实现了城市轨道交通线路的正线平面快速设计。(3)城市轨道交通线路纵断面设计子系统研究。针对纵断面设计的要求和Windows窗体的特点,系统研究了纵断面设计所需的数据结构,开发完成城市轨道交通线路纵断面设计子系统。解决了屏幕分段设计、纵断面设计方案调整、线路方案分段显示的问题,实现了完全并行等高段信息的自动获取,为之后的线路建模以及线路优化提供了数据基础。(4)城市轨道交通线路三维建模与漫游实现。针对线路三维模型在线路不同部分形式不同的特点,研究了线路在完全并行等高段和非完全并行等高段的桥隧结构特点,建立了全线路三维模型,根据Skyline三维展示平台的漫游特点和算法,完成了基于3DGIS平台的城市轨道交通线路三维漫游方案。(5)针对线路噪声,研究了《Scall03》在城市轨道交通线路优化中的应用方式,提出了与Cadna/A相适应的城市三维场景和线路三维模型DXF输出方法,建立了城市轨道交通线路噪声预测模型,为线路方案的优化提供了解决方案。(6)基于所提出的理论和方法,采用Skyline 3D GIS平台,研制了城市轨道交通三维空间选线系统,并用实例对系统的主要功能进行了测试。验证和测试结果表明,本文提出的建模方法和应用技术是切实可行的。基于本文提出的方法所建立的原型系统,可较容易的开发实用的集3D GIS技术、虚拟现实技术、空间数据库等技术的三维可视化选线系统。