Global Mapper在新建铁路前期选线中的应用

王俊冬

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

传统意义上的新建铁路选线方式有纸上定线和机助CAD定线两种，这两种方式只能在二维地形图上显示出线路的走向，线路纵断面只可显示出该方案走向上的局部地形起伏情况，而难以在宏观上直观显示线路所在整个研究区域的地形变化。此外，在新建铁路项目前期研究过程中，经常出现因缺乏研究区域内1∶5万及以上比例尺地形图而阻碍项目进展的情况，这在中国西部边远地区项目及非洲、南美等海外铁路项目的预可研阶段尤为突出。

目前，在新建铁路的三维数字化选线方面，行业内使用较多、且技术较为先进的是基于Googlearth和CAD二次开发的数字化选线软件，但这种选线方式局限在只能逐个对方案沿特定线路方向上提取高程数据，难以一次性、大范围、高效率的建立整个研究区域内的数字高程模型(DEM)。

Global Mapper(以下简称“GM”)软件具备三维地形可视化和海量数据快速处理两大优势，不仅可以大范围、多视角的显示出线路方案所在区域内的三维地形，还可以利用研究区域内的卫星数据，快速创建相应数字高程模型，为方案的深入研究提供了基础高程数据支持，极大地方便了新建铁路项目的前期选线。此外，GM具有强大的数据兼容性，可以输入和输出多种格式的数据，若将其与其他软件集成开发或结合使用，则在铁路勘察设计领域将更具应用价值。

1 GM软件简介

Global Mapper是由美国研发的一款基于全球高程数据的地图绘制软件。不仅能够将卫星数据(例如:SRTM数据)显示为光栅地图、高程地图、矢量地图;还可以对地图作编辑、转换，打印各类地图图形文件，记录GPS及利用其数据的GIS;可以直接访问USGS(美国地质勘探局)卫星照片TerraServer数据库，免费下载WMS数据源(包括全球高程数据和彩色影像图等)，并有以真实的3D方式查看高程地图的功能;可以转换数据集的投影方式以符合具体项目的坐标系统;可以同时对研究区域的范围进行羽化、裁剪、3D地图显示等操作;还可以实现距离、面积计算、视线计算、光栅混合、海拔高度查询、图像校正等高级功能［1］。GM软件突出的兼容性和可操作性使得其在海洋勘探、石油物探、公路铁路选线等领域得到广泛应用。

2 GM在新建铁路前期选线中的应用

2.1 建立研究区域内的数字高程模型(DEM)

铁路选线的核心工作是平面“定线”设计和纵向“拉坡”设计，研究区域内DEM的建立可以实现设计线路地面线的实时更新，为线路纵断面设计提供了极大便利，在数字化选线过程中尤为重要。GM软件是一款能够利用全球SRTM高程数据(可免费下载)生成DEM的软件，它在海量数据的处理和分析上速度快、效率高，在铁路前期方案研究过程缺少地形图的情况下，大范围建立研究区域内的面状DEM等方面具有明显的优越性。

(1)基础数据的获取

美国国防部国家测绘局同美国国家宇航局联合于2000年2月发射“奋进号”航天飞机，执行“航天飞机雷达地形测绘飞行任务”即(The shuttle radar topography mission，SRTM)，SRTM所获取的数据覆盖了北纬60°到南纬56°之间的全部地球表面［2］。GM获取高程数据的主要途径是在线免费下载研究区域所在范围内的SRTM高程数据，GM对于存取在载体中的数据无需解压即可读取，并且可以进行批处理。

(2)投影面基准设置

SRTM数据格式是基于WGS84基准的经纬度平面坐标，因此需要将数据的椭球基准和投影方式转化为项目所需的格式，如北京54坐标基准、西安80坐标基准。用户既可以从GM提供的300多种大地坐标系和100多种投影方式选择［3］，也可以通过外部文件加载基准和投影方式。

(3)根据研究区域边界坐标生成等高线

在等高线边界选项中输入研究区域的西南角坐标和东北角坐标值，在等高线产生选项菜单中设置等高距、简化等特征，最后生成平滑形等高线。

(4)输出DWG文件

将研究区域的矢量化等高线按DWG格式输出、保存，以便建立DEM。图1所示为GM输出的部分等高线矢量数据。

(5)建立DEM

应用铁路相关专业软件(如VizRail、RLCAD等)，针对等高线矢量化数据，生成专业软件所兼容的DEM数据。

GM建立DEM的技术流程如图2所示。

2.2 三维地形可视化选线及其应用

利用小比例尺地形图进行纸上定线时，地形图上的等高线只能反映局部区域内的地形地势变化情况，而难以在宏观上清晰地反映出整个研究区域的三维地形变化。GM具有这方面的显著优势，它可以对SRTM地形数据进行快速处理和分析，大范围输出各种格式的栅格图像，并以三维方式显示出区域真实的地形变化。在新建铁路项目的方案研究初期，可为线路的宏观走向比选和线路方案展示提供有利条件。具体而言，GM的三维地形可视化应用有以下几个方面。

(1)线路宏观方案比选与展示

在GM中按研究区域边界坐标输出光栅图像文件，将其按西北和东南两个角点坐标对齐到CAD中。参考线路周边的真实三维地形，利用常规选线软件即可实现对线位的实时、动态优化。

图3是蒙西至华中煤运通道岳阳至吉安段的三维地形，图中将区域内地名和各个方案线位叠加到三维地形图上。从图中可以直观地看出每个方案走向上的地形变化情况。同时，在越岭和跨河地段，也可判别桥位和隧道洞口设置的合理性。

(2)3D多视角方案浏览

直接在GM中同时打开各方案的DWG格式文件和研究区域的SRTM数据文件，利用GM中的3D视图浏览功能可以从任何角度浏览不同方案在研究区域内的位置，在3D视角下判断各方案的合理性。

图1 矢量化等高线

图2 GM建立DEM的技术流程

图3 研究区域宏观走向方案三维可视化比选

(3)局部方案三维可视化比选

对于越岭与跨河地段的方案展示和比选，可将各方案的实体线条叠加在GM三维栅格地形图像上，为隧道洞口及跨河桥位的选择提供直观、真实的三维效果，极大方便了局部方案的直观显示和比选。图4是蒙西至华中煤运通道平江至万载段福寿山隧道的两个越岭方案比选，将两方案线位叠加到三维地形上后，可以清晰直观地看出，两个隧道的长度、洞口的位置及地形情况，显然，西方案隧道两端埋深较浅，洞口位置地形较为破碎，洞口设置条件较东方案差，隧道长度也较东方案长，因此，东侧隧道方案优于西侧隧道方案。

2.3 其他方面的应用

(1)创建可视化三维地形图

GM是一款专业绘图软件，不仅可以利用SRTM数据生成等高线，还可以将等高线、房屋边界、道路等地形地貌信息覆盖到三维地形上［4］，形成信息量丰富的三维地形图文件。

(2)创建局部大比例尺地形图

在铁路勘察设计过程中，可以利用外业测量数据创建局部大比例尺三维地形图，即将外业测量的数据按(序号，X，Y，H)格式保存为TXT格式文件，在GM中以通用ASCII文本文件格式打开，生成点数据后另存矢量数据为Lidae LAS文件，生成以las为扩展名的文件;再次在GM中打开，进行创建面、生成等高线等操作，以生成局部大比例尺三维地形图［5］。

此外，GM在铁路项目选线过程中还有图像矫正、测绘数据转换、生成地形剖面图等方面的应用。

3 结论与展望

3.1 结论

综上，GM在大范围快速创建面状DEM、三维地形可视化显示，以及创建三维地形图等方面优势明显，在新建铁路项目前期的方案研究过程中，具有广泛的应用价值。

3.2 存在的问题及展望

目前，国内能够免费下载的SRTM3文件中，高程数据的分辨率仅为90 m，对于预可研以后的设计阶段此精度显然不足，这也成为GM在铁路项目后期方案研究应用上的一大瓶颈。

图4 越岭方案三维可视化比选

随着测绘科学技术的发展，在铁路勘察设计领域，外业工作内业化、图像显示效果多元化已成为新的发展趋势。GM软件如何与GE、Arc-GIS、MapGIS等软件结合使用，或进行二次开发，如何充分利用不同类型的卫星影像数据，快速生成高精度、实时显示的三维地形，并创建高精度、不同格式的DEM数据是今后重点的研究方向。

［1］http://baike．baidu．com/view/1420121．htm

［2］左美蓉．SRTM高程数据及其应用研究［D］．长沙:中南大学，2009:1－2

［3］李 红兵，喻威，等．Global Mapper参与测绘数据的管理［C］∥中国测绘学会海测绘专业委员会第二十一届海洋测绘综台性学术研讨会论文集．北京:2009

［4］田 茂义，刘如飞．基于ArcGIS和Global Mapper软件的三维地形可视化技术的应用［J］．全球定位系统，2011，36(2)

［5］风 侠．Global Mapper教程．［OL］h ttp://www．godeyes．cn/godnews105/index．aspx．2010－10－25