三维遥感铁路工程地质勘察系统研究

2015-03-14高山

铁道勘察 2015年4期

关键词：工程地质勘探铁路

高　山

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063)

Research on 3D Remote Sensing of Railway Engineering Geology Survey System

GAO Shan

三维遥感铁路工程地质勘察系统研究

高山

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063)

Research on 3D Remote Sensing of Railway Engineering Geology Survey System

GAO Shan

摘要工程地质选线和地质调查是山区铁路勘察工作的基础和核心。受现场地形、交通、植被条件影响，存在地质外业劳动强度大、周期长、质量难以控制的现状。基于Google earth数字地球平台，二次开发了三维可视化遥感勘察系统(GERIS)，该系统可以直观展示铁路方案沿线的地形、地貌、岩石景观，并可叠加地质图、遥感图像、线位、勘探点等多源勘察资料，实现了线路方案三维浏览和勘探图件的展示，可辅助地质人员进行宏观区域地质选线、微观地质调查路线设计以及勘探点布置等。可有效提高选线、调查的质量和效率，达到减轻现场劳动强度和节约勘察成本的目的。

关键词铁路勘察工程地质三维遥感影像遥感解译

遥感影像具有开阔的人工调查视野和逼真的地质环境模型，为铁路勘察提供了各种尺度和精度的地物，地形，地质的几何形状、空间位置、目标属性信息[1，2]。特别是通过三维遥感影像可视化模型可以对拟定线路穿越区的地形、地貌、地物、地质条件进行总体的认识和把握，可以准确直观地提取沿线地貌水系、地层岩性、地质构造和不良地质体等要素信息，为铁路整体地质勘察工作提供非常便捷经济的方法和手段。

Google Earth具有全球的的遥感卫星影像库，包括ETM、SPOT、Quickbird、Worldview等卫星影像和地形模型，能够叠加客户端矢量地图和栅格地图，在地形勘测、道路测量、环境调查、地质填图、矿山勘探、工程地质勘察、旅游规划等众多领域得到广泛应用。在工程勘测方面，如刘冬[3]通过Civil3D与Google Earth结合辅助排土场三维设计，谢伟[4]利用Google earth影像修测1∶5万地形图和提取等高线辅助铁路选线，李为乐[5]借助Google earth高分影像解译滇藏铁路林芝-拉萨段线路沿线的滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害，王俊锋[6]利用Google earth三维影像摸索出定量测量岩走向、倾向、倾角的方法，黄海峰[7]在Google earth平台上实现了三峡库区地质灾害点信息集成管理和展示，管振德[8]利用Google earth平台实现了线性工程的多源空间的数据整合和管理。但到目前为止，铁路设计部门还未实现基于Google earth平台开发的铁路工程地质勘察业务系统。

1存在的问题

传统工程地质带状调查的局限性和平面遥感解译技术自身的缺陷，造成遥感地质解译精度难以提高，表现为以下几方面。

①地物空间细节特征不显著：二维遥感影像中地物光谱特性受环境条件影响，往往出现同物异谱、同谱异物和混合像元的现象，难以按光谱特性进行可靠的解译和分类，而这类难以解译的地物特性往往与地面起伏形态密切相关。

②平面解译的不直观：地形、地貌和地质现象均是以三维空间形态方式来表现，由于缺少高程信息，只能以顶视方式观测地质对象，解译时会影响到对地形高差、边坡坡度、断面形态、岩层倾角、斜坡稳定性的准确判断和定量分析。

③多尺度无缝数据处理难以实现：对多来源多尺度的地质、遥感、线路资料的信息集成，平面遥感模型只能进行简单的多图层叠加，而无法实现大尺度的宏观区域地质现象向小尺度的微观地质现象(或相反)变化的平滑过渡。

④动态模拟缺乏：地质现象并不是静止的，而是处在动态的发展之中，受自然现象和人为因素的干扰，产生不均衡的动态变化。不同时相的二维遥感影像虽然可以反映地物变化，但难以引入时间因素进行动态三维模拟和趋势分析。

⑤三维空间表达不足：线路方案的三维展示、遥感影像多视角解译、多源地质资料空间分析，都必须在建立三维景观模型上，二维平面模型对综合地质资料的三维空间表达显得无能为力。

因此，三维遥感铁路工程地质勘察技术的实现，受遥感数据源、工作区地质背景、地理环境、前人研究程度、建模方法、工程地质勘察精度要求等多种因素的影响，针对建立三维遥感地质勘察系统的技术瓶颈问题，进行了要因分析，见表1。

表1　要因确认

2三维遥感地质勘察系统技术路线

三维遥感地质勘察系统技术路线分为以下八个关键步骤。

①资料准备：收集、选取代表性铁路勘察项目的图形资料(线路设计图、地形图、各类专题图、地质图等)、影像资料以及文档报表资料等。既有资料存在格式多样，比例精度不一，应进行分析归类，方便下一步工作。

②数据处理：即对纸质图件进行扫描矢量化，属性赋值；对矢量数据进行格式转化，投影变换，拓扑关系处理等；对遥感影像进行波段组合、校正投影、镶嵌融合、三维可视化建模等操作。

③工程地质遥感解译标志库：不同岩土体及工程地质现象的波谱特征及时空特征在遥感图像上的显示不同。解译过程中，为了确保提取信息的精确性，将常用的典型地物解译信息进行归类入库，描述其不同波谱下的解译原则，这就是解译标志库的主要工作内容。

④遥感信息提取：利用遥感地质解译和三维可视化技术，结合部分野外调查验证，提取研究区工程地质环境背景和不良地质灾害体的分布信息，对区域地质资料进行补充和更新。

⑤数据入库：将以上各阶段获取的工程地质多源信息，利用ENVI、Global Mapper、ArcGIS软件进行海量数据格式转换及切块，在三维遥感铁路工程地质平台下集成入库。

⑥成果表达：对入库后的多源信息根据需要进行组合叠加输出，如可以将地形、地质要素与正射影像同步输出，形成更形象的影像图，供选线和野外调查使用；叠加了地质、线路的三维动画可为选线和工作汇报提供更生动的素材。

⑦综合勘探：指导长大隧道综合勘探，视隧道地形条件、区域地质条件、不良地质分布条件以及交通条件，充分利用三维遥感技术开展面、线、点的地质勘探，合理进行钻探、物探、挖探的方法组合，以及综合勘探网、线、点的布置。

⑧技术归纳总结：对物探资料、工程地质勘察资料以及施工阶段开挖地质资料进行综合分析，对比遥感解译成果，对存在错误、漏判、疑问的地方反复论证，对解译正确的地方进行归纳总结，形成三维遥感铁路工程地质勘察方法体系。

3系统开发

三维遥感工程地质勘察系统(简称GERIS)采用Visual C# 2005、ObjectARX2006、ADO.Net、COM等编程技术，集成了Google Earth和AutoCAD平台，支持Windows 操作系统。GERIS系统建立了AutoCad接口、线路mdb数据库接口、工程地质信息系统接口，实现线路方案三维展示、工程地质资料集成、遥感图像自动解译、目视三维解译、解译标志库、三维漫游等功能。系统包括：界面控制模块、项目管理模块、地形与影像库模块、线路设计模块、遥感解译与勘察数据库模块、空间分析模块、综合展示模块及辅助工具。

技术流程见图1。

图1　GERIS系统技术流程

系统结构见图2。

图2　GERIS系统结构

3.1　基本功能

(1)核心功能

①Google Earth上数字地形和数字影像的自动获取。

②基于Google Earth的线路设计，以及桥、隧、车站参数设置。

③实现点、线、区的手工和批量标注及编辑功能。

④批量输入Autocad，实现Google Earth和Autocad双窗口操作和同步显示。

⑤空间点坐标、坡向、曲线坡长、投影坡长、曲面面积、投影面积的量测，以及岩层及断层的倾向、走向、真倾角和视倾角和出露厚度的三维量测。

⑥综合展示线路方案、地质界线、勘探点、文字、照片、图表、录像等多媒体信息。

(2)辅助功能

投影坐标转换，KML文件导入等功能。

(3)其他功能

栅格图加载，CAD，定位等功能。

3.2　功能模块

(1)项目管理

工程项目名称在表象上是铁路建设项目的名称，在实质上是一个Windows操作系统的文件夹，被用来标识该文件夹中数据所属的铁路建设项目，存储本项目的各种勘测设计数据。因为它是一个文件夹，所以必须符合操作系统文件夹的命名规则。

方案名称是线路设计方案的名称，通过线路方案名来存储和提取设计数据。在Windows操作系统中，方案名称被系统处理成一系列数据库文件名(可能是主名也可能是扩展名)，这些文件存储在工程项目目录下的有关子目录中，在一个工程项目下可以有若干个线路方案。

(2)选择界面形式与比例尺设置

可以选择Google Earth与AutoCAD窗口的不同切分模式，包括“左右切分”、“上下切分”、“只显示GE”、“只显示CAD”四种窗口且切分模式(见图3)。

图3　GERIS选择界面形式

GERIS系统根据选定的比例尺计算Google Earth的相机高度并进行设置(见图4)。

图4　GERIS显示比例尺设置

(3)获取地形高程和影像数据

图5　采集带状Goolge earth影像

(4)线路的定位与显示

为了将设计路线放在Google Earth中的正确位置，需要计算出路线的逐桩坐标。Google Earth中使用的是WGS84大地坐标系，而国内目前使用的有WGS84、北京54或西安80椭球系。系统采用七参数法解算，实现了不同椭球系下的坐标转换，得到了逐桩坐标。应用Google Earth KML图形绘制显示技术，可将线路在Google Earth中绘制表达出来(见图6)。

图6　Goolge Earth线路定位

(5)线路方案综合展示

基于Goolge Earth平台开发的GERIS系统，实现了在Google Earth平台展示单个线路方案的中心线、桥、隧、站、地质、自然保护区等各专业信息和实现多个线路方案的综合对比显示。方案展示内容采用树形方式组织，结构清晰，易于查询。根据线路的特点，线路、桥隧采用不同的方式表达。展示图形生成后，系统根据线位等信息自动生成浏览路径，在浏览时设置成不同的浏览速度、浏览高度和浏览视角，从而使各行业技术人员可以全方位、多角度地审视方案。线路的里程、桥隧、标志标牌、附属物、沿线地质等信息可以通过点击相应的图标来查询，可进一步链接文字、视频、音频、图片等信息(见图7)。

图7　树形组织方式方案展示

(6)叠加地质图

以在Google Earth地球上贴图的方式实时叠加工程项目的地质图件，可设置叠加地图的透明度，实现线位、地形、影像和地质图的混合显示。采用这种方式，遥感解译过程中可以将地质体的影像特征与三维地貌、地质调查资料良好地联系起来，提高地质要素的识别率，同时通过解译来修正、补充地质图，形成工程地质遥感解译图(见图8)。

图8　GERIS叠加区域地质图

(7)GERIS联动CAD

在GERIS中导入平面方案，在CAD新线软件中导入同一方案，进行CAD窗口与GE窗口联动，系统自动获取GE的视图参数，并以此参数向CAD发送ZOOM命令；反之，如果鼠标处于CAD模型窗口，将自动获取CAD视图参数，以该参数设置GE窗口的相机，实现缩放同步(见图9)。

图9　GERIS联动CAD窗口

(8)三维空间分析

模型中非期望产出的处理。在DEA模型的投入产出要素中，地区生产总值为期望产出，碳排放为非期望产出，期望产出越大越好，非期望产出越少越好，违反了方程的一致性，必须进行处理。本文以非期望产出作为投入的方法处理碳排放问题。

可以查询任意点的三维空间坐标值，可以查询线段的距离、坡长、坡率、走向，可以查询几何多边形的周长和面(见图10)。

图10　滑坡体面积测量

(9)隧道纵断面显示

在三维窗口中，可以选取任意隧道中线，按90 m间距提取地面线高程(Google Earth DEM分辨率为90 m)，可同步显示平纵断面的位置、地形坡率、地面高程信息(见图11)。

图11　隧道纵断面展示

(10)岩层(断层)产状测量

倾斜岩层的层面在地表露头线的最高点(山脊上)和最低点(沟谷中)之间的连接线构成的平面称为岩层三角面。断层活动形成断层崖后，受横穿断层崖的河流侵蚀，完整的断层崖被切割成许多三角形的断层崖，称断层三角面，可指示断层面的产状。在岩层(或断层)三角面上，选取不在同一直线的多点(不得少于3个)，采用最小二乘法拟合平面，按构造地质学“V”字形法则求得岩层(或断层)产状(见图12)。

图12　岩层产状地质测量

(11)地质勘察资料管理

GERIS系统中具有铁路勘察地质资料的创建、调用、管理和查询功能，可以直接与工程地质信息库链接，显示勘探数据库信息，也可链接文字、视频、音频、图片等信息。勘探点图标分别有观测点Gc、重要照相点Sy、钻孔Jz、螺钻Lz、静力触探Jc、试坑Sk、探槽Tc、轻型动力触探N10。勘探点的标注可以采用导入勘探数据库和手工上勘探点两种方法，方便地质人员进行勘探点布置、勘探线设计以及勘探资料的查看。

参考文献

[1]卓宝熙，甄春相.遥感技术在铁路工程地质勘察中的应用[J].铁道工程学报，2005(z1):398-406

[2]王润生，熊盛青，聂洪峰，等.遥感地质勘查技术与应用研究[J].地质学报，2011，85(11):1699-1743

[3]刘冬，王伊鸣.Civil 3D与Google Earth在工程方案中的应用[J].信息科技，2012(9):94-95

[4]谢伟.Google Earth等免费数据源在铁路勘测设计中的应用[J].铁道勘察，2009，35(2):16-18

[5]李为乐，陈情，陈哲锋，等.Google Earth三维可视化在滇藏铁路林芝-拉萨段地质选线中的应用[J].遥感应用，2012(1):95-99

[6]王俊锋，白宗亮，田琮，等.Google Earth在地质解译中的应用[J].新疆地质，2014，32(1):136-140

[7]黄海峰，易庆林，易武.基于Google Earth的三峡库区地质灾害专业监测预警信息集成应用[J].安徽农业科学，2010，38(20):10526-10529，10987

[8]管振德，庞贻鸿.Google Earth在线性工程地质灾害调查中的应用[J].人民长江，2012，43(19):45-47，71

中图分类号：U212.22； P237

文献标识码：A

文章编号：1672-7479(2015)04-0032-05