铁路路基地质三维仿真可视化信息系统研究

敬小东，唐 敏，张蓓蓓，程永明

（1.四川建筑职业技术学院 测绘工程系，四川 德阳 618000；2.中国中铁二院集团有限责任公司，

四川 成都 610031；3.河南省遥感测绘院，河南 郑州 450003；4.山西省长治市气象局，山西 长治 046000）

铁路路基地质三维仿真可视化信息系统研究

敬小东1，唐 敏2，张蓓蓓3，程永明4

（1.四川建筑职业技术学院 测绘工程系，四川 德阳 618000；2.中国中铁二院集团有限责任公司，

四川 成都 610031；3.河南省遥感测绘院，河南 郑州 450003；4.山西省长治市气象局，山西 长治 046000）

利用Skyline强大的模型显示功能，结合C#和C++开发模块建立了铁路路基地质三维仿真可视化信息系统。在项目规定时间内完成了地质灾害区域三维精细地理环境构建，实现了地质数据的三维展示、管理，并具备查询、量测和刨切等分析功能，为进一步开展三维设计、分析等奠定了三维框架基础。

Skyline；地质三维仿真；地理环境构建；三维展示；漫游

随着高速铁路的不断发展，列车的运行速度越来越快，发生事故带来的后果和损失将无可估量，对地质的准确勘测等与地质相关的内容都是保证列车运行安全的关键因素。对地质灾害的汇报展示和地质、测绘、环评等数据的管理已成为现行铁路项目的关键内容。地质灾害数据的综合管理对铁路施工、运营管理等方面具有重要作用[1]。

地质数据的可视化研究不仅包括数据的采集、处理及其可视化，而且包括相应工具的研制[2]（这里主要指相应的建模与可视化软件）。朱良峰[3]和焦养泉[4]等认为三维地质信息系统是一个集地表、地上、地下多维动态空间信息于一体的大型综合性空间信息系统。系统数据可分为3类[5]：①表征地上特征的数码景观和遥感影像数据；②表征地表特征的基础地理数据，包括铁路中心线、安保区规划线、居民楼分布图和铁路沿线土地利用现状图等；③表征铁路路基地下特征的地下三维地质数据，包括路基地质结构、各种地质灾害的预测评价和防治信息等。

1 系统的模块结构

系统模块结构见图1。系统总体分为两个模块，分别采用C#和C++语言编写，使得系统既可兼容以C#语言为基础的软件功能（如Skyline软件开发包，提供了一些常规的GIS软件功能模块，如量测、土方量计算等功能），满足C#程序员的开发需求；又可兼容以C++语言为基础的软件开发功能，如三维场景显示、交互模块、三维场景的管理模块等。C#和C++语言通过接口转换器进行数据交换。

在C#模块中，基于Skyline软件开发包开发了一 系列常规GIS功能模块，满足了用户大部分的GIS量测，GIS分析和管理需求。数据提取模块作为中间过渡功能，既可从Skyline提取所需数据，也可从C++模块中提取数据，最终将这些数据传到C#界面层中进行显示。C#界面层是完全独立于功能层的一层，该层主要为用户提供更加友好和方便的界面，以及输入、输出操作功能，收集用户的消息（如鼠标消息、键盘消息），并将这些消息传递到下层处理。

图1 系统的模块结构图

在C++模块中，主要处理地质灾害的业务逻辑，其中建模模块、交互模块和管理模块是基于Ogre开发的；而切割模块则是从建模模块中得到切割数据，从CGAL中得到算法支持，最后将计算的结果通过转换接口传递到界面层显示。

2 二三维GIS环境的构建

利用显示功能强大的Skyline软件作为系统的基础平台，搭建了二三维平台环境。二维模块采用航空摄影影像数据经正射处理后得到的DOM全景影像，载入Skyline平台，作为二维模式地质信息展示及相关分析的基础地理环境。地表以上三维模块采用3DMax三维建模技术构建铁路沿线各种地物三维模型，并根据坐标信息准确载入二维平台中进行显示，最终构成一个三维模式的地质信息展示及相关分析的基础地理环境。

二维地理场景和三维地理场景各有优势（图2），二维地理场景的制作更便宜、效率更高，三维地理场景具有更好的可视化效果，地表建筑物等信息一目了然，可根据项目需求进行选取。

图2 二三维GIS环境的搭建

3 功能模块设计

系统不仅能对地下的地质结构进行三维显示和分析，而且能对地表以上地物进行GIS功能分析和应用，是对地质三维可视化系统的重要补充。由于篇幅的限制，本文主要介绍断面分析功能的实现流程。

断面分析能帮助用户分析地形的起伏变化。在断面分析工具中，用户可在三维虚拟地形中通过鼠标拖拽的方式拉一条直线，根据设定的高度生成一个与地面垂直且经过该直线的断面；并将断面输出到系统的断面分析窗口中，用户通过鼠标就能获取断面线任意一点的位置信息、高程信息等，也可以施工图的形式输出给用户。其流程图如图3所示。

图3 断面分析功能流程图

基于Skyline平台，结合C#开发的断面分析功能包括：断面分析工具、鼠标拖动并显示辅助线、显示断面分析窗口、结合CAD出图等。以上功能可有针对性地对地质三维可视化进行分析与展示，并可根据设计者要求出CAD图，界面相对Skyline更简洁方便，更适合地勘专业设计人员使用；同时由于接入了Skyline的显示和操作功能，因此具有专业性、方便性和显示效果好等优点。该功能可显示某一段路基附近地形剖面特征，通过记录鼠标点击、拖动以及松开等事件了解操作者需要了解哪一段断面的剖面特征，图 4中的文本框显示了黄色辅助线处路基附近地形的剖面图。

图4 断面分析功能

除了断面分析功能，还可以进行坡度坡向分析、水平距离量测、垂直距离量测、面积量测等（图5），由于篇幅限制，本文不再一一列举。

图5 各种量测功能示例

4 三维地质建模及可视化

4.1 地层建模

三维地层建模能够指导实际的地质分析，具有相当大的实用价值[6]。利用钻孔柱状图对地层进行建模，并为每层数据赋予属性，以便地质专家更好地对地层进行分析和研究。对每层进行建模，并通过可视化手段对不同地层贴上不同的纹理，使地质体的地层分界线更加明显，模型更加逼真。作为地质解释成果的一种新方法，三维地层建模更能满足工程设计、施工和管理的需要。

地层模型是通过地表网格和钻孔数据联合拟合而成的，用户导入地表数据和钻孔数据后系统会自动生成地层数据，地层模型可根据地层分层显示，可通过管理模块显示或隐藏某个地层模型，也可通过漫游模块浏览整个地层或某个地层模型。

4.2 钻孔建模

钻孔数据的记录和表达主要通过钻孔柱状图实现[7]。钻孔柱状图虽然能详细记录钻孔的属性信息，但也存在一些不足。它不能表现钻孔整体的分布情况，且对一些重要属性的表达不够直观。在三维环境中，通过对某些区域内的所有钻孔进行建模，能够展现钻孔的整体分布情况，也可查询钻孔所穿透的地层信息。

该模型能够通过用户提供的数据迅速创建三维钻孔数据，并将钻孔数据显示到三维平台中；可通过管理模块显示或隐藏钻孔；可查询到钻孔穿透的地层信息，并将信息显示到系统提供的窗口中；也可将钻孔数据以施工图的形式输出给用户。

4.3 切割面和切割体建模

任意拉框对三维地质体模型作任意方向的切割时，均需计算切割面。框平面在切割时与三维地质体模型有一个相交的平面，即为切割面。在切割过程中，除了生成切割面模型，也生成了切割体模型，切割体模型是地层的一部分。切割面和切割体模型可通过管理模块控制其显示和隐藏，也可通过鼠标点击查询切割面上的地层属性信息，还可根据地层对切割体分层显示。

4.4 地质模型分层可视化

首先通过地层建模模块建立地层模型，并显示到三维平台中，然后通过地层管理模块进行管理。地层管理模块包括地层的显示和隐藏，地层属性信息的查询等功能，可让用户更加方便快捷地浏览任意地层的起伏变化，也可查询任意地层的属性信息等。图6中对话框为查询的信息内容。

图6 钻孔或地层信息查询界面

三维地层模型合在一起很难选定并查询，因此系统专门开发了各地层模型的剥离工具，可把某一个地层剥离出来以观看其下发的地质模型，或把所有的地层模型都剥离开，方便选定和准确了解地质信息（图7）。

图7 地层剥离工具

漫游功能一直是可视化中不可缺少的一部分[8-10]，系统不仅需要显示各地层模型和信息，还要实现地层内的漫游功能。设定摄像机的初始位置时，可人性化地输入高程数据调整摄像机的高度，使它从地层中穿过，让使用者有身临其境的感觉，直观地看到地层中钻孔、地层特点等信息，如图8所示。

图8 地层内漫游界面

5 结 语

本文利用基础测绘数据和地质数据快速搭建了铁路沿线周围的虚拟地理环境，为研究该区域地质灾害提供了更加直观的地质资料，以及测量工具、断面分析工具、地质刨切工具、管理工具和三维显示漫游等相关辅助设计工具；协助地质专家开展了地质灾害调查、监测和评估等工作，为铁路项目的线路设计、安全施工和运营维护等提供了一定的借鉴。同时，本文所建系统还有一些不足之处，如建立的模型虽都有准确信息查询模块，但直观上的大小与实际尺寸还有一定差距，地质数据和测绘数据的融合还需更进一步的研究。

[1]翁正平.复杂地质体三维模型快速构建及更新技术研究[D].北京:中国地质大学,2013

[2]周杰文.三维城市地质信息可视化研究[D].上海:华东师范大学,2006

[3]朱良峰,吴信才,刘修国.城市三维地质信息系统初探[J].地理与地理信息科学,2004,20(5):36-40

[4]焦养泉,朱培民,雷新荣,等.地学空间信息可视化技术应用研究[J].地质科技情报,2005,24(1):1-6

[5]De Kemp E A. 3D Visualization of Structural Field Data: Examples from the Archean Caopatina Formation, Abitibi Greenstone Belt[J]. Computers & Geosciences,2000,26(5):509-530

[6]Pinto V, Font X, Salgot M, et al. Using 3D Structures and Their Virtual Representation as a Tool for Restoring Opencast Mines and Quarries[J]. Engineering Geology,2002,63(1):121-129

[7]Pfeifer N. A Subdivision Algorithm for Smooth 3D Terrain Models[J]. Isprs Journal of Photogrammetry & Remote Sensing,2005,59(3):115-127

[8]Egan S S, Kane S, Buddin T S, et al. Computer Modeling and Visualization of the Structural Deformation Caused by Movement Along Geological Faults[J]. Computers & Geosciences,1999,25(3):283-297

[9]Bain K A,Giles J R A. A Standard Model for Storage of Geological Map Data[J]. Computers & Geosciences,1997,23(6):613-620

[10]王道平.基于GIS的地质灾害信息管理系统的设计与规划[D].长沙:中南大学,2004

P208

B

1672-4623（2017）07-0079-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.07.024

敬小东，硕士研究生，讲师，主要从事3S技术应用与开发、测绘工程教学等工作。

2015-11-06。

项目来源：四川省教育厅自然科学资助项目（15ZB0453）。