铁路线路工程地质BIM三维建模方法探究

张 钰， 陆 洋， 杨 壮， 黄 云

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430031； 2. 西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031 )

线路是构造物的中心线，选线的任务是确定线路的基本走向和主要技术标准、合理地设计线路的空间位置、与其他专业一起合理地布置构筑物。铁路选线的本质是一个多目标决策过程，这个过程的基础是线路经过区域的资源分部和自然条件，目标影响因素是技术标准、经济可行性、地形地质条件、环境影响、政治、国防等等。在选线过程中，地形和地质环境是直接影响线路走向的关键因素，由于传统的等高线不能直观地反映实际复杂的地形地质情况，所以在2.5维等高线上进行选线并不能很好的对地形地质环境有一个直观的感受，特别是对于不良地质区域还需要通过传统的工程地质勘察报告、地形图、工程钻孔柱状图、部分线路的钻孔剖面图等加以辅助才能分析出来。这种方法对于动辄几百公里且地质情况复杂的铁路工程来说，己不能满足我国高速建设的铁路设计中对于地质选线、景观选线、环境选线的要求[1]。

1 三维地质建模研究现状分析

1.1 国内外相关研究

对于三维地质建模的研究国外很早就已经开展，西方国家早在20世纪50年代就将三维地质建模应用于矿业和地质领域并取得了一些成就，近些年发展迅速，已经形成了相当的规模并投入到了市场应用中。

1988年法国教授J.L.Mal let基于AutodeskCAD设计出了GOCAD系统，它可以辅助三维地质对象设计；加拿大阿波罗科技集团公司推出了Micro Lynx系统，它的原理是通过对地质曲面进行离散点采样、钻孔等方式获取空间内部地质条件信息，再利用该系统进行地质体的三维插值模拟；此后，加拿大Gemcom Software International Inc.公司研发出Gemcom三维地质设计系统，该系统在Micro Lynx系统的基础之上，以三角网建模方法建立出地形曲面和实体模型，运用多义线圈封闭岩层及矿体进行储量分析，并且设计出交互操作的性能，可以让工程师根据自己的实际工程经验和专家知识库结合现场地质资料勾画出地质模型，并且可以对地质实体进行任意角度和任意截面的剖析进行观察和分析[2]。

我国对于三维地质建模的研究比较晚，近几十年来计算机的迅猛发展让地质学和计算机逐渐结合起来。但是由于受到硬件条件和人才培养的客观限制，目前我国大多数地质类相关系统和软件还停留在二维设计上，选线工程师从二维设计方面结合地质资料，对相应区域的地质条件进行分析，这些系统缺少三维可视化的功能，无法进行三维地质的查询以及更深层次的探究[2]。

1.2 配准度分析

铁路线路的特点是长大带状和海量数据，一条铁路线路长度一般可达几百甚至上千公里，这其中用来进行三维建模的地形地质数据量非常大，称之为海量数据。国外三维地质建模方法主要是瞄准采矿工程，一般情况是面状区域，且相比铁路工程来说数据量小，这些建模方法能够较好地适用于采矿工程中，对矿体进行多方位的探测分析和研究，对于长大带状的铁路线路工程来说适用性并不高。而且上述介绍的三维地质建模系统也多是利用现场的钻孔采样，获取地质勘察报告、钻孔柱状图等地质资料后利用曲面插值的方法建立三维地质模型，这些建模方法仍离不开传统的勘探方法，并不是真三维的地质模型建立，对于长达几百公里的铁路工程来说，也将会消耗大量的人力物力和财力。国内的三维地质系统不多，虽然有一些建模系统，但是主要功能集中在对小面积地质体的三维建模从而达到对它们的构造显示，与实际的工程应用相结合较少。

综上分析，目前国内外的三维地质建模系统对铁路线路工程的配准度和适用性不高，主要原因有以下几点：(1)铁路线路工程有长大带状和海量数据的特点。(2)建立真三维的工程地质虚拟环境模型才能为后期的三维可视化选线打好基础。

2 铁路数字化选线系统

铁路数字化选线系统是由西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室开发[1-6]的真三维大场景地质环境建模平台，它的研发运用了目前最先进的虚拟现实技术、空间信息技术、现代测绘技术和计算机仿真技术。系统的数据源来自于航测信息以及网络免费地理信息等空间信息，该系统具有信息的识别、处理、表达、人机交互式操作等一系列功能，适用范围广，可用于铁路项目的前期规划、初步设计和施工图设计、建设施工和运营管理的全生命周期。此外，西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室还将铁路线路构造物进行建模和BIM化，研发了虚拟环境下的三维实体选线，实现了“所选即所见”，完善了铁路数字化选线理论与方法，在平台提供的真三维地质环境场景中可进行地质选线、环境选线和景观选线[1]。

虚拟地质环境建模平台可以基于航测或者网络地理信息服务提供的数据源进行地形信息的识别、处理、分析和三维可视化表达。将获取到的高程数据、影像资料在该系统中进行处理后得到虚拟地形环境模型，再将遥感解译到的不良地质区域和虚拟地形环境进行匹配叠加，可在铁路数字化选线系统中建立真三维可视化的地质模型。

3 基于铁路数字化选线系统的三维地形环境建模

3.1 高程数据的获取

在铁路数字化选线系统中采用的SRTM3 DEM(Shuttle Radar Topography Mission，航天飞机雷达地形测绘任务)高程数据是主要由NASA(美国航空航天局)、NIMA(美国国家图像测绘局)以及德国与意大利航空航天机构完成的测量全球范围内主要陆地的高程数据。该数据按照经纬网格划分，每个经纬度方格大小为5°×5°，每个网格数据作为单独一个TIF文件采用16位的整形数据表示高程数值，其中-32 767表示无效值。SRTM数据根据分辨率分为1"和3"两个版本，分别称为SRTM1(或30 m)和SRTM3(90 m)，目前，网络可提供SRTM3的免费下载服务。下载指定区域的SRTM高程数据可用于建立虚拟地形环境模型的基础数据。

3.2 影像资料的获取

进行三维可视化实体选线的基础是建立起一个真三维的虚拟地形环境，这个环境的建立需要获取高分辨率的影像资料和高精度的高程数据，目前常用的方法是通过航测获取影像以及从网络获取免费影像资源。

常用的网络免费影像资源主要有Yahoo地图、Google Maps以及百度地图等卫星影像。Google Maps提供的影像资源相对丰富并且分辨率相对其他WMS影像的分辨率要高，选取Google Maps影像作为研究的数据来源[6]。参考西南交通大学有关学者[1-5]的研究，Google Maps影像和SRTM3 DEM高程数据可以很好的配准，其精度和分辨率在设计工作中都能够满足要求。

下载好的指定区域影像经过重投影(UTM)，结合前面获得的高程数据在铁路数字化选线系统中进行建模，得到该区域的虚拟地形环境模型。

4 基于铁路数字化选线系统的三维地质环境建模

数字地质信息即地质条件信息的数字化表达，遥感图像解译判释可获取铁路工程沿线地貌、地质构造、不良地质、地层(岩性)、水文地质等信息。遥感图像解译判释还可以对铁路勘测中常见的不良地质现象如崩塌、滑坡、岩溶、岩堆、沙丘、沼泽、泥石流、河岸冲刷等的影响范围、分布规律、类别、发展趋势、产生原因、危害程度等加以确定。遥感解译是获取数字化地质信息的先进可靠技术。

目前常用的遥感软件有Erdasimage、Er Mapper、Envi、Pci等，它们都有相应的功能实现地质条件的信息提取。如Erdas Image遥感软件，它可以用AOI(area of interest)工程提取地质对象的物理和几何信息，再利用影像裁剪功能(Image Crisp)对AOI范围内的影响进行提取，即完成了对指定范围的解译工作。

前面介绍的三维地形模型是基于不规则三角网(TIN)建立的表面模型。将地质对象的遥感解译信息精确定位到三维地形模型上，并且将解译出的图像在数字化选线系统中叠加到虚拟地形环境模型上，完成不良地质对象和地形环境的融合，实现真三维地质模型的建立。

5 结束语

地质条件的探明是选线的基础性工作，利用铁路数字化选线系统建立铁路工程地质虚拟环境的模型，不仅实现了地形和地质的真三维表达，更为三维可视化选线提供了明晰的地质资料，适合于长大带状和海量数据的铁路线路工程。