基于“3S”集成技术的铁路调查新方法研究

2020-05-18巴志伟魏宝华

铁道建筑技术 2020年1期

郭靖巴志伟魏宝华

（中铁第五勘察设计院集团有限公司北京 102600）

1 概述

随着铁路建设步伐的加快，高速铁路逐渐向西南部大山深处推进，川藏、滇藏等高原区、高山峡谷区铁路项目陆续启动，高寒、缺氧、无人区等恶劣的自然条件，高海拔、大高差、深切峡谷等险峻的地形条件以及地热、冻土、斜坡失稳、构造断裂等复杂的地质条件将是这些区域所面临的调查难题。采用传统的调查方法，既要面临高寒、缺氧环境，还要克服巨大的地形高差，效率低、风险高，且局部艰险地段无法直接到达工作面，野外地质调查难度大，精度难以满足要求，为设计工作带来很多困难。

“3S”技术是遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）的统称，是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术[1-2]。近年来随着“3S”技术的不断发展，以“RS”、“GIS”、“GPS”为基础，将“3S”技术有机集成为一体，从而实现对环境信息和空间信息的收集、处理与更新。“3S”系统中，GIS相当于中枢系统，RS相当于传感器，GPS相当于定位器[3]，三者结合使用，在军事、民用、农业[4]、医药[5]、商业等诸多领域应用广泛。

铁四院江俊伟及铁一院罗锋等都曾介绍“3S”技术在铁路勘察设计中的应用及前景[6-7]，江俊伟指出:大力推广“3S”技术在铁路勘察设计中的普及应用，提高铁路勘察水平，对于促进我国铁路事业进步具有重要意义。如果能在铁路调查过程中充分发挥“3S”技术的优势，势必能提高调查效率和精度，突破复杂艰险山区调查过程中遇到的各类难题。

在众多具有“3S”集成技术的数字化软件、新型移动终端设备当中，以奥维互动地图和无人机的应用较为广泛。本文主要研究以奥维互动地图和无人机为辅助工具的铁路调查新方法，为其他工程提供新的思路。

2 奥维互动地图的特点及优势

奥维互动地图是元生华网软件公司开发的基于Google API和Sogou API的跨平台地图浏览器[8]，可调用多种图源，集语音导航、记录轨迹、指南针等多功能于一体，同时具备强大的影像下载、图形绘制、图像处理、矢量数据生成转换及导入导出等功能，具有手机、平板电脑等智能移动终端App[9]。

2.1 遥感图像多源

奥维互动地图支持包括谷歌系列、中国资源卫星系列、百度、腾讯、高德、bing、城市三维、天地图在内的几十种图源，还可以通过自定义地图功能添加铁路沿线的无人机航拍遥感图片，以及沿线的区域地质图、综合水文图、矿区地灾图等专业图件，还支持高程叠加、地图之间相互透明叠加、历史图像对比等功能，见图1。

图1 八渡滑坡多模式叠加图

2.2 支持多格式数据

奥维互动地图支持多格式矢量数据导入。CAD中的DXF数据可以直接拖拽导入，可以通过Arc-GIS、Global Mapper等软件将shp、JPG、TIFF等格式文件转换为kml文件，拖拽导入，另外在专业网站上下载的行政、道路地理、山峰水系等多种专业地标资源文件均可以直接导入奥维中。

通过奥维还可以导出kml、gpx、plt、dxf、txt、csv、shp等多格式文件，可以实现与Google地球、CAD、Excel、ArcGIS等软件的数据互通。

2.3 突破专业GPS限制

在奥维平台中，可以加载基于GPS的具有三维地理信息的遥感图像，可实现3D模式、按比例夸张地形等裸眼可视化三维图像，大大增加了可读性和判释效果。

奥维互动地图可以搭载在手机、平板电脑等新型智能移动终端上，方便灵活；可支持GPS和无线蜂窝网络共同定位，精度更高；可支持任意定点导航、轨迹记录、同伴实时位置共享，方便实用；支持一键收藏当前位置，还可以对收藏的定位标签进行测量、记录、录音、拍照等操作，且支持分类型进行保存。

2.4 其他

奥维平台具备点线面编辑、分析、成图功能，设计有方便实用的文件管理功能，附件管理功能，通讯功能，共享云功能等。

3 无人机系统的特点及优势

调查中使用的无人机系统可称为低空无人机遥感系统（UAVRS），主要由飞行器、图像传输系统、数据采集系统、相机、地面控制系统、数据处理软件等部分组成。无人机遥感系统具有系统集成性强，成本相对低，分辨率高、处理速度快、机动灵活及安全可靠等特点。无人机按飞行原理可分为固定翼无人机和多旋翼无人机。其中固定翼无人机飞行稳定，巡航时间长，距离远，多旋翼无人机飞行时间短，但飞行姿态多，更加灵活，可进行倾斜摄影[10]。

3.1 按需实时采集RS遥感图像

可以根据需要查明对象的特性选取所搭载相机的类型，实时调整飞行姿态、飞行高度及范围等，所获取的遥感图像清晰度更高，对工程分析更有针对性。

3.2 精准的导航定位系统

无人机的飞行控制系统主要有定位、定向和定姿等部分组成，可以为飞机提供精确的方向基准和位置坐标，同时实时根据姿态信息对飞机飞行状态进行预测。导航系统可分为惯性导航、卫星导航、多普勒导航、地形辅助导航以及地磁导航等，实际选择过程中可根据气象、地形地质等条件综合确定。选择适合的导航定位系统后，则可以控制无人机沿给定航线进行平稳的轨迹飞行拍摄。

3.3 强大的集成GIS软件

通过无人机采集的带有三维坐标信息的遥感图像通过配套的集成GIS软件进行数据拼接、几何校正以及三维模拟等处理，从而获取地质体各类信息，进而实现对地质体全面判别分析的目的。

4 基于“3S”集成技术调查新方法的流程体系

基于“3S”集成技术调查新方法流程见图2。

图2是根据西南山区多条铁路的应用实践，总结出了基于“3S”集成技术调查新方法的流程。具体流程为:走向方案比选阶段，在收集资料的基础上，通过奥维互动地图PC端进行室内初判，根据初判结果采用奥维现场验证+重点段落无人机低空遥感数据采集+代表性综合勘探的组合方法，查明重大不良地质体的分布范围，综合分析得出走向方案地质比选结论。

图2 基于“3S”集成技术调查新方法的流程

对局部控制性工点的比选方案首先用无人机进行高精度低空遥感数据采集，然后在三维数据建模基础上进行综合分析研判，代表性进行奥维验证及综合勘探验证等，综合各项成果分析评价控制性工点的地质条件，得出控制性工点地质比选结论。

5 南昆线百威段扩能应用实例

南昆铁路百威段跨越百色盆地、黔桂山地、云贵高原三大地貌单元，地形地质条件复杂，受地质控制的因素较多，如采用传统地质调查手段完成调查任务将耗费大量人力物力，结合本单位项目繁多、人手紧缺的实际情况，亟待提高工作效率。勘察期间通过广泛调研，结合实际情况，采用基于“3S”集成技术调查新方法圆满完成了调查任务。具体流程如下。

5.1 基础数据处理

首先对基础数据进行收集整理，主要包括方案线位、矿区地灾范围、地质图件等，然后通过Arc-GIS、GM等辅助软件将基础数据导入奥维互动地图平台PC端中，分类存储，见图3。

图3 百威线基础数据分类整理

5.2 室内解译初判

基础数据导入奥维PC端后，进行室内初步解译。利用奥维互动地图的地图叠加、3D视角、地形夸张拉伸等功能，结合基础数据对沿线地形地貌、地质条件等进行综合分析，用奥维中的点线面编辑功能划分影响线路方案的不良地质段落，初步评价各方案的综合地质条件。

5.3 制定外业验证计划

根据初步解译成果，分类别整理成奥维标点和轨迹，结合地形交通条件制定代表性验证计划，并把验证计划的点位上传至云端，外业调查人员从云端下载并导入智能移动终端。

5.4 外业数据采集验证

外业调查人员携带移动终端利用奥维的定点导航功能导至验证点位，利用标签记录、拍照、录音以及画线、测距、产状量测等功能进行现场数据采集。对于无法直接接触的陡峻地形以及卫星遥感图源不清晰的区块，通过携带的无人机系统进行数据采集工作。

5.5 修正初判结果、布置勘探任务

首先对基础数据进行收集整理，主要包括方案线位、矿区地灾范围将外业采集的各类数据导入PC端进一步处理，结合采集的数据修正初判结果。对于通过解译调查无法确定的地段，布置验证性物探、钻探、挖探等手段进一步验证地质条件。

5.6 勘探定点

将布置的勘探点线上传至云端，各勘探组从云端领取勘探任务开展勘探取样化验工作。

5.7 分析各项成果综合评价地质条件

根据初步解译成果、外业验证调查成果、综合勘探成果对各方案地质条件作出综合评价，提出地质选线建议。

5.8 成果出图

将奥维中的各类矢量数据通过关联点导入CAD中，按出图标准进一步优化成图。

6 与常规调查方法的对比分析

与常规调查方法对比，“3S”集成技术调查新方法无论内业整理及外业调查阶段均可实现“无纸化”作业模式。多种图源多种模式分析对比，提高分析研判效率及精度，导航灵活便捷，定位精确，信息采集快速、准确、全面，艰险地段可实现非接触式调查，所有数据集中存储于本地收藏夹及云端，信息传输与共享方便。所以，无论从工作效率、精度以及成果的质量上看，都明显优于常规调查方法，具有较强的实用性及推广性。新调查方法与常规勘察方法对比详见表1。