多來源、多精度地形數據在三維地質建模中的應用

劉聰元, 張春芳, 劉小飛, 楊雪洲

(1.水利部 長江勘測技術研究所，湖北 武漢　430010; 2.長江三峽勘測研究院有限公司(武漢)，湖北 武漢　430074; 3.長江勘測規劃設計研究院,湖北 武漢　430010)

0　引言

因工作需要,筆者參加了國外某水電站的三維地質建模工作。該水電站的特點之一就是壩址與廠房相距較遠,發電廠房位于河流上一個天然水庫的附近,沿河流水道約在壩址以下12 km處。勘察單位分別針對壩址區與廠房區進行了1∶500和1∶2 000地質測繪,并用GOCAD軟件分別建立了壩址區和廠房區的三維地質模型。

為研究水電站整體布局,分析整體地形特征,需要把兩個孤立的三維模型按空間坐標拼裝,中間用地形面連接,形成該水電站從壩區至廠房的整體三維地質模型。解決這個問題需要覆蓋壩址區和廠房區的整體地形數據,以及相應的坐標換算關系。在不增加額外投資的情況下,筆者借助從互聯網免費下載的低精度地形數據,通過GOCAD和ArcGIS的聯合應用,較為完美地解決了多來源、多精度地形數據的匹配和融合,順利完成了整體模型的拼裝。

1　整體地形模擬范圍選取

由于該水電站壩址區與廠房區、引水發電系統距離較遠,而地質勘查中地形資料收集有限,因此在不增加投資的情況下,覆蓋廠房和壩址區地形只有通過網絡下載得到。整體地形范圍如圖1所示。

2　整體地形資料搜索

范圍確定后,到CGIAR-CSI網站(http://srtm.csi.cgiar.org/)下載工程區90 m精度的免費DEM數據及圖形,輸入要下載數據的經緯度范圍,并選擇GEO-TIFF格式,如圖2,點擊“Click here to Begin Searth>>”進入下載頁面進行下載。

圖1　建模區域地質范圍示意圖

解壓下載的壓縮包,得到四個文件,分別為readme.txt、srtm59_13.hdr、srtm59_13.tfw和srtm59_13.tif。其中srtm59_13.tif是一個GRID文件,用ArcGIS打開后如圖3所示。它用灰度表示高程,高程越大,亮度越大,反之亦然;從圖3左邊可以看到,該區域高程最高為1 233 m,最低為226 m;該數據采用WGS84坐標系,當鼠標在圖上劃過時,下部狀態欄會顯示當前位置的經緯度。

3　坐標變換

現有1∶500以及1∶2 000地形圖采用borneo坐標系,要使地形圖和DEM正確疊加,必須知道borneo與WGS84的換算關系。目前國內北京54,西安80與WGS84換算的程序很多,但是borneo坐標系的換算關系相關資料非常少,致使該項工作一度陷入困境。后經反復研究和嘗試,采用ArcGIS內置的borneo坐標系比較完美地解決了坐標變換問題。

圖2　從CGIAR-CSI網站下載地形數據

圖3　用ArcGIS 打開TIFF文件示意圖

ArcGIS不能直接對GRID文件進行坐標變換。因此,需通過ArcToolbox->Convertion Tools->Raster to Point把GRID變換成矢量點[1]。變換后如圖4所示。每個點對應柵格圖的一個象素。為了看清點的分布,圖中進行了放大,僅顯示了部分點。

圖4　GRID轉換矢量點示意圖

坐標變換采用ArcToolbox->Data Management Tools->Projetions and Tansformations->Feature->Project工具。輸出坐標系應從投影坐標系的國家坐標系統(National Grids)中選擇Malaysia的Borneo 坐標系(Timbalai 1948 RSO Borneo Meters.prj)。

轉換完成后保存數據并重啟ArcGIS,重新裝載數據后再觀察狀態欄,可以看到數據已轉換為直角坐標。

4　地形坐標數據獲取與導出

為了用GOCAD[2]建立整體地形模型,尚需把ArcGIS中的點提取為GOCAD可以接受的XYZ坐標數據。具體做法是:首先打開屬性表,增加X、Y兩個字段。然后右鍵單擊X字段標題,在彈出的菜單中選擇Caculate Gemetry,將X coordinate of Point賦給X字段,同理將Y coordinate of Point賦給Y字段,然后導出成DBF或TXT格式即可。本文導出為dx.txt,其格式為編號,高程,X值,Y值。

將dx.txt導入GOCAD后表現為點集(pointset)如圖5,由于工程區地形高差較小,為了便于觀察,圖中對Z軸進行了放大。

圖5　GOCAD中點集示意圖

5　 整體地形的建立與地形疊加的應用

利用上述地形點建立壩址區至引水系統三維地形面,壩址區和廠房區分別采用1∶500和1∶2 000的高精度地形數據進行擬合,如圖6所示。

圖6　整體地形面三維地質模型

為了增強模型的展示效果,筆者從Google earth上下載了工程區的衛片影像 ,經仔細比對后,根據找到的幾個特征點對整體地形面進行了貼圖,后經多點效驗,貼圖位置基本準確,效果見圖7。

圖7　三維地形貼圖效果圖

最后將壩區地層、斷層、導流洞以及引水線路地層、引水隧洞等模型進行拼裝,完成整個區域內三維地質整體模型。

6　結語

通過ARCGIS和GOCAD的綜合運用,經坐標轉換、坐標提取、數據疊加等,將免費低精度地形數據與已有高精度地形數據結合,成功建立了該水電站整體三維模型,大壩和廠房區達到了當前階段要求的精度,圓滿完成了建模任務。文中所述方法對于缺少數據的國外工程前期三維應用具有一定的借鑒意義。

參考文獻:

[1]池建.精通ArcGIS地理信息系統[M].北京：清華大學出版社，2011.

[2]詹莉，劉聰元，張春芳，等.GOCAD及其在烏東德工程中的應用[J].資源環境與工程，2011,25(5):495-498.