困難地區大型工程預選址新方法探討

李 煉，余代俊，曾 濤

(成都理工大學 地球科學學院，四川 成都 610059)

困難地區大型工程預選址新方法探討

李 煉，余代俊，曾 濤

(成都理工大學 地球科學學院，四川 成都 610059)

利用遙感技術進行工程預選址，能夠克服困難地區交通不便、環境惡劣等困難，但使用商業遙感影像成本較高，借助Google Earth提供的坐標信息，以及開放網絡資源提供的高分辨率遙感影像進行工程預選址能夠達到事半功倍的效果。文中利用Google Earth進行二次開發，獲取某區域的三維坐標點集，建立數字高程模型。在此基礎上，疊加影像制作該區域三維場景，并結合該區域遙感地質解譯等相關資料，在三維場景中進行綜合分析，實現工程預選址。實驗表明，在三維場景中進行選址分析更直觀、真實，選址工作更具有針對性，可縮小感興區范圍，節省大量時間。

Google Earth；數字高程模型；遙感地質解譯；三維場景；預選址

隨著社會經濟的快速發展以及西部大開發戰略的迫切需求，國家在西部地區規劃了眾多大型工程項目，很多工程項目處于山高林密、人跡罕至的項目實施困難地區。這類困難地區項目的立項、前期勘察等宏觀決策工作，對工程實施、運營影響甚大，而前期勘察人車到達困難、環境惡劣，給工程選址工作帶來諸多困難。因此，在工程選址中采用何種方法，將直接影響到工程的進展和資金的投入[1]。傳統的根據人工采集地形數據進行選址，大部分情況下不適用于環境復雜的西部地區，利用遙感技術進行工程選址相比而言高效易行。黎小東等(2010)基于RS和GIS建立震后汶川縣的移民搬遷選址模型[2]；李天華等(2011)利用遙感和GIS技術對昆明小哨機場進行選址和工程地質分析[3]。利用遙感技術雖然有效地提高了工程選址的效率和準確性，但使用商業數據進行工程選址的成本較高、針對性不夠強，且存在感興區域廣、數據處理周期長等不足。

針對上述問題，在高原某機場預選址工作中，通過Google Earth二次開發獲取該區域三維坐標點集，建立區域的數字高程模型(DEM)。通過開放網絡資源下載高分辨率影像，再在DEM上疊加影像制作區域的三維場景。結合該區域相關資料作遙感地質解譯，在三維場景中實施綜合分析，篩選出滿足工程建設的場址，其結果既縮小感興區范圍，又節省成本和時間。

1 預選址方法原理

1.1 Google Earth及二次開發技術

Google Earth(以下簡稱GE)是由 Google公司開發的一款虛擬地球軟件，它把航拍照片、衛星圖像和GIS數據整合在一起，形成一個地球的三維模型[4]。該軟件自帶縮放圖層、查找、標記位置等常用功能，但對于開放性資源來說，GE軟件的自帶功能已經不能滿足用戶的需求，所以迫切需要對其進行開發來滿足這種需求。

目前針對GE二次開發的方法主要有：①基于KML的二次開發，該方法主要用來生產地理要素，實現數據的動態更新等；②基于GE的COM組件的API開發，該方法主要用來控制GE的視角,實現動畫效果，第三方應用程序常使用Google Earth COM API對GE進行信息發布和搜尋[5]，本文采用COM技術進行GE二次開發。Google Earth COM API是GE組件的公用接口，其意義在于用戶可以在各種外部程序中調用GE所提供的功能。Google Earth COM API類庫中包含11個接口類，本文主要運用到其中的IPointOnTerrainGE類、IApplicationGE類的地圖定位函數SetCameraParams()以及用于地理坐標獲取的函數GetPointOnTerrainFromScreenCoords()。

1.2 三維場景實現

利用上述接口對GE進行二次開發，獲取感興區域的三維坐標點集制作DEM。選擇支持衛星、波段下載的開放數據源下載感興區域的影像，對其做彩色合成、配準、拼接處理。再在DEM上疊加影像，制作該區域的三維場景，三維場景實現流程如圖1所示。

圖1 三維場景實現流程

1.3 三維場景精度判定及綜合分析

在進行選址綜合分析前，必須對三維場景的精度進行判定，判斷其精度是否滿足預選址需求。可選擇局部區域與GE三維作對比，如單一特征點的高程較值須優于1/5點間距，兩特征點的水平距離較值須優于1/3點間距。如若高程較值和水平距離較值不滿足上述條件，應按圖1所示，重新對影像進行處理。當三維場景精度滿足要求時，根據遙感地質解譯結果，并綜合考慮其它影響工程建設的因素，利用GIS軟件強大的分析功能，在三維場景中進行綜合分析，篩選出符合工程建設的場址。

2 困難地區工程預選址應用實例

2.1 預選址方案設計

工程預選址的結果直接影響到工程施工及運營。在該機場預選址工作時，面對大量的商業影像數據和過時的地形資料、新老數據不能結合等問題，將大大增加工程預選址的工作量，而且數據處理繁瑣，不易管理。要從高原大面積區域中篩選出一些符合特定條件的區域，無疑難上加難。因此，在本文研究困難地區工程預選址方法中，利用GE二次開發，結合遙感地質解譯，在制作區域虛擬三維場景中進行工程預選址，顯著地提高了預選址工作的效率。具體而言，困難地區工程預選址的步驟設計如下：

步驟1：獲取目標區域三維坐標點集。

GE二次開發中，所獲取三維坐標點集的位置和密度，分別由視圖中心、視圖高度和取點間隔共同決定。當視圖中心、取點間距一定時，視圖高度越低，視野范圍就越小，從而所獲取點集的密度也就越大。GE為用戶所提供的坐標數據是基于正射影像內插而來，其精度受地區影響[6]。在獲取點集

時既保證取點間距滿足預選址要求，又避免數據冗余，經過多次試驗，最終確定程序運行速度相對較快，且滿足取點間隔的最佳視圖高度(約3.2 km)。

圖2為三維坐標點集獲取的算法流程。在最佳視圖高度下，通過用戶輸入感興區域的位置信息，計算出所有視圖中心坐標信息，記錄為n個點。程序運行時自動調整視圖中心，采集并保存點的三維坐標，循環執行此過程，直至區域內所有數據采集完畢。

圖2 三維坐標點集獲取算法流程

為形象說明程序采集點過程，特將整個區域劃分為多個子區域采集，導入到GIS軟件中呈現區域點集由不同色帶的點集組成，如圖3所示。

圖3 GE二次開發獲取的三維坐標點集

步驟2：遙感地質解譯。

從遙感地質解譯角度出發，選擇支持衛星、波段下載的開放資源，如選擇從免費互聯網資源(如GLCF：Earth Science Data Interface等)下載，可選擇不同衛星的不同波段組合。因為人對灰度的識別只有十幾級，而對彩色的識別可達上百類別，因此，采用相應的圖像處理方式，將單個波段的灰度圖像合成為彩色圖像，可以提高工作人員對地物、地質現象的識別精度[7]。本文采用TM7、5、4波段RGB合成非標準假彩色圖像，畫面偏藍色，用于特殊的地質構造調查。通過目視解譯，解譯出不利于修建工程的地質因素(斷層、水系尤為重要)，創建“影響”字段，根據其在機場工程建設中的作用范圍分等定級，并在綜合分析階段將其量化。

步驟3：制作DEM和三維虛擬場景。

DEM的主要表示模型有：規則格網(Grid)模型、不規則三角網(Triangular Irregular Network，TIN)模型、等高線模型和層次模型。但就地形信息表達而言，TIN模型的優點在于它能以不同層次的分辨率來描述地形表面，在某一特定分辨率下能用更少的空間和時間更精確地表達更加復雜的表面[8]。綜合數據采集以及高原地形環境，本文創建TIN模型來表達地形。將步驟二獲取的點集導入到ArcGIS軟件中創建TIN，然后疊加坐標校正過的影像，裁剪無重疊區域，并與GE三維作對比，如圖4所示。對三維虛擬環境做全局和局部瀏覽，檢查影像是否出現拉伸現象，若無則可進行綜合分析，否則分析原因并按圖1所示流程返回重新處理。

圖4 局部三維對比

步驟4：綜合分析。

綜合分析需多方考慮，如人文環境、工程污染輻射范圍以及工程特殊需求等因素，結合早期資料對步驟2“影響”字段進行量化值。本文在充分收集已有地質環境和災害資料的基礎上，根據國家標準[9]及工程需求[10]對其影響范圍建立緩沖區分析，共分為4個等級：不適宜修建區量化為0，低適宜修建區量化為1，中適宜區量化為2，高適宜區量化為3。各影響因子量化值詳見表1。

2.2 預選址結果

在三維虛擬場景中，可以根據工程特點進行有針對性的空間分析，能直觀真實地反映出分析效果，如機場選址、機場凈空分析、水庫庫區水位分析等。圖5為本文對該機場預選址得出的綜合分析結果，共解譯出6條斷層，以及水系主干、分流各一條，整個區域東北角、西北角呈現山地地形，南邊則為東西向的大深溝，根據GE影像確定西邊為城鎮。本文在綜合分析時，對比土方量分析選出適合修建該工程的場址(①、②號地區范圍面積約為工程占地面積的2～3倍)。

表1 “影響”字段量化值

圖5 綜合分析

3 結 論

針對困難地區工程預選址所面臨的數據成本高、周期長、缺乏針對性等問題，本文提出了一種基于Google Earth的困難地區大型工程預選址方法。該方法利用Google Earth二次開發以獲取目標區域的三維點集，結合遙感影像并最終制作區域虛擬三維場景，在此基礎上進行工程預選址綜合分析。運用該方法到該機場的預選址工作中，能在較短時間內得出兩個符合工程選址的場址，且1號場址即是該工程在建場址。在西藏某機場、云南某機場采用此方法，同樣能分析出包含機場場址在內的多個區域，驗證了該方法的可行性。由此說明該方法的過程設計是合理的，利用該方法進行預選址以縮小感興區，為后期工作節省大量時間，用于工程詳細勘察和指導工程選址是有效的、可行的。

由于GE開放的接口有限，借助其他地圖平臺和第三方軟件，建立一個綜合平臺，實現三維影像直接獲取、自動制圖等功能，提高平臺的實用性以適應行業的發展需求。因此，在接下來的工作中將針對這方面做進一步研究。

[1]楊武年,李天華,廖崇高，等.高原機場建設工程3S技術綜合運用[J].地球科學進展,2008(5):457-462.

[2]黎小東,楊武年,羅智勇,等.基于RS 和GIS 的震后汶川縣移民選址方法[J].四川大學學報:工程科學版,2010(5):83-91.

[3]李天華,楊武年.遙感與GIS技術支持下的機場選址與工程地質分析[J].物探化探計算技術,2011(1):79-83.

[4]劉珍,劉建勛.淺談Google Earth 二次開發技術[J].地理空間信息,2009(5):72-74.

[5]江寬,龔小鵬.Google API開發詳解:Google Maps與Google Earth雙劍合璧[M].2版.北京:電子工業出版社,2010.

[6]DAVID POTERE.Horizontal Positional Accuracy of Google Earth’s High-Resolution Imagery Archive[J]. Sensors,2008:7 973-7 981.

[7]劉建平,趙英時,孫淑玲.高光譜遙感數據最佳波段選擇方法試驗研究[J].遙感技術與應用,2001(1):7-13.

[8]李志林,朱慶.數字高程模型[M].武漢:武漢大學出版社,2005.

[9]中華人民共和國建設部.GB50021-2001巖土工程勘察規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2009.

[10]高金川,杜廣印.巖土工程勘察與評價[M].武漢:中國地質大學出版社,2003.

[責任編輯：張德福]

Anewmethodofsiteselectionoflargeprojectindifficultarea

LI Lian,YU Dai-jun,ZENG Tao

(College of Earth Sciences, Chengdu University of Technology, Chengdu,610059,China)

Preliminary site selection of projection by using remote sensing technology can overcome some problems: such as traffic inconvenience and poor environment in difficult area. But, the cost of using commercial remote sensing image is high. Preliminary site selection of projection can achieve a better result by using the coordinates provided by Google Earth and the high-resolution remote sensing image provided by available network resources. A secondary development based on Google Earth is made to obtain three-dimensional coordinates set in a certain area and set up a digital elevation model. On this basis, overlapped images are used to form a three-dimensional scene for this region. Combined with the related materials from the remote sensing image by geological interpretation in the area, a comprehensive analysis is made on the three-dimensional scene in order to realize the preliminary site selection of projection. The practice shows that site selection in the three-dimensional scene is more realistic, and the work of site selection is more targeted which can narrow the interesting area and save much time.

Google Earth; digital elevation model; geological interpretation of remote sensing; three-dimensional scene; preliminary site selection

2013-06-13

國家自然科學基金資助項目(41201440/D010702)

李 煉(1987-)，男，碩士研究生.

TP75;P208

：A

：1006-7949(2014)01-0061-04