三維遙感鐵路工程地質勘察系統研究

高　山

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢　430063)

Research on 3D Remote Sensing of Railway Engineering Geology Survey System

GAO Shan

三維遙感鐵路工程地質勘察系統研究

高山

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢430063)

Research on 3D Remote Sensing of Railway Engineering Geology Survey System

GAO Shan

摘要工程地質選線和地質調查是山區鐵路勘察工作的基礎和核心。受現場地形、交通、植被條件影響，存在地質外業勞動強度大、周期長、質量難以控制的現狀。基于Google earth數字地球平臺，二次開發了三維可視化遙感勘察系統(GERIS)，該系統可以直觀展示鐵路方案沿線的地形、地貌、巖石景觀，并可疊加地質圖、遙感圖像、線位、勘探點等多源勘察資料，實現了線路方案三維瀏覽和勘探圖件的展示，可輔助地質人員進行宏觀區域地質選線、微觀地質調查路線設計以及勘探點布置等?？捎行岣哌x線、調查的質量和效率，達到減輕現場勞動強度和節約勘察成本的目的。

關鍵詞鐵路勘察工程地質三維遙感影像 遙感解譯

遙感影像具有開闊的人工調查視野和逼真的地質環境模型，為鐵路勘察提供了各種尺度和精度的地物，地形，地質的幾何形狀、空間位置、目標屬性信息[1，2]。特別是通過三維遙感影像可視化模型可以對擬定線路穿越區的地形、地貌、地物、地質條件進行總體的認識和把握，可以準確直觀地提取沿線地貌水系、地層巖性、地質構造和不良地質體等要素信息，為鐵路整體地質勘察工作提供非常便捷經濟的方法和手段。

Google Earth具有全球的的遙感衛星影像庫，包括ETM、SPOT、Quickbird、Worldview等衛星影像和地形模型，能夠疊加客戶端矢量地圖和柵格地圖，在地形勘測、道路測量、環境調查、地質填圖、礦山勘探、工程地質勘察、旅游規劃等眾多領域得到廣泛應用。在工程勘測方面，如劉冬[3]通過Civil3D與Google Earth結合輔助排土場三維設計，謝偉[4]利用Google earth影像修測1∶5萬地形圖和提取等高線輔助鐵路選線，李為樂[5]借助Google earth高分影像解譯滇藏鐵路林芝-拉薩段線路沿線的滑坡、泥石流、崩塌等地質災害，王俊鋒[6]利用Google earth三維影像摸索出定量測量巖走向、傾向、傾角的方法，黃海峰[7]在Google earth平臺上實現了三峽庫區地質災害點信息集成管理和展示，管振德[8]利用Google earth平臺實現了線性工程的多源空間的數據整合和管理。但到目前為止，鐵路設計部門還未實現基于Google earth平臺開發的鐵路工程地質勘察業務系統。

1存在的問題

傳統工程地質帶狀調查的局限性和平面遙感解譯技術自身的缺陷，造成遙感地質解譯精度難以提高，表現為以下幾方面。

①地物空間細節特征不顯著：二維遙感影像中地物光譜特性受環境條件影響，往往出現同物異譜、同譜異物和混合像元的現象，難以按光譜特性進行可靠的解譯和分類，而這類難以解譯的地物特性往往與地面起伏形態密切相關。

②平面解譯的不直觀：地形、地貌和地質現象均是以三維空間形態方式來表現，由于缺少高程信息，只能以頂視方式觀測地質對象，解譯時會影響到對地形高差、邊坡坡度、斷面形態、巖層傾角、斜坡穩定性的準確判斷和定量分析。

③多尺度無縫數據處理難以實現：對多來源多尺度的地質、遙感、線路資料的信息集成，平面遙感模型只能進行簡單的多圖層疊加，而無法實現大尺度的宏觀區域地質現象向小尺度的微觀地質現象(或相反)變化的平滑過渡。

④動態模擬缺乏：地質現象并不是靜止的，而是處在動態的發展之中，受自然現象和人為因素的干擾，產生不均衡的動態變化。不同時相的二維遙感影像雖然可以反映地物變化，但難以引入時間因素進行動態三維模擬和趨勢分析。

⑤三維空間表達不足：線路方案的三維展示、遙感影像多視角解譯、多源地質資料空間分析，都必須在建立三維景觀模型上，二維平面模型對綜合地質資料的三維空間表達顯得無能為力。

因此，三維遙感鐵路工程地質勘察技術的實現，受遙感數據源、工作區地質背景、地理環境、前人研究程度、建模方法、工程地質勘察精度要求等多種因素的影響，針對建立三維遙感地質勘察系統的技術瓶頸問題，進行了要因分析，見表1。

表1　要因確認

2三維遙感地質勘察系統技術路線

三維遙感地質勘察系統技術路線分為以下八個關鍵步驟。

①資料準備：收集、選取代表性鐵路勘察項目的圖形資料(線路設計圖、地形圖、各類專題圖、地質圖等)、影像資料以及文檔報表資料等。既有資料存在格式多樣，比例精度不一，應進行分析歸類，方便下一步工作。

②數據處理：即對紙質圖件進行掃描矢量化，屬性賦值；對矢量數據進行格式轉化，投影變換，拓撲關系處理等；對遙感影像進行波段組合、校正投影、鑲嵌融合、三維可視化建模等操作。

③工程地質遙感解譯標志庫：不同巖土體及工程地質現象的波譜特征及時空特征在遙感圖像上的顯示不同。解譯過程中，為了確保提取信息的精確性，將常用的典型地物解譯信息進行歸類入庫，描述其不同波譜下的解譯原則，這就是解譯標志庫的主要工作內容。

④遙感信息提取：利用遙感地質解譯和三維可視化技術，結合部分野外調查驗證，提取研究區工程地質環境背景和不良地質災害體的分布信息，對區域地質資料進行補充和更新。

⑤數據入庫：將以上各階段獲取的工程地質多源信息，利用ENVI、Global Mapper、ArcGIS軟件進行海量數據格式轉換及切塊，在三維遙感鐵路工程地質平臺下集成入庫。

⑥成果表達：對入庫后的多源信息根據需要進行組合疊加輸出，如可以將地形、地質要素與正射影像同步輸出，形成更形象的影像圖，供選線和野外調查使用；疊加了地質、線路的三維動畫可為選線和工作匯報提供更生動的素材。

⑦綜合勘探：指導長大隧道綜合勘探，視隧道地形條件、區域地質條件、不良地質分布條件以及交通條件，充分利用三維遙感技術開展面、線、點的地質勘探，合理進行鉆探、物探、挖探的方法組合，以及綜合勘探網、線、點的布置。

⑧技術歸納總結：對物探資料、工程地質勘察資料以及施工階段開挖地質資料進行綜合分析，對比遙感解譯成果，對存在錯誤、漏判、疑問的地方反復論證，對解譯正確的地方進行歸納總結，形成三維遙感鐵路工程地質勘察方法體系。

3系統開發

三維遙感工程地質勘察系統(簡稱GERIS)采用Visual C# 2005、ObjectARX2006、ADO.Net、COM等編程技術，集成了Google Earth和AutoCAD平臺，支持Windows 操作系統。GERIS系統建立了AutoCad接口、線路mdb數據庫接口、工程地質信息系統接口，實現線路方案三維展示、工程地質資料集成、遙感圖像自動解譯、目視三維解譯、解譯標志庫、三維漫游等功能。系統包括：界面控制模塊、項目管理模塊、地形與影像庫模塊、線路設計模塊、遙感解譯與勘察數據庫模塊、空間分析模塊、綜合展示模塊及輔助工具。

技術流程見圖1。

圖1　GERIS系統技術流程

系統結構見圖2。

圖2　GERIS系統結構

3.1　基本功能

(1)核心功能

①Google Earth上數字地形和數字影像的自動獲取。

②基于Google Earth的線路設計，以及橋、隧、車站參數設置。

③實現點、線、區的手工和批量標注及編輯功能。

④批量輸入Autocad，實現Google Earth和Autocad雙窗口操作和同步顯示。

⑤空間點坐標、坡向、曲線坡長、投影坡長、曲面面積、投影面積的量測，以及巖層及斷層的傾向、走向、真傾角和視傾角和出露厚度的三維量測。

⑥綜合展示線路方案、地質界線、勘探點、文字、照片、圖表、錄像等多媒體信息。

(2)輔助功能

投影坐標轉換，KML文件導入等功能。

(3)其他功能

柵格圖加載，CAD，定位等功能。

3.2　功能模塊

(1)項目管理

工程項目名稱在表象上是鐵路建設項目的名稱，在實質上是一個Windows操作系統的文件夾，被用來標識該文件夾中數據所屬的鐵路建設項目，存儲本項目的各種勘測設計數據。因為它是一個文件夾，所以必須符合操作系統文件夾的命名規則。

方案名稱是線路設計方案的名稱，通過線路方案名來存儲和提取設計數據。在Windows操作系統中，方案名稱被系統處理成一系列數據庫文件名(可能是主名也可能是擴展名)，這些文件存儲在工程項目目錄下的有關子目錄中，在一個工程項目下可以有若干個線路方案。

(2)選擇界面形式與比例尺設置

可以選擇Google Earth與AutoCAD窗口的不同切分模式，包括“左右切分”、“上下切分”、“只顯示GE”、“只顯示CAD”四種窗口且切分模式(見圖3)。

圖3　GERIS選擇界面形式

GERIS系統根據選定的比例尺計算Google Earth的相機高度并進行設置(見圖4)。

圖4　GERIS顯示比例尺設置

(3)獲取地形高程和影像數據

圖5　采集帶狀Goolge earth影像

(4)線路的定位與顯示

為了將設計路線放在Google Earth中的正確位置，需要計算出路線的逐樁坐標。Google Earth中使用的是WGS84大地坐標系，而國內目前使用的有WGS84、北京54或西安80橢球系。系統采用七參數法解算，實現了不同橢球系下的坐標轉換，得到了逐樁坐標。應用Google Earth KML圖形繪制顯示技術，可將線路在Google Earth中繪制表達出來(見圖6)。

圖6　Goolge Earth線路定位

(5)線路方案綜合展示

基于Goolge Earth平臺開發的GERIS系統，實現了在Google Earth平臺展示單個線路方案的中心線、橋、隧、站、地質、自然保護區等各專業信息和實現多個線路方案的綜合對比顯示。方案展示內容采用樹形方式組織，結構清晰，易于查詢。根據線路的特點，線路、橋隧采用不同的方式表達。展示圖形生成后，系統根據線位等信息自動生成瀏覽路徑，在瀏覽時設置成不同的瀏覽速度、瀏覽高度和瀏覽視角，從而使各行業技術人員可以全方位、多角度地審視方案。線路的里程、橋隧、標志標牌、附屬物、沿線地質等信息可以通過點擊相應的圖標來查詢，可進一步鏈接文字、視頻、音頻、圖片等信息(見圖7)。

圖7　樹形組織方式方案展示

(6)疊加地質圖

以在Google Earth地球上貼圖的方式實時疊加工程項目的地質圖件，可設置疊加地圖的透明度，實現線位、地形、影像和地質圖的混合顯示。采用這種方式，遙感解譯過程中可以將地質體的影像特征與三維地貌、地質調查資料良好地聯系起來，提高地質要素的識別率，同時通過解譯來修正、補充地質圖，形成工程地質遙感解譯圖(見圖8)。

圖8　GERIS疊加區域地質圖

(7)GERIS聯動CAD

在GERIS中導入平面方案，在CAD新線軟件中導入同一方案，進行CAD窗口與GE窗口聯動，系統自動獲取GE的視圖參數，并以此參數向CAD發送ZOOM命令；反之，如果鼠標處于CAD模型窗口，將自動獲取CAD視圖參數，以該參數設置GE窗口的相機，實現縮放同步(見圖9)。

圖9　GERIS聯動CAD窗口

(8)三維空間分析

模型中非期望產出的處理。在DEA模型的投入產出要素中，地區生產總值為期望產出，碳排放為非期望產出，期望產出越大越好，非期望產出越少越好，違反了方程的一致性，必須進行處理。本文以非期望產出作為投入的方法處理碳排放問題。

可以查詢任意點的三維空間坐標值，可以查詢線段的距離、坡長、坡率、走向，可以查詢幾何多邊形的周長和面(見圖10)。

圖10　滑坡體面積測量

(9)隧道縱斷面顯示

在三維窗口中，可以選取任意隧道中線，按90 m間距提取地面線高程(Google Earth DEM分辨率為90 m)，可同步顯示平縱斷面的位置、地形坡率、地面高程信息(見圖11)。

圖11　隧道縱斷面展示

(10)巖層(斷層)產狀測量

傾斜巖層的層面在地表露頭線的最高點(山脊上)和最低點(溝谷中)之間的連接線構成的平面稱為巖層三角面。斷層活動形成斷層崖后，受橫穿斷層崖的河流侵蝕，完整的斷層崖被切割成許多三角形的斷層崖，稱斷層三角面，可指示斷層面的產狀。在巖層(或斷層)三角面上，選取不在同一直線的多點(不得少于3個)，采用最小二乘法擬合平面，按構造地質學“V”字形法則求得巖層(或斷層)產狀(見圖12)。

圖12　巖層產狀地質測量

(11)地質勘察資料管理

GERIS系統中具有鐵路勘察地質資料的創建、調用、管理和查詢功能，可以直接與工程地質信息庫鏈接，顯示勘探數據庫信息，也可鏈接文字、視頻、音頻、圖片等信息。勘探點圖標分別有觀測點Gc、重要照相點Sy、鉆孔Jz、螺鉆Lz、靜力觸探Jc、試坑Sk、探槽Tc、輕型動力觸探N10?？碧近c的標注可以采用導入勘探數據庫和手工上勘探點兩種方法，方便地質人員進行勘探點布置、勘探線設計以及勘探資料的查看。

參考文獻

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[2]王潤生，熊盛青，聶洪峰，等.遙感地質勘查技術與應用研究[J].地質學報，2011，85(11):1699-1743

[3]劉冬，王伊鳴.Civil 3D與Google Earth在工程方案中的應用[J].信息科技，2012(9):94-95

[4]謝偉.Google Earth等免費數據源在鐵路勘測設計中的應用[J].鐵道勘察，2009，35(2):16-18

[5]李為樂，陳情，陳哲鋒，等.Google Earth三維可視化在滇藏鐵路林芝-拉薩段地質選線中的應用[J].遙感應用，2012(1):95-99

[6]王俊鋒，白宗亮，田琮，等.Google Earth在地質解譯中的應用[J].新疆地質，2014，32(1):136-140

[7]黃海峰，易慶林，易武.基于Google Earth的三峽庫區地質災害專業監測預警信息集成應用[J].安徽農業科學，2010，38(20):10526-10529，10987

[8]管振德，龐貽鴻.Google Earth在線性工程地質災害調查中的應用[J].人民長江，2012，43(19):45-47，71

中圖分類號：U212.22； P237

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)04-0032-05

作者簡介：高山(1975—)，男，2012年畢業于中國地質大學(武漢)資源與環境遙感專業，工學博士，高級工程師。

收稿日期：2015-04-23