鐵路路基地質三維仿真可視化信息系統研究

敬小東，唐 敏，張蓓蓓，程永明

（1.四川建筑職業技術學院 測繪工程系，四川 德陽 618000；2.中國中鐵二院集團有限責任公司，

四川 成都 610031；3.河南省遙感測繪院，河南 鄭州 450003；4.山西省長治市氣象局，山西 長治 046000）

鐵路路基地質三維仿真可視化信息系統研究

敬小東1，唐 敏2，張蓓蓓3，程永明4

（1.四川建筑職業技術學院 測繪工程系，四川 德陽 618000；2.中國中鐵二院集團有限責任公司，

四川 成都 610031；3.河南省遙感測繪院，河南 鄭州 450003；4.山西省長治市氣象局，山西 長治 046000）

利用Skyline強大的模型顯示功能，結合C#和C++開發模塊建立了鐵路路基地質三維仿真可視化信息系統。在項目規定時間內完成了地質災害區域三維精細地理環境構建，實現了地質數據的三維展示、管理，并具備查詢、量測和刨切等分析功能，為進一步開展三維設計、分析等奠定了三維框架基礎。

Skyline；地質三維仿真；地理環境構建；三維展示；漫游

隨著高速鐵路的不斷發展，列車的運行速度越來越快，發生事故帶來的后果和損失將無可估量，對地質的準確勘測等與地質相關的內容都是保證列車運行安全的關鍵因素。對地質災害的匯報展示和地質、測繪、環評等數據的管理已成為現行鐵路項目的關鍵內容。地質災害數據的綜合管理對鐵路施工、運營管理等方面具有重要作用[1]。

地質數據的可視化研究不僅包括數據的采集、處理及其可視化，而且包括相應工具的研制[2]（這里主要指相應的建模與可視化軟件）。朱良峰[3]和焦養泉[4]等認為三維地質信息系統是一個集地表、地上、地下多維動態空間信息于一體的大型綜合性空間信息系統。系統數據可分為3類[5]：①表征地上特征的數碼景觀和遙感影像數據；②表征地表特征的基礎地理數據，包括鐵路中心線、安保區規劃線、居民樓分布圖和鐵路沿線土地利用現狀圖等；③表征鐵路路基地下特征的地下三維地質數據，包括路基地質結構、各種地質災害的預測評價和防治信息等。

1 系統的模塊結構

系統模塊結構見圖1。系統總體分為兩個模塊，分別采用C#和C++語言編寫，使得系統既可兼容以C#語言為基礎的軟件功能（如Skyline軟件開發包，提供了一些常規的GIS軟件功能模塊，如量測、土方量計算等功能），滿足C#程序員的開發需求；又可兼容以C++語言為基礎的軟件開發功能，如三維場景顯示、交互模塊、三維場景的管理模塊等。C#和C++語言通過接口轉換器進行數據交換。

在C#模塊中，基于Skyline軟件開發包開發了一 系列常規GIS功能模塊，滿足了用戶大部分的GIS量測，GIS分析和管理需求。數據提取模塊作為中間過渡功能，既可從Skyline提取所需數據，也可從C++模塊中提取數據，最終將這些數據傳到C#界面層中進行顯示。C#界面層是完全獨立于功能層的一層，該層主要為用戶提供更加友好和方便的界面，以及輸入、輸出操作功能，收集用戶的消息（如鼠標消息、鍵盤消息），并將這些消息傳遞到下層處理。

圖1 系統的模塊結構圖

在C++模塊中，主要處理地質災害的業務邏輯，其中建模模塊、交互模塊和管理模塊是基于Ogre開發的；而切割模塊則是從建模模塊中得到切割數據，從CGAL中得到算法支持，最后將計算的結果通過轉換接口傳遞到界面層顯示。

2 二三維GIS環境的構建

利用顯示功能強大的Skyline軟件作為系統的基礎平臺，搭建了二三維平臺環境。二維模塊采用航空攝影影像數據經正射處理后得到的DOM全景影像，載入Skyline平臺，作為二維模式地質信息展示及相關分析的基礎地理環境。地表以上三維模塊采用3DMax三維建模技術構建鐵路沿線各種地物三維模型，并根據坐標信息準確載入二維平臺中進行顯示，最終構成一個三維模式的地質信息展示及相關分析的基礎地理環境。

二維地理場景和三維地理場景各有優勢（圖2），二維地理場景的制作更便宜、效率更高，三維地理場景具有更好的可視化效果，地表建筑物等信息一目了然，可根據項目需求進行選取。

圖2 二三維GIS環境的搭建

3 功能模塊設計

系統不僅能對地下的地質結構進行三維顯示和分析，而且能對地表以上地物進行GIS功能分析和應用，是對地質三維可視化系統的重要補充。由于篇幅的限制，本文主要介紹斷面分析功能的實現流程。

斷面分析能幫助用戶分析地形的起伏變化。在斷面分析工具中，用戶可在三維虛擬地形中通過鼠標拖拽的方式拉一條直線，根據設定的高度生成一個與地面垂直且經過該直線的斷面；并將斷面輸出到系統的斷面分析窗口中，用戶通過鼠標就能獲取斷面線任意一點的位置信息、高程信息等，也可以施工圖的形式輸出給用戶。其流程圖如圖3所示。

圖3 斷面分析功能流程圖

基于Skyline平臺，結合C#開發的斷面分析功能包括：斷面分析工具、鼠標拖動并顯示輔助線、顯示斷面分析窗口、結合CAD出圖等。以上功能可有針對性地對地質三維可視化進行分析與展示，并可根據設計者要求出CAD圖，界面相對Skyline更簡潔方便，更適合地勘專業設計人員使用；同時由于接入了Skyline的顯示和操作功能，因此具有專業性、方便性和顯示效果好等優點。該功能可顯示某一段路基附近地形剖面特征，通過記錄鼠標點擊、拖動以及松開等事件了解操作者需要了解哪一段斷面的剖面特征，圖 4中的文本框顯示了黃色輔助線處路基附近地形的剖面圖。

圖4 斷面分析功能

除了斷面分析功能，還可以進行坡度坡向分析、水平距離量測、垂直距離量測、面積量測等（圖5），由于篇幅限制，本文不再一一列舉。

圖5 各種量測功能示例

4 三維地質建模及可視化

4.1 地層建模

三維地層建模能夠指導實際的地質分析，具有相當大的實用價值[6]。利用鉆孔柱狀圖對地層進行建模，并為每層數據賦予屬性，以便地質專家更好地對地層進行分析和研究。對每層進行建模，并通過可視化手段對不同地層貼上不同的紋理，使地質體的地層分界線更加明顯，模型更加逼真。作為地質解釋成果的一種新方法，三維地層建模更能滿足工程設計、施工和管理的需要。

地層模型是通過地表網格和鉆孔數據聯合擬合而成的，用戶導入地表數據和鉆孔數據后系統會自動生成地層數據，地層模型可根據地層分層顯示，可通過管理模塊顯示或隱藏某個地層模型，也可通過漫游模塊瀏覽整個地層或某個地層模型。

4.2 鉆孔建模

鉆孔數據的記錄和表達主要通過鉆孔柱狀圖實現[7]。鉆孔柱狀圖雖然能詳細記錄鉆孔的屬性信息，但也存在一些不足。它不能表現鉆孔整體的分布情況，且對一些重要屬性的表達不夠直觀。在三維環境中，通過對某些區域內的所有鉆孔進行建模，能夠展現鉆孔的整體分布情況，也可查詢鉆孔所穿透的地層信息。

該模型能夠通過用戶提供的數據迅速創建三維鉆孔數據，并將鉆孔數據顯示到三維平臺中；可通過管理模塊顯示或隱藏鉆孔；可查詢到鉆孔穿透的地層信息，并將信息顯示到系統提供的窗口中；也可將鉆孔數據以施工圖的形式輸出給用戶。

4.3 切割面和切割體建模

任意拉框對三維地質體模型作任意方向的切割時，均需計算切割面。框平面在切割時與三維地質體模型有一個相交的平面，即為切割面。在切割過程中，除了生成切割面模型，也生成了切割體模型，切割體模型是地層的一部分。切割面和切割體模型可通過管理模塊控制其顯示和隱藏，也可通過鼠標點擊查詢切割面上的地層屬性信息，還可根據地層對切割體分層顯示。

4.4 地質模型分層可視化

首先通過地層建模模塊建立地層模型，并顯示到三維平臺中，然后通過地層管理模塊進行管理。地層管理模塊包括地層的顯示和隱藏，地層屬性信息的查詢等功能，可讓用戶更加方便快捷地瀏覽任意地層的起伏變化，也可查詢任意地層的屬性信息等。圖6中對話框為查詢的信息內容。

圖6 鉆孔或地層信息查詢界面

三維地層模型合在一起很難選定并查詢，因此系統專門開發了各地層模型的剝離工具，可把某一個地層剝離出來以觀看其下發的地質模型，或把所有的地層模型都剝離開，方便選定和準確了解地質信息（圖7）。

圖7 地層剝離工具

漫游功能一直是可視化中不可缺少的一部分[8-10]，系統不僅需要顯示各地層模型和信息，還要實現地層內的漫游功能。設定攝像機的初始位置時，可人性化地輸入高程數據調整攝像機的高度，使它從地層中穿過，讓使用者有身臨其境的感覺，直觀地看到地層中鉆孔、地層特點等信息，如圖8所示。

圖8 地層內漫游界面

5 結 語

本文利用基礎測繪數據和地質數據快速搭建了鐵路沿線周圍的虛擬地理環境，為研究該區域地質災害提供了更加直觀的地質資料，以及測量工具、斷面分析工具、地質刨切工具、管理工具和三維顯示漫游等相關輔助設計工具；協助地質專家開展了地質災害調查、監測和評估等工作，為鐵路項目的線路設計、安全施工和運營維護等提供了一定的借鑒。同時，本文所建系統還有一些不足之處，如建立的模型雖都有準確信息查詢模塊，但直觀上的大小與實際尺寸還有一定差距，地質數據和測繪數據的融合還需更進一步的研究。

[1]翁正平.復雜地質體三維模型快速構建及更新技術研究[D].北京:中國地質大學,2013

[2]周杰文.三維城市地質信息可視化研究[D].上海:華東師范大學,2006

[3]朱良峰,吳信才,劉修國.城市三維地質信息系統初探[J].地理與地理信息科學,2004,20(5):36-40

[4]焦養泉,朱培民,雷新榮,等.地學空間信息可視化技術應用研究[J].地質科技情報,2005,24(1):1-6

[5]De Kemp E A. 3D Visualization of Structural Field Data: Examples from the Archean Caopatina Formation, Abitibi Greenstone Belt[J]. Computers & Geosciences,2000,26(5):509-530

[6]Pinto V, Font X, Salgot M, et al. Using 3D Structures and Their Virtual Representation as a Tool for Restoring Opencast Mines and Quarries[J]. Engineering Geology,2002,63(1):121-129

[7]Pfeifer N. A Subdivision Algorithm for Smooth 3D Terrain Models[J]. Isprs Journal of Photogrammetry & Remote Sensing,2005,59(3):115-127

[8]Egan S S, Kane S, Buddin T S, et al. Computer Modeling and Visualization of the Structural Deformation Caused by Movement Along Geological Faults[J]. Computers & Geosciences,1999,25(3):283-297

[9]Bain K A,Giles J R A. A Standard Model for Storage of Geological Map Data[J]. Computers & Geosciences,1997,23(6):613-620

[10]王道平.基于GIS的地質災害信息管理系統的設計與規劃[D].長沙:中南大學,2004

P208

B

1672-4623（2017）07-0079-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.07.024

敬小東，碩士研究生，講師，主要從事3S技術應用與開發、測繪工程教學等工作。

2015-11-06。

項目來源：四川省教育廳自然科學資助項目（15ZB0453）。