鐵路線路工程地質BIM三維建模方法探究

張 鈺， 陸 洋， 楊 壯， 黃 云

(1.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北武漢 430031； 2. 西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031 )

線路是構造物的中心線，選線的任務是確定線路的基本走向和主要技術標準、合理地設計線路的空間位置、與其他專業(yè)一起合理地布置構筑物。鐵路選線的本質是一個多目標決策過程，這個過程的基礎是線路經(jīng)過區(qū)域的資源分部和自然條件，目標影響因素是技術標準、經(jīng)濟可行性、地形地質條件、環(huán)境影響、政治、國防等等。在選線過程中，地形和地質環(huán)境是直接影響線路走向的關鍵因素，由于傳統(tǒng)的等高線不能直觀地反映實際復雜的地形地質情況，所以在2.5維等高線上進行選線并不能很好的對地形地質環(huán)境有一個直觀的感受，特別是對于不良地質區(qū)域還需要通過傳統(tǒng)的工程地質勘察報告、地形圖、工程鉆孔柱狀圖、部分線路的鉆孔剖面圖等加以輔助才能分析出來。這種方法對于動輒幾百公里且地質情況復雜的鐵路工程來說，己不能滿足我國高速建設的鐵路設計中對于地質選線、景觀選線、環(huán)境選線的要求[1]。

1 三維地質建模研究現(xiàn)狀分析

1.1 國內(nèi)外相關研究

對于三維地質建模的研究國外很早就已經(jīng)開展，西方國家早在20世紀50年代就將三維地質建模應用于礦業(yè)和地質領域并取得了一些成就，近些年發(fā)展迅速，已經(jīng)形成了相當?shù)囊?guī)模并投入到了市場應用中。

1988年法國教授J.L.Mal let基于AutodeskCAD設計出了GOCAD系統(tǒng)，它可以輔助三維地質對象設計；加拿大阿波羅科技集團公司推出了Micro Lynx系統(tǒng)，它的原理是通過對地質曲面進行離散點采樣、鉆孔等方式獲取空間內(nèi)部地質條件信息，再利用該系統(tǒng)進行地質體的三維插值模擬；此后，加拿大Gemcom Software International Inc.公司研發(fā)出Gemcom三維地質設計系統(tǒng)，該系統(tǒng)在Micro Lynx系統(tǒng)的基礎之上，以三角網(wǎng)建模方法建立出地形曲面和實體模型，運用多義線圈封閉巖層及礦體進行儲量分析，并且設計出交互操作的性能，可以讓工程師根據(jù)自己的實際工程經(jīng)驗和專家知識庫結合現(xiàn)場地質資料勾畫出地質模型，并且可以對地質實體進行任意角度和任意截面的剖析進行觀察和分析[2]。

我國對于三維地質建模的研究比較晚，近幾十年來計算機的迅猛發(fā)展讓地質學和計算機逐漸結合起來。但是由于受到硬件條件和人才培養(yǎng)的客觀限制，目前我國大多數(shù)地質類相關系統(tǒng)和軟件還停留在二維設計上，選線工程師從二維設計方面結合地質資料，對相應區(qū)域的地質條件進行分析，這些系統(tǒng)缺少三維可視化的功能，無法進行三維地質的查詢以及更深層次的探究[2]。

1.2 配準度分析

鐵路線路的特點是長大帶狀和海量數(shù)據(jù)，一條鐵路線路長度一般可達幾百甚至上千公里，這其中用來進行三維建模的地形地質數(shù)據(jù)量非常大，稱之為海量數(shù)據(jù)。國外三維地質建模方法主要是瞄準采礦工程，一般情況是面狀區(qū)域，且相比鐵路工程來說數(shù)據(jù)量小，這些建模方法能夠較好地適用于采礦工程中，對礦體進行多方位的探測分析和研究，對于長大帶狀的鐵路線路工程來說適用性并不高。而且上述介紹的三維地質建模系統(tǒng)也多是利用現(xiàn)場的鉆孔采樣，獲取地質勘察報告、鉆孔柱狀圖等地質資料后利用曲面插值的方法建立三維地質模型，這些建模方法仍離不開傳統(tǒng)的勘探方法，并不是真三維的地質模型建立，對于長達幾百公里的鐵路工程來說，也將會消耗大量的人力物力和財力。國內(nèi)的三維地質系統(tǒng)不多，雖然有一些建模系統(tǒng)，但是主要功能集中在對小面積地質體的三維建模從而達到對它們的構造顯示，與實際的工程應用相結合較少。

綜上分析，目前國內(nèi)外的三維地質建模系統(tǒng)對鐵路線路工程的配準度和適用性不高，主要原因有以下幾點：(1)鐵路線路工程有長大帶狀和海量數(shù)據(jù)的特點。(2)建立真三維的工程地質虛擬環(huán)境模型才能為后期的三維可視化選線打好基礎。

2 鐵路數(shù)字化選線系統(tǒng)

鐵路數(shù)字化選線系統(tǒng)是由西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室開發(fā)[1-6]的真三維大場景地質環(huán)境建模平臺，它的研發(fā)運用了目前最先進的虛擬現(xiàn)實技術、空間信息技術、現(xiàn)代測繪技術和計算機仿真技術。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源來自于航測信息以及網(wǎng)絡免費地理信息等空間信息，該系統(tǒng)具有信息的識別、處理、表達、人機交互式操作等一系列功能，適用范圍廣，可用于鐵路項目的前期規(guī)劃、初步設計和施工圖設計、建設施工和運營管理的全生命周期。此外，西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室還將鐵路線路構造物進行建模和BIM化，研發(fā)了虛擬環(huán)境下的三維實體選線，實現(xiàn)了“所選即所見”，完善了鐵路數(shù)字化選線理論與方法，在平臺提供的真三維地質環(huán)境場景中可進行地質選線、環(huán)境選線和景觀選線[1]。

虛擬地質環(huán)境建模平臺可以基于航測或者網(wǎng)絡地理信息服務提供的數(shù)據(jù)源進行地形信息的識別、處理、分析和三維可視化表達。將獲取到的高程數(shù)據(jù)、影像資料在該系統(tǒng)中進行處理后得到虛擬地形環(huán)境模型，再將遙感解譯到的不良地質區(qū)域和虛擬地形環(huán)境進行匹配疊加，可在鐵路數(shù)字化選線系統(tǒng)中建立真三維可視化的地質模型。

3 基于鐵路數(shù)字化選線系統(tǒng)的三維地形環(huán)境建模

3.1 高程數(shù)據(jù)的獲取

在鐵路數(shù)字化選線系統(tǒng)中采用的SRTM3 DEM(Shuttle Radar Topography Mission，航天飛機雷達地形測繪任務)高程數(shù)據(jù)是主要由NASA(美國航空航天局)、NIMA(美國國家圖像測繪局)以及德國與意大利航空航天機構完成的測量全球范圍內(nèi)主要陸地的高程數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)按照經(jīng)緯網(wǎng)格劃分，每個經(jīng)緯度方格大小為5°×5°，每個網(wǎng)格數(shù)據(jù)作為單獨一個TIF文件采用16位的整形數(shù)據(jù)表示高程數(shù)值，其中-32 767表示無效值。SRTM數(shù)據(jù)根據(jù)分辨率分為1"和3"兩個版本，分別稱為SRTM1(或30 m)和SRTM3(90 m)，目前，網(wǎng)絡可提供SRTM3的免費下載服務。下載指定區(qū)域的SRTM高程數(shù)據(jù)可用于建立虛擬地形環(huán)境模型的基礎數(shù)據(jù)。

3.2 影像資料的獲取

進行三維可視化實體選線的基礎是建立起一個真三維的虛擬地形環(huán)境，這個環(huán)境的建立需要獲取高分辨率的影像資料和高精度的高程數(shù)據(jù)，目前常用的方法是通過航測獲取影像以及從網(wǎng)絡獲取免費影像資源。

常用的網(wǎng)絡免費影像資源主要有Yahoo地圖、Google Maps以及百度地圖等衛(wèi)星影像。Google Maps提供的影像資源相對豐富并且分辨率相對其他WMS影像的分辨率要高，選取Google Maps影像作為研究的數(shù)據(jù)來源[6]。參考西南交通大學有關學者[1-5]的研究，Google Maps影像和SRTM3 DEM高程數(shù)據(jù)可以很好的配準，其精度和分辨率在設計工作中都能夠滿足要求。

下載好的指定區(qū)域影像經(jīng)過重投影(UTM)，結合前面獲得的高程數(shù)據(jù)在鐵路數(shù)字化選線系統(tǒng)中進行建模，得到該區(qū)域的虛擬地形環(huán)境模型。

4 基于鐵路數(shù)字化選線系統(tǒng)的三維地質環(huán)境建模

數(shù)字地質信息即地質條件信息的數(shù)字化表達，遙感圖像解譯判釋可獲取鐵路工程沿線地貌、地質構造、不良地質、地層(巖性)、水文地質等信息。遙感圖像解譯判釋還可以對鐵路勘測中常見的不良地質現(xiàn)象如崩塌、滑坡、巖溶、巖堆、沙丘、沼澤、泥石流、河岸沖刷等的影響范圍、分布規(guī)律、類別、發(fā)展趨勢、產(chǎn)生原因、危害程度等加以確定。遙感解譯是獲取數(shù)字化地質信息的先進可靠技術。

目前常用的遙感軟件有Erdasimage、Er Mapper、Envi、Pci等，它們都有相應的功能實現(xiàn)地質條件的信息提取。如Erdas Image遙感軟件，它可以用AOI(area of interest)工程提取地質對象的物理和幾何信息，再利用影像裁剪功能(Image Crisp)對AOI范圍內(nèi)的影響進行提取，即完成了對指定范圍的解譯工作。

前面介紹的三維地形模型是基于不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)建立的表面模型。將地質對象的遙感解譯信息精確定位到三維地形模型上，并且將解譯出的圖像在數(shù)字化選線系統(tǒng)中疊加到虛擬地形環(huán)境模型上，完成不良地質對象和地形環(huán)境的融合，實現(xiàn)真三維地質模型的建立。

5 結束語

地質條件的探明是選線的基礎性工作，利用鐵路數(shù)字化選線系統(tǒng)建立鐵路工程地質虛擬環(huán)境的模型，不僅實現(xiàn)了地形和地質的真三維表達，更為三維可視化選線提供了明晰的地質資料，適合于長大帶狀和海量數(shù)據(jù)的鐵路線路工程。