基于GIS的不良地質三維建模及線路優化設計研究

袁　鋒,韓　峰,康　峰

(1.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州　730070； 2.蘭州交通大學測繪與地理信息學院,蘭州　730070)

1　概述

隨著計算機技術和現代測繪技術的不斷提高，選線技術已經有了很大的進步，從原來傳統的手工選線轉變為較為先進的計算機輔助設計。鐵路選線設計涉及區域具有大型帶狀特點，同時對于不同階段設計對各類信息的要求也不同。由于目前鐵路勘測任務繁重，大量新建線路面臨工程地質條件復雜，類型繁多等特點，在設計的各個階段如果不能很好地解決地質問題，會對以后的工程建設造成極大影響[1]。

地質問題一直是影響道路與鐵路選線方案設計的重要因素，傳統的選線設計多采用區域地質調查資料，設計的各階段對地質調查的范圍及深度不同，尚未形成一個滿足預可研—可研—初步設計—施工圖設計全階段的地質表達方法，尤其是在三維的選線設計過程中，大型帶狀區域內的不良地質的三維表達研究不足，使得一些較好的立面繞避方案缺失，因此建立適應選線各階段的大型帶狀區域不良地質信息三維表達及應用模型就具有十分重要的價值。

2　不良地質三維建模

2.1　建立三維地形環境

三維地形環境為實現數字選線提供了環境基礎，建立三維地形環境多借助數字地形模型有關算法，實現地表信息的三維可視化，表達線路所處區域地形特征[2]。

數字地形模型就是將地形表面用密集點的x、y、z坐標的數字形式來表達。根據這些數據點，建立一個數學曲面，使該曲面逼近實際地形表面，實現地面的數字化。同時，利用數字地形模型可以進行地形的重建，通過一定的數學方法內插出一個已知平面位置的新點高程，或者算出其他地面特征，如范圍、坡度等[3]。因此，在鐵路線路平、縱面優化設計中，當更改平面線性時，不需重新勘測就能獲得新的橫、縱斷面方向的地形資料。

目前用于鐵路線路設計的數字地形模型的主要形式有三角網式和方格網式數字地形模型，其中以不規則三角網(TIN)在實際應用中更為廣泛。與格網數據模型相比，在某一分辨率下，TIN模型能用更少的空間和時間更精確地表示復雜的表面。因此在建立鐵路線路三維地形環境中，一般采取TIN模型，能夠更加方便地在后臺獲取地形資料，內插地形高程[4-5]。

根據已有的影像和等高線數據，在Arc GIS中首先創建該區域的TIN網(圖1)，然后再將影像數據疊加上去，即能快速建立選線區域的三維地形環境，如圖2所示，進而能夠直接進行線路方案的初步選定。

圖1　地形表面TIN模型

圖2　三維地形環境模型示意

2.2　獲取不良地質信息

遙感影像是獲取線路工程地質信息的主要來源，通過對遙感影像的解譯判釋可以獲得線路工程地質的矢量和柵格數據[6-7]。同時，還可以借助現有的地質調查信息庫，將選線研究區域涉及到的不良地質集成到已建立的數字地形模型中，以減少重復的工作，提高地質信息的獲取效率。地質信息組成如圖3所示。

圖3　不良地質信息組成示意

(1)矢量化地質信息獲取

通過遙感軟件平臺提供的三維模塊對遙感影像三維可視化及影像動態分析進行地質解譯，從圖像的三維可視化與動態分析角度進行局部地質、構造等遙感信息的提取[8-9]。將解譯得到的不良地質的正射影像圈定，再把圈定的范圍轉成坐標數據。

(2)柵格影像的獲取

利用遙感軟件對不良地質的空間位置進行定位，將其作為柵格數據操作的研究區域，再通過解譯模塊的影像裁剪功能實現地質對象的柵格遙感影像的獲取。將矢量數據與其進行疊加，從而實現地質對象的矢柵一體化表達，提供更為直觀、有效的表達和識別模式。

(3)鉆孔數據的獲取

鉆孔數據是地質對象空間構造的基本元素[10]，獲取手段隨科技的發展發生著變革，傳統的鉆探手段逐漸被現代先進的探測儀器所取代，勘探采樣結果都可解譯成基本鉆孔數據，存儲于Excel表格中(表1)，作為三維地質體建模的主要數據源，詳細反映出巖層分布狀況以及不良地質體的厚度[11-12]。

表1　部分鉆孔數據內容

2.3　不良地質信息三維表達

三維地形環境和地下鉆孔數據是三維地質體建模的基礎和核心。地質信息的三維表達是采取面向對象的方法，將地質信息通過不同的地質對象在已建立的三維地形環境中集成和表達，每個地質對象作為一個獨立的空間實體，構建三維地質模型，實現遙感地質選線[13]。

(1)表面表達

將獲取的不良地質的邊界矢量信息在已建立的三維地形環境中進行疊加，即能得到不良地質體的三維表面區域(圖4)，實現地質體的表面表達，為地質選線創建初始環境。

圖4　不良地質體表面表達

(2)立體表達

不良地質體的立體表達主要是依據鉆孔數據建模實現。通過對鉆孔數據進行分層提取，運用Delaunay算法構建出地下地質體的每一層TIN模型，并確定每一層的不良地質范圍，然后填充層間的巖層屬性，從而實現不良地質體的實體表達，如圖5所示。根據不良地質體的位置信息，將其疊加到三維地形環境中(圖6)，為實現不良地質區域的三維立體選線奠定環境基礎。

圖5　不良地質實體

圖6　不良地質體在三維地形環境中表達

3　線路方案優選

在選線過程中，通過對三維地形環境和不良地質體模型的建立，能夠更加全面地考慮不良地質體對線路走向的影響，不僅可以采取平面繞避的方法，在對于重點工程中，平面繞避對于線路整體走向影響較大時，可以通過對不良地質體進行立體分析，采用立面繞避的方法，從而最優地確定線路走向方案[14-15]。

本文以滑坡體為例，根據獲取的矢柵數據以及鉆孔數據建立地質體的三維模型，在線路行徑此區域時，進行平、立面一體化的不良地質選線，從不同角度多方面尋求最優方案。具體操作步驟依次如下。

(1)在建立的三維地形環境中，大致選定線路的可能方案，方案Ⅰ采取平面繞避的方法，方案Ⅱ采取立面避開設計，見圖7。

圖7　不良地質區域平面選線方案

(2)依據線路的縱斷面資料，確定線路立面繞避方案，可以通過架橋從不良地質體上部避開，也可以通過隧道從地質體下部通過。根據實例資料，方案Ⅱ采取開挖隧道的方式避開滑坡體，線路與滑坡體最低點垂直距離為7.773 m，如圖8所示，滿足隧道開挖要求。

圖8　不良地質區域立面選線方案

(3)結合現有的選線設計多目標決策模型快速實現線路方案的比選問題。在繞避不良地質區段，方案Ⅰ較方案Ⅱ線路長442 m，方案Ⅱ中設置1座長度283 m隧道，方案Ⅱ比方案Ⅰ造價略高。方案Ⅱ采用順直線型避開滑坡體的影響，具有線路養護、運營費用低、行車干擾小、運營安全有保證等特點。綜合考慮各因素，可以選擇方案Ⅱ作為最終施工方案。

4　結論

針對地質問題對道路與鐵路線路走向方案設計的影響，借助數字地形模型的相關算法，采用矢柵一體化的建模方法模擬真實地形環境，從而能夠在三維地形環境中大致擬定線路走向方案；通過遙感解譯獲取不良地質體的表面范圍，在該范圍內進行地質鉆探，獲取建立不良地質實體模型的鉆孔數據，從而能夠快速在三維地形環境中表達出不良地質信息；對于經過不良地質區域的線路方案，進行平立面繞避，進而更加全面地得出最優繞避方案，解決了單一平面繞行引起的方案缺失問題，使線路設計方案更具科學性。

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