三維遙感鐵路工程地質(zhì)勘察系統(tǒng)研究

高　山

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(zhì)勘察系統(tǒng)研究

高山

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(zhì)選線和地質(zhì)調(diào)查是山區(qū)鐵路勘察工作的基礎(chǔ)和核心。受現(xiàn)場(chǎng)地形、交通、植被條件影響，存在地質(zhì)外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、周期長(zhǎng)、質(zhì)量難以控制的現(xiàn)狀?；贕oogle earth數(shù)字地球平臺(tái)，二次開(kāi)發(fā)了三維可視化遙感勘察系統(tǒng)(GERIS)，該系統(tǒng)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(zhì)圖、遙感圖像、線位、勘探點(diǎn)等多源勘察資料，實(shí)現(xiàn)了線路方案三維瀏覽和勘探圖件的展示，可輔助地質(zhì)人員進(jìn)行宏觀區(qū)域地質(zhì)選線、微觀地質(zhì)調(diào)查路線設(shè)計(jì)以及勘探點(diǎn)布置等。可有效提高選線、調(diào)查的質(zhì)量和效率，達(dá)到減輕現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)強(qiáng)度和節(jié)約勘察成本的目的。

關(guān)鍵詞鐵路勘察工程地質(zhì)三維遙感影像 遙感解譯

遙感影像具有開(kāi)闊的人工調(diào)查視野和逼真的地質(zhì)環(huán)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(zhì)的幾何形狀、空間位置、目標(biāo)屬性信息[1，2]。特別是通過(guò)三維遙感影像可視化模型可以對(duì)擬定線路穿越區(qū)的地形、地貌、地物、地質(zhì)條件進(jìn)行總體的認(rèn)識(shí)和把握，可以準(zhǔn)確直觀地提取沿線地貌水系、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和不良地質(zhì)體等要素信息，為鐵路整體地質(zhì)勘察工作提供非常便捷經(jīng)濟(jì)的方法和手段。

Google Earth具有全球的的遙感衛(wèi)星影像庫(kù)，包括ETM、SPOT、Quickbird、Worldview等衛(wèi)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(cè)、道路測(cè)量、環(huán)境調(diào)查、地質(zhì)填圖、礦山勘探、工程地質(zhì)勘察、旅游規(guī)劃等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在工程勘測(cè)方面，如劉冬[3]通過(guò)Civil3D與Google Earth結(jié)合輔助排土場(chǎng)三維設(shè)計(jì)，謝偉[4]利用Google earth影像修測(cè)1∶5萬(wàn)地形圖和提取等高線輔助鐵路選線，李為樂(lè)[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(zhì)災(zāi)害，王俊鋒[6]利用Google earth三維影像摸索出定量測(cè)量巖走向、傾向、傾角的方法，黃海峰[7]在Google earth平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)信息集成管理和展示，管振德[8]利用Google earth平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了線性工程的多源空間的數(shù)據(jù)整合和管理。但到目前為止，鐵路設(shè)計(jì)部門還未實(shí)現(xiàn)基于Google earth平臺(tái)開(kāi)發(fā)的鐵路工程地質(zhì)勘察業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

1存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)工程地質(zhì)帶狀調(diào)查的局限性和平面遙感解譯技術(shù)自身的缺陷，造成遙感地質(zhì)解譯精度難以提高，表現(xiàn)為以下幾方面。

①地物空間細(xì)節(jié)特征不顯著：二維遙感影像中地物光譜特性受環(huán)境條件影響，往往出現(xiàn)同物異譜、同譜異物和混合像元的現(xiàn)象，難以按光譜特性進(jìn)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(tài)密切相關(guān)。

②平面解譯的不直觀：地形、地貌和地質(zhì)現(xiàn)象均是以三維空間形態(tài)方式來(lái)表現(xiàn)，由于缺少高程信息，只能以頂視方式觀測(cè)地質(zhì)對(duì)象，解譯時(shí)會(huì)影響到對(duì)地形高差、邊坡坡度、斷面形態(tài)、巖層傾角、斜坡穩(wěn)定性的準(zhǔn)確判斷和定量分析。

③多尺度無(wú)縫數(shù)據(jù)處理難以實(shí)現(xiàn)：對(duì)多來(lái)源多尺度的地質(zhì)、遙感、線路資料的信息集成，平面遙感模型只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的多圖層疊加，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)大尺度的宏觀區(qū)域地質(zhì)現(xiàn)象向小尺度的微觀地質(zhì)現(xiàn)象(或相反)變化的平滑過(guò)渡。

④動(dòng)態(tài)模擬缺乏：地質(zhì)現(xiàn)象并不是靜止的，而是處在動(dòng)態(tài)的發(fā)展之中，受自然現(xiàn)象和人為因素的干擾，產(chǎn)生不均衡的動(dòng)態(tài)變化。不同時(shí)相的二維遙感影像雖然可以反映地物變化，但難以引入時(shí)間因素進(jìn)行動(dòng)態(tài)三維模擬和趨勢(shì)分析。

⑤三維空間表達(dá)不足：線路方案的三維展示、遙感影像多視角解譯、多源地質(zhì)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(duì)綜合地質(zhì)資料的三維空間表達(dá)顯得無(wú)能為力。

因此，三維遙感鐵路工程地質(zhì)勘察技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，受遙感數(shù)據(jù)源、工作區(qū)地質(zhì)背景、地理環(huán)境、前人研究程度、建模方法、工程地質(zhì)勘察精度要求等多種因素的影響，針對(duì)建立三維遙感地質(zhì)勘察系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸問(wèn)題，進(jìn)行了要因分析，見(jiàn)表1。

表1　要因確認(rèn)

2三維遙感地質(zhì)勘察系統(tǒng)技術(shù)路線

三維遙感地質(zhì)勘察系統(tǒng)技術(shù)路線分為以下八個(gè)關(guān)鍵步驟。

①資料準(zhǔn)備：收集、選取代表性鐵路勘察項(xiàng)目的圖形資料(線路設(shè)計(jì)圖、地形圖、各類專題圖、地質(zhì)圖等)、影像資料以及文檔報(bào)表資料等。既有資料存在格式多樣，比例精度不一，應(yīng)進(jìn)行分析歸類，方便下一步工作。

②數(shù)據(jù)處理：即對(duì)紙質(zhì)圖件進(jìn)行掃描矢量化，屬性賦值；對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，投影變換，拓?fù)潢P(guān)系處理等；對(duì)遙感影像進(jìn)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(zhì)遙感解譯標(biāo)志庫(kù)：不同巖土體及工程地質(zhì)現(xiàn)象的波譜特征及時(shí)空特征在遙感圖像上的顯示不同。解譯過(guò)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(jìn)行歸類入庫(kù)，描述其不同波譜下的解譯原則，這就是解譯標(biāo)志庫(kù)的主要工作內(nèi)容。

④遙感信息提?。豪眠b感地質(zhì)解譯和三維可視化技術(shù)，結(jié)合部分野外調(diào)查驗(yàn)證，提取研究區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境背景和不良地質(zhì)災(zāi)害體的分布信息，對(duì)區(qū)域地質(zhì)資料進(jìn)行補(bǔ)充和更新。

⑤數(shù)據(jù)入庫(kù)：將以上各階段獲取的工程地質(zhì)多源信息，利用ENVI、Global Mapper、ArcGIS軟件進(jìn)行海量數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換及切塊，在三維遙感鐵路工程地質(zhì)平臺(tái)下集成入庫(kù)。

⑥成果表達(dá)：對(duì)入庫(kù)后的多源信息根據(jù)需要進(jìn)行組合疊加輸出，如可以將地形、地質(zhì)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(diào)查使用；疊加了地質(zhì)、線路的三維動(dòng)畫(huà)可為選線和工作匯報(bào)提供更生動(dòng)的素材。

⑦綜合勘探：指導(dǎo)長(zhǎng)大隧道綜合勘探，視隧道地形條件、區(qū)域地質(zhì)條件、不良地質(zhì)分布條件以及交通條件，充分利用三維遙感技術(shù)開(kāi)展面、線、點(diǎn)的地質(zhì)勘探，合理進(jìn)行鉆探、物探、挖探的方法組合，以及綜合勘探網(wǎng)、線、點(diǎn)的布置。

⑧技術(shù)歸納總結(jié)：對(duì)物探資料、工程地質(zhì)勘察資料以及施工階段開(kāi)挖地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，對(duì)比遙感解譯成果，對(duì)存在錯(cuò)誤、漏判、疑問(wèn)的地方反復(fù)論證，對(duì)解譯正確的地方進(jìn)行歸納總結(jié)，形成三維遙感鐵路工程地質(zhì)勘察方法體系。

3系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

三維遙感工程地質(zhì)勘察系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱GERIS)采用Visual C# 2005、ObjectARX2006、ADO.Net、COM等編程技術(shù)，集成了Google Earth和AutoCAD平臺(tái)，支持Windows 操作系統(tǒng)。GERIS系統(tǒng)建立了AutoCad接口、線路mdb數(shù)據(jù)庫(kù)接口、工程地質(zhì)信息系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)線路方案三維展示、工程地質(zhì)資料集成、遙感圖像自動(dòng)解譯、目視三維解譯、解譯標(biāo)志庫(kù)、三維漫游等功能。系統(tǒng)包括：界面控制模塊、項(xiàng)目管理模塊、地形與影像庫(kù)模塊、線路設(shè)計(jì)模塊、遙感解譯與勘察數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、空間分析模塊、綜合展示模塊及輔助工具。

技術(shù)流程見(jiàn)圖1。

圖1　GERIS系統(tǒng)技術(shù)流程

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2　GERIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1　基本功能

(1)核心功能

①Google Earth上數(shù)字地形和數(shù)字影像的自動(dòng)獲取。

②基于Google Earth的線路設(shè)計(jì)，以及橋、隧、車站參數(shù)設(shè)置。

③實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線、區(qū)的手工和批量標(biāo)注及編輯功能。

④批量輸入Autocad，實(shí)現(xiàn)Google Earth和Autocad雙窗口操作和同步顯示。

⑤空間點(diǎn)坐標(biāo)、坡向、曲線坡長(zhǎng)、投影坡長(zhǎng)、曲面面積、投影面積的量測(cè)，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(cè)。

⑥綜合展示線路方案、地質(zhì)界線、勘探點(diǎn)、文字、照片、圖表、錄像等多媒體信息。

(2)輔助功能

投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，KML文件導(dǎo)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(xiàng)目管理

工程項(xiàng)目名稱在表象上是鐵路建設(shè)項(xiàng)目的名稱，在實(shí)質(zhì)上是一個(gè)Windows操作系統(tǒng)的文件夾，被用來(lái)標(biāo)識(shí)該文件夾中數(shù)據(jù)所屬的鐵路建設(shè)項(xiàng)目，存儲(chǔ)本項(xiàng)目的各種勘測(cè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。因?yàn)樗且粋€(gè)文件夾，所以必須符合操作系統(tǒng)文件夾的命名規(guī)則。

方案名稱是線路設(shè)計(jì)方案的名稱，通過(guò)線路方案名來(lái)存儲(chǔ)和提取設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。在Windows操作系統(tǒng)中，方案名稱被系統(tǒng)處理成一系列數(shù)據(jù)庫(kù)文件名(可能是主名也可能是擴(kuò)展名)，這些文件存儲(chǔ)在工程項(xiàng)目目錄下的有關(guān)子目錄中，在一個(gè)工程項(xiàng)目下可以有若干個(gè)線路方案。

(2)選擇界面形式與比例尺設(shè)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(jiàn)圖3)。

圖3　GERIS選擇界面形式

GERIS系統(tǒng)根據(jù)選定的比例尺計(jì)算Google Earth的相機(jī)高度并進(jìn)行設(shè)置(見(jiàn)圖4)。

圖4　GERIS顯示比例尺設(shè)置

(3)獲取地形高程和影像數(shù)據(jù)

圖5　采集帶狀Goolge earth影像

(4)線路的定位與顯示

為了將設(shè)計(jì)路線放在Google Earth中的正確位置，需要計(jì)算出路線的逐樁坐標(biāo)。Google Earth中使用的是WGS84大地坐標(biāo)系，而國(guó)內(nèi)目前使用的有WGS84、北京54或西安80橢球系。系統(tǒng)采用七參數(shù)法解算，實(shí)現(xiàn)了不同橢球系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到了逐樁坐標(biāo)。應(yīng)用Google Earth KML圖形繪制顯示技術(shù)，可將線路在Google Earth中繪制表達(dá)出來(lái)(見(jiàn)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(tái)開(kāi)發(fā)的GERIS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在Google Earth平臺(tái)展示單個(gè)線路方案的中心線、橋、隧、站、地質(zhì)、自然保護(hù)區(qū)等各專業(yè)信息和實(shí)現(xiàn)多個(gè)線路方案的綜合對(duì)比顯示。方案展示內(nèi)容采用樹(shù)形方式組織，結(jié)構(gòu)清晰，易于查詢。根據(jù)線路的特點(diǎn)，線路、橋隧采用不同的方式表達(dá)。展示圖形生成后，系統(tǒng)根據(jù)線位等信息自動(dòng)生成瀏覽路徑，在瀏覽時(shí)設(shè)置成不同的瀏覽速度、瀏覽高度和瀏覽視角，從而使各行業(yè)技術(shù)人員可以全方位、多角度地審視方案。線路的里程、橋隧、標(biāo)志標(biāo)牌、附屬物、沿線地質(zhì)等信息可以通過(guò)點(diǎn)擊相應(yīng)的圖標(biāo)來(lái)查詢，可進(jìn)一步鏈接文字、視頻、音頻、圖片等信息(見(jiàn)圖7)。

圖7　樹(shù)形組織方式方案展示

(6)疊加地質(zhì)圖

以在Google Earth地球上貼圖的方式實(shí)時(shí)疊加工程項(xiàng)目的地質(zhì)圖件，可設(shè)置疊加地圖的透明度，實(shí)現(xiàn)線位、地形、影像和地質(zhì)圖的混合顯示。采用這種方式，遙感解譯過(guò)程中可以將地質(zhì)體的影像特征與三維地貌、地質(zhì)調(diào)查資料良好地聯(lián)系起來(lái)，提高地質(zhì)要素的識(shí)別率，同時(shí)通過(guò)解譯來(lái)修正、補(bǔ)充地質(zhì)圖，形成工程地質(zhì)遙感解譯圖(見(jiàn)圖8)。

圖8　GERIS疊加區(qū)域地質(zhì)圖

(7)GERIS聯(lián)動(dòng)CAD

在GERIS中導(dǎo)入平面方案，在CAD新線軟件中導(dǎo)入同一方案，進(jìn)行CAD窗口與GE窗口聯(lián)動(dòng)，系統(tǒng)自動(dòng)獲取GE的視圖參數(shù)，并以此參數(shù)向CAD發(fā)送ZOOM命令；反之，如果鼠標(biāo)處于CAD模型窗口，將自動(dòng)獲取CAD視圖參數(shù)，以該參數(shù)設(shè)置GE窗口的相機(jī)，實(shí)現(xiàn)縮放同步(見(jiàn)圖9)。

圖9　GERIS聯(lián)動(dòng)CAD窗口

(8)三維空間分析

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

可以查詢?nèi)我恻c(diǎn)的三維空間坐標(biāo)值，可以查詢線段的距離、坡長(zhǎng)、坡率、走向，可以查詢幾何多邊形的周長(zhǎng)和面(見(jiàn)圖10)。

圖10　滑坡體面積測(cè)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(jiàn)圖11)。

圖11　隧道縱斷面展示

(10)巖層(斷層)產(chǎn)狀測(cè)量

傾斜巖層的層面在地表露頭線的最高點(diǎn)(山脊上)和最低點(diǎn)(溝谷中)之間的連接線構(gòu)成的平面稱為巖層三角面。斷層活動(dòng)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(chǎn)狀。在巖層(或斷層)三角面上，選取不在同一直線的多點(diǎn)(不得少于3個(gè))，采用最小二乘法擬合平面，按構(gòu)造地質(zhì)學(xué)“V”字形法則求得巖層(或斷層)產(chǎn)狀(見(jiàn)圖12)。

圖12　巖層產(chǎn)狀地質(zhì)測(cè)量

(11)地質(zhì)勘察資料管理

GERIS系統(tǒng)中具有鐵路勘察地質(zhì)資料的創(chuàng)建、調(diào)用、管理和查詢功能，可以直接與工程地質(zhì)信息庫(kù)鏈接，顯示勘探數(shù)據(jù)庫(kù)信息，也可鏈接文字、視頻、音頻、圖片等信息。勘探點(diǎn)圖標(biāo)分別有觀測(cè)點(diǎn)Gc、重要照相點(diǎn)Sy、鉆孔Jz、螺鉆Lz、靜力觸探Jc、試坑Sk、探槽Tc、輕型動(dòng)力觸探N10?？碧近c(diǎn)的標(biāo)注可以采用導(dǎo)入勘探數(shù)據(jù)庫(kù)和手工上勘探點(diǎn)兩種方法，方便地質(zhì)人員進(jìn)行勘探點(diǎn)布置、勘探線設(shè)計(jì)以及勘探資料的查看。

參考文獻(xiàn)

[1]卓寶熙，甄春相.遙感技術(shù)在鐵路工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2005(z1):398-406

[2]王潤(rùn)生，熊盛青，聶洪峰，等.遙感地質(zhì)勘查技術(shù)與應(yīng)用研究[J].地質(zhì)學(xué)報(bào)，2011，85(11):1699-1743

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

[4]謝偉.Google Earth等免費(fèi)數(shù)據(jù)源在鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2009，35(2):16-18

[5]李為樂(lè)，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(zhì)選線中的應(yīng)用[J].遙感應(yīng)用，2012(1):95-99

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

[7]黃海峰，易慶林，易武.基于Google Earth的三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)預(yù)警信息集成應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38(20):10526-10529，10987

[8]管振德，龐貽鴻.Google Earth在線性工程地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江，2012，43(19):45-47，71

中圖分類號(hào)：U212.22； P237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)04-0032-05

作者簡(jiǎn)介：高山(1975—)，男，2012年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源與環(huán)境遙感專業(yè)，工學(xué)博士，高級(jí)工程師。

收稿日期：2015-04-23