基于GIS的風沙地區(qū)鐵路選線不良地質環(huán)境建模及線路優(yōu)化設計研究

高玉祥，程建軍，董曉峰，李澤宇

(1.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044; 2.石河子大學水利建筑工程學院，新疆維吾爾自治區(qū) 石河子 832003;3.北京交通大學建筑與藝術學院，北京 100044; 4.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 700043)

引言

地質問題一直是影響鐵路選線設計的重要因素，不良地質的空間分布及危害程度決定了線路走向、建(構)筑物布設和工程投資等內容。風沙危害是一種由風沙流運動而引起的典型不良地質災害，鐵路沙害的主要形式為風蝕路基、鋼軌磨蝕和沙埋鐵路，其貫穿沙區(qū)鐵路建設、運營全過程[1-3]。風沙地區(qū)鐵路選線設計需要著重考慮沙害問題，采取合理的線路方案或沙害整治措施，盡可能減弱、降低風沙流對線路工程的影響。根據《國家綜合立體交通網規(guī)劃綱要》(2021)、《國家“十四五”發(fā)展規(guī)劃》(2021)和《西部陸海新通道總體規(guī)劃》(2019)，西北地區(qū)鐵路在未來一段時期建設量仍然很大，而這些區(qū)域戈壁、沙漠廣泛分布，擬修建的很多條線路都穿行于風沙危害頻發(fā)區(qū)域，風沙地區(qū)鐵路選線的技術水平、作業(yè)效率面臨更大的挑戰(zhàn)，如何利用先進的計算機信息建模技術為選線服務是風沙地區(qū)鐵路選線急需解決的問題。

風沙災害是一種發(fā)生于地表的地質危害，通過利用現代化勘測設計技術對選線范圍內的沙害區(qū)進行識別、提取與表達，建立線路沿線的帶狀地理環(huán)境模型，進而分析線路與不良地質的空間關系來實現方案優(yōu)化設計，是當前風沙地區(qū)鐵路減災選線設計的必然要求與發(fā)展趨勢。易思蓉等[4]最早提出了虛擬環(huán)境選線系統(tǒng)的智能環(huán)境模型，通過研發(fā)虛擬選線系統(tǒng)模擬真實地理環(huán)境來輔助鐵路選線設計。蒲浩等[5]采用OSG技術二次開發(fā)了人機交互式設計的鐵路三維可視化設計平臺，實現了鐵路三維場景的快速構建。呂?？萚6]利用遙感技術提取線路沿線區(qū)域地質信息，對基于地質建模的復雜艱險山區(qū)鐵路三維選線技術進行了研究。李為樂等[7]利用Google Earth影像數據和遙感技術動態(tài)解譯了滇藏鐵路選線范圍內的不良地質，實現了高海拔大高差地區(qū)地質選線的方案比選。RS、GIS技術在鐵路選線領域中多被用來提取沿線的地質信息[8-9]，在風沙鐵路中的應用主要是沙害區(qū)域的識別，且應用到風沙區(qū)鐵路選線中主要以二維影像和文本為主，信息的利用率和直觀程度不夠[10]，適用于選線分析的信息多維表達研究也不深入，與地質環(huán)境可視化的空間立體選線目標還有一定差距，已不能適應新時期風沙地區(qū)鐵路減災選線的復雜性。

鑒于此，本文提出矢量數據、柵格數據、專題數據相集成的風沙地區(qū)鐵路選線地質環(huán)境建模方法。首先，通過遙感技術實現地物及不良地質的信息提取，利用多源數據和GIS技術建立風沙地區(qū)鐵路選線地質環(huán)境數據庫，基于GIS平臺將數字地形數據和影像數據集成構建三維地形環(huán)境；然后，疊加不良地質形成可用于風沙地區(qū)鐵路選線的三維可視化地質環(huán)境，通過在三維地質環(huán)境中分析不良地質與線路的空間關系及風沙危害程度，實現線路方案的優(yōu)化設計，可為提高風沙地區(qū)鐵路選線設計水平和效率提供技術支持。

1 基于GIS的風沙地區(qū)鐵路選線地質環(huán)境數據庫構建

1.1 地形數據獲取

三維地形環(huán)境是數字化鐵路選線設計的環(huán)境基礎，通過構建地形環(huán)境可對線路沿線地表信息特征進行三維可視化表達[11]。高程數據DEM(Digital Elevation Model)和影像數據是建立三維虛擬地質環(huán)境的基礎，高程數據的獲取可利用互聯網提供的免費數據服務，從國家地理空間數據云平臺網站(https://www.gscloud.cn/)或美國地質調查局UCGS網站(http://www.usgs.gov/)進行數據下載，操作時通過上傳矢量邊界或選定行政區(qū)劃來制定下載的范圍，格庫鐵路沿線高程分布見圖1。影像數據獲取常用的方法是通過無人機、航測飛機等航測方式來獲取影像，或利用互聯網獲取免費影像資源。

圖1 格庫鐵路沿線地形高程分布

1.2 不良地質數據獲取

風沙危害作為一種發(fā)生于地表的地質災害現象，具有明顯的平面特征。解譯遙感影像是識別地質信息的一種先進可靠技術，通過建立解譯標志和參照物，對擬選線區(qū)域內的遙感影像進行解譯可得到地物、水系、滑坡、泥石流、風沙區(qū)等信息[12]，還可以利用現有的地質調查數據對其進行補充。風速、風向決定著風沙運動的強度和路徑，通過國家氣象科學數據中心(http://data. cma.cn/)和架設移動式氣象站獲取區(qū)域氣象數據。風沙區(qū)選線的不良地質信息組成如圖2所示，基于GIS技術可進一步分析不良地質的分布規(guī)律、發(fā)展趨勢和危害程度等。

圖2 風沙區(qū)選線不良地質信息組成

(1)柵格地質信息獲取

將線路沿線帶狀區(qū)域作為柵格數據操作的研究區(qū)，根據土地利用現狀圖、Landsat-5TM遙感影像、中國沙漠分布圖(http://westdc.westgis.ac.cn)等數據，借助軟件解譯功能實現監(jiān)督分類，判別選線區(qū)域的不良地質、地物、植被等，沿線地物識別結果見圖3。著重提取風沙區(qū)時，可對影像進行7、4、2波段的假彩色合成，這種波段組合可有效區(qū)分沙丘、沙地與其他地物類型。

圖3 格庫鐵路沿線地物識別

(2)矢量地質信息獲取

不良地質分布及范圍識別以后，使用ENVI軟件的AOI模塊提取地質對象的空間位置、邊界點坐標、周長和范圍等信息，還可用按腌膜提取工具實現不良地質柵格格式數據的提取。為了更直觀有效地進行三維可視化分析，將柵格數據、矢量數據疊加到一起，實現不良地質的矢量柵格一體化表達。

由于不同類型沙丘對線路設計的影響作用不同，在風沙區(qū)空間位置及范圍確定后，需要在遙感解譯的基礎上借助Google Earth軟件和現場監(jiān)測、實地調研,既有研究成果數據對沙丘類型、移動特征、移動方向等信息進行補充完善。根據風沙地貌學相關知識[13-15]，并結合實地考察調研，分別建立流動沙丘/沙地、半固定沙丘/沙地、固定沙丘/沙地、戈壁風沙流、風蝕的解譯標志，其中建立的流動沙丘解譯標志如表1所示。

表1 流動沙丘解譯標志

利用Google Earth的添加路徑工具，選取風沙區(qū)界線的起點，依次選取下一點直至沙害區(qū)地質界線繪制完成，設置不同的文件名后保存為相應的KML文件，將GE的WGS84地理坐標系轉換為需要的坐標系統(tǒng)后，基于GIS的點轉柵格功能、Excel轉表功能、TXT文件構建矢量風沙區(qū)范圍，轉化為相應的面圖層，在面shp的Table中將沙害類型、移動特征、危害程度等信息添加進去，利用分類統(tǒng)計結果可研究各類型沙害的空間分布格局及組合關系。格庫鐵路沿線主要的風沙危害類型空間分布如圖4所示。由矢量數據可知，沿線范圍內風積沙地段369.5 km，戈壁風沙流地段235.9 km，風蝕地段146.3 km。根據風沙流對鐵路的危害類型及作用機理，將風沙類型主要分為流動沙丘、流動沙地、半固定沙丘、半固定沙地、戈壁風沙流、風蝕、固定沙丘7種，其中，流動沙地主要分布在羅布莊至通古斯巴、瓊吐爾至羅布莊、東柴山至大烏斯、茫崖湖東至茫崖湖等地段，是線路與防沙工程設計的重點區(qū)域。

(3)地形數據

地面是風沙流運動的環(huán)境基礎，地表的粗糙度、起伏度、坡度、坡向等影響著沙源的分布，對風沙流的形成以及運動發(fā)展有重要的決定作用。這些數據雖然也是柵格形式，卻是不良地質區(qū)域平面表達分析的重要內容，需通過二次分析后得到，利用GIS的Spatial Analyst空間分析模塊處理DEM可獲得這類數據，計算的鐵路沿線粗糙度見圖5。

圖4 格庫鐵路沿線風沙危害

圖5 格庫鐵路沿線地表粗糙度

(4)風況數據

風沙流是一種典型的氣固兩相流，只有當風速大于起沙風速時才會發(fā)生風沙流運動[16]，因此風況決定著區(qū)域內風沙流的危害程度，是風沙災害分析的重要內容。這類數據獲取的途徑主要是利用國家氣象站的監(jiān)測數據和實地架設觀測儀器實現數據獲取，經規(guī)范化處理后可得到主導風向、平均風速、起沙風頻率、風玫瑰、輸沙勢等。基于GIS的非空間數據空間化方法，利用沿線氣象站點數據對格庫鐵路沿線風速數據空間化結果見圖6。

圖6 格庫鐵路沿線風環(huán)境

(5)鉆孔數據

通過鉆孔取樣得到的數據可以直接獲取采樣區(qū)域內詳細的巖層分布、巖性、厚度、斷層特征等，具有直觀、詳細、準確的優(yōu)點，也是進行巖層三維可視化、模擬分析的主要依據。但初始狀態(tài)的鉆孔數據在平面上的分布具有不規(guī)則、離散、稀疏等不足，在使用GIS三維建模之前需要進行地層劃分、排序和編號等標準化處理。根據鉆孔數據特點和鐵路選線不良地質三維實體建模的需求，數據標準化內容及部分處理結果如表2所示。

表2 部分地質鉆孔數據標準化處理

1.3 地質環(huán)境數據存儲設計

鐵路選線過程中使用的數據具有多源異構特性，基于GIS技術將選線區(qū)域不良地質體坐標位置作為各類型地質信息的組織框架，通過GIS建立的地質信息庫可實現地形、地質、地物、正射影像、沙害類型、地下水深等空間數據、非空間數據的存儲，將各種要素數據的特征信息以屬性表的形式存儲，并與矢量數據鏈接，進而利用分析模塊實現風沙地區(qū)選線不良地質信息的提取與表達。Arc GIS主要是用Geo database實現數據存儲[17]，根據風沙地區(qū)鐵路選線數據要素需求，對地貌類型、沙丘疏密度、植被類型及覆蓋度和土壤類型等按要素特征分別存儲在不同的Feature dataset中，沙丘、沙地、林地及草地、自然保護區(qū)等以polygon格式存儲，褶皺、斷層、線路設計方案、風沙區(qū)邊界等以line格式存儲，城鎮(zhèn)、工礦企業(yè)、居民點等以point格式存儲，建立的地質環(huán)境數據庫主要內容見圖7。

圖7 線路地質環(huán)境數據庫

對于矢量數據的屬性信息及部分以矢量格式無法存儲的數據，可通過屬性表的形式進行存儲，作為對矢量、柵格數據的一種有效補充，這種方法增加了數據的豐富性、擴展性和可分析性。在選線設計的過程中，通過直接點擊地質實體模型中的要素可以獲取地質對象的屬性信息，進而結合選線知識進行綜合分析。建立的線路風沙危害信息庫，按風沙災害類型對格庫鐵路全線統(tǒng)計了475個路段，沿線風沙危害數據存儲內容如圖8所示。根據屬性表中的字段數據，借助GIS將非空間的離散數據表達為連續(xù)空間數據的優(yōu)勢，可利用Interpolation模塊中的IDW、Kriging、Spline等插值方法實現離散數據的空間化表達，然后進一步分析地質因素對線路的空間影響范圍及程度。

圖8 格庫鐵路沿線風沙危害數據

2 風沙區(qū)選線地質環(huán)境建模

2.1 建立三維地形環(huán)境

數字高程模型DEM是在一個區(qū)域內以密集地形模型點的坐標X、Y、Z表達地面形態(tài)和描述地表起伏情況，也可利用其提取各種地形參數，被廣泛應用于公路、鐵路選線設計領域[18]。DEM最主要的3種表示模型是不規(guī)則三角網(TIN)模型、規(guī)則格網模型和等高線模型，其中TIN模型在線路設計方面應用最多。根據獲取的影像數據和高程數據，利用GIS的表面模型將柵格數據轉化為TIN網，然后疊加該區(qū)域的影像數據，即可快速建立選線區(qū)域的三維地形環(huán)境，處理結果如圖9所示。不同顏色表示不同的高程范圍，能比較直觀地觀察分析風沙區(qū)的位置、范圍、面積等信息，結合區(qū)域內不良地質的分布可實現線路方案的初步選定。

圖9 三維地形環(huán)境

2.2 平面表達分析

風沙地區(qū)鐵路選線設計更加強調了地質選線、環(huán)境選線、減災選線的理念，對各種不良地質的準確表達有助于避免線路設計修建及運營過程中的一些重大地質問題，特別是局部不良地質的有效表達更為重要。

沙丘是地表沙粒在風力的作用下搬運、堆積形成的地貌形態(tài)，根據沙丘流動程度可將其劃分為固定沙丘、半固定沙丘和流動沙丘[19]，其中流動沙丘會隨著時間發(fā)展向一定方向移動，且流動沙丘區(qū)域內的沙粒極易被風吹起，故這類沙丘會淹沒道路、村莊、農田等，對基礎設施、社會經濟的影響最大，而半固定、固定沙丘由于表面沙流相對穩(wěn)定，發(fā)生風沙流危害現象的可能性較小，造成的破壞也較輕[20]。不同類型沙丘都具有特有的表面形態(tài)，格庫鐵路新疆段沿線主要沙丘類型組成見圖10。

圖10 沿線沙丘類型

風沙區(qū)是一種具有典型平面特性的不良地質，利用遙感解譯得到的影像數據將不良地質矢量信息在地理環(huán)境中進行疊加，可以得到不良地質的表面區(qū)域。利用ENVI軟件獲取的風沙區(qū)邊界坐標文件和GIS地理數據庫新建polygon要素，實現不同類型沙丘的空間范圍勾繪，要素表達見圖11。

圖11 不良地質表面要素表達

沙丘地貌提取完成以后，按照沙丘的流動特征、形態(tài)特征對其分類，并將數字地貌類型轉化為相應的矢量圖。起伏度是指比較范圍內最大高程與最小高程之間的差值，經反復試驗，將起伏度的閾值設定為16 m，可較好地實現沙丘、沙地的類型區(qū)分。用Arc Map的點線面編輯工具勾畫沙丘單元，并添加相應屬性信息。由于部分區(qū)域存在非平滑的邊界折線，還需對其進行平滑處理。利用GIS空間分析可實現面積統(tǒng)計、空間分布特征分析，選線設計中當線路穿過風沙區(qū)時，對有交集的不良地質進行高亮顯示，并根據ID調入已存儲的不良地質屬性信息，結合三維空間分析功能實現不良地質對線路影響程度的判別，另外將兩期影像聯合分析還可得到沙丘的移動規(guī)律、空間范圍變化等，沿線局部路段的沙丘移動速率如圖12所示。

圖12 若羌—尉犁段沿線沙丘移動速率

2.3 立面表達分析

不良地質信息的立體表達主要是通過線路沿線的三維地形環(huán)境和鉆孔數據，采用面向對象的表達方法，利用GIS平臺將地質信息集成到三維環(huán)境中進行有效表達。將帶有位置信息的鉆孔數據轉化為三維空間點，分層次提取每一層鉆孔點，將獨立保存的鉆孔數據依次生成每一層的地質體，完成地質體的三維建模，立體表達結果見圖13(a)。

線路作為一個帶狀的三維空間實體，在不良地質區(qū)域往往會穿越斷層，而斷層的存在破壞了地層連續(xù)性，其對橋梁、隧道的局部方案設計有很大影響。而斷層區(qū)域的三維地質體建模就是通過分別存儲斷層兩側的鉆孔數據，在建模后將地層分界點進行連接即可，斷層區(qū)域地質建模如圖13(b)所示。

圖13 不良地質實體

2.4 不良地質體與地形融合

鐵路選線設計時，為更好地分析對比線路方案，避免部分優(yōu)秀方案的缺失，通過將生成的不良地質實體疊加到線路三維地形環(huán)境中，實現兩者的融合[21]。首先要確定融合區(qū)域，不良地質體與地形融合影響區(qū)域確定的實質就是將不良地質體的邊界投影到地形網格上，形成一個多邊形區(qū)域。兩者間的對應關系可以為一對多或者多對一，即多個融合區(qū)域對應一個地形網格。地質實體模型讀入后，可通過分解模型的包圍盒進行融合區(qū)域的確定。

進行地質體的坐標轉換后，通過求解融合區(qū)域與地形塊網格，利用約束三角網刪除內部的三角形，以融合區(qū)域的邊界為特征邊對剩余的三角形進行重構網，不良地質體循環(huán)構網后實現地質體與地形的融合，結果如圖14所示。

圖14 不良地質在三維地形環(huán)境中表達

3 風沙區(qū)線路方案優(yōu)化設計

3.1 工程概況

格庫鐵路是連接青海省格爾木市和新疆自治區(qū)庫爾勒市的一條國鐵Ⅰ級客貨共線電氣化鐵路[22]，全長1213.7 km，設計速度120 km/h。某沙害段線路走行于山前沖洪積平原及低山丘陵區(qū)，地勢略起伏，線路穿越東柴山小越嶺地段，附近發(fā)育有風蝕殘丘、風蝕洼地、流動沙地、半固定沙地沙丘及戈壁風沙流等不良地質，局部段落風積沙嚴重。

風沙地區(qū)鐵路選線設計時，通過建立沿線三維地形環(huán)境和不良地質體模型，能夠較為全面地考慮風沙危害對線路平面走向的影響。根據沙害類型及程度，不僅可以采用平面繞避、橫穿的方法，當平面繞避對線路走向影響較大時，還可以對不良地質體和構造物進行空間立體化分析，通過設置橋隧采用立面繞避的方式，進而確定線路最優(yōu)設計方案。

3.2 線路方案優(yōu)化設計

為繞避流動沙地、沙丘等不良地質，在保證工程設置安全性的前提下盡可能節(jié)約投資，利用獲取的數據基于GIS建立選線區(qū)域三維地理環(huán)境及不良地質表達模型，在此基礎上進行平、立面一體化的地質選線，多角度地尋求最優(yōu)方案。設計的兩個工程方案如圖15所示，隧道方案對風沙危害采用立面避開設計，線路以短直方向設隧道穿越該埡口，出隧道后線路繼續(xù)足坡而下至比較終點；路基方案則以路基結構形式通過該沙害地段，從比較起點引出后向西以路基繞東柴山足坡而下至比較終點，結合沿線地理環(huán)境條件，在線路兩側的沙害區(qū)域采用“遠阻近固”的工程防沙體系。

圖15 沙害區(qū)選線方案

基于該區(qū)域選線地質環(huán)境模型的空間分析可知，隧道方案在比較段落內的線路長度為21.42 km，橋隧比重14.1%；路基方案在比較段落內的線路長度21.96 km，橋梁比重2.9%，兩方案中路基結構形式通過風沙段的長度比較如表3所示。路基方案中線路通過風沙影響嚴重的流動沙地段落較長，地質條件較差，而隧道方案極大地減少了風沙危害對線路的影響。

地質條件影響著工程施工，為進一步分析隧道施工的安全性，利用實測鉆孔數據建立隧道區(qū)域的矢量柵格一體化地質實體模型，利用線路中線和鉆孔信息生成該隧道的地質縱剖面，見圖16?？臻g分析表明，擬建隧道全長為1 960 m，埋深范圍為25～30 m，最大埋深52 m，隧道進口處為厚度1～2 m的風積沙，出口為戈壁風沙流，洞身范圍內Ⅴ級圍巖的長度為1 960 m。結合地形條件，在主導風向的作用下，可能出現部分風沙流在隧道洞口堆積的現象，施工難度與風險較大，屬高風險隧道，而路基方案施工則相對簡單，安全性較高。

圖16 擬建隧道地質剖面

綜合分析可知，在構造物設置上路基方案比隧道方案的線路長度增加0.54 km，橋梁長度減少0.43 km，隧道長度減少1.96 km，工程投資節(jié)省約1.62億元。雖然隧道方案的挖方地段、半固定沙地、流動沙地地段長度短于路基方案，但并沒有徹底地消除風沙危害的影響，特別是該隧道的工程地質條件差，增加了施工的難度，還存在風積沙掩埋隧道洞口的隱患。而路基方案雖然沙丘、沙地地段較長，但通過戈壁風沙流的落段及風沙影響段可被后續(xù)的防沙工程治理，工程投資低于隧道方案。故推薦風險可控、投資較省的路基方案。

4 結論

(1)根據鐵路數字化減災選線設計的目標，研究并建立了適用于風沙地區(qū)鐵路選線不良地質信息的內容組成及其識別、獲取方法，設計多源異構地質信息的組織框架與入庫規(guī)則，構建了基于GIS的風沙地區(qū)鐵路選線不良地質信息庫。

(2)采用矢量-柵格-專題一體化的風沙區(qū)地質環(huán)境建模方法，基于GIS的三維建模、空間分析功能，實現了不良地質信息在選線環(huán)境中的多維表達與空間分析，進而能夠在三維地質環(huán)境中進行線路方案的快速比選與優(yōu)化設計。

(3)以格庫鐵路某沙害區(qū)選線為例，利用獲取的數據構建地質環(huán)境模型，通過空間分析風沙危害對不同線路方案的影響程度，得到較為合理的設計方案。研究表明，基于GIS的風沙地區(qū)不良地質環(huán)境建模方法能比較準確地實現線路方案的優(yōu)化設計，可為今后風沙地區(qū)鐵路選線提供一定的技術支持。