王俊冬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

傳統(tǒng)意義上的新建鐵路選線方式有紙上定線和機(jī)助CAD定線兩種，這兩種方式只能在二維地形圖上顯示出線路的走向，線路縱斷面只可顯示出該方案走向上的局部地形起伏情況，而難以在宏觀上直觀顯示線路所在整個(gè)研究區(qū)域的地形變化。此外，在新建鐵路項(xiàng)目前期研究過程中，經(jīng)常出現(xiàn)因缺乏研究區(qū)域內(nèi)1∶5萬及以上比例尺地形圖而阻礙項(xiàng)目進(jìn)展的情況，這在中國(guó)西部邊遠(yuǎn)地區(qū)項(xiàng)目及非洲、南美等海外鐵路項(xiàng)目的預(yù)可研階段尤為突出。

目前，在新建鐵路的三維數(shù)字化選線方面，行業(yè)內(nèi)使用較多、且技術(shù)較為先進(jìn)的是基于Googlearth和CAD二次開發(fā)的數(shù)字化選線軟件，但這種選線方式局限在只能逐個(gè)對(duì)方案沿特定線路方向上提取高程數(shù)據(jù)，難以一次性、大范圍、高效率的建立整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)的數(shù)字高程模型(DEM)。

Global Mapper(以下簡(jiǎn)稱“GM”)軟件具備三維地形可視化和海量數(shù)據(jù)快速處理兩大優(yōu)勢(shì)，不僅可以大范圍、多視角的顯示出線路方案所在區(qū)域內(nèi)的三維地形，還可以利用研究區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，快速創(chuàng)建相應(yīng)數(shù)字高程模型，為方案的深入研究提供了基礎(chǔ)高程數(shù)據(jù)支持，極大地方便了新建鐵路項(xiàng)目的前期選線。此外，GM具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)兼容性，可以輸入和輸出多種格式的數(shù)據(jù)，若將其與其他軟件集成開發(fā)或結(jié)合使用，則在鐵路勘察設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)⒏邞?yīng)用價(jià)值。

1 GM軟件簡(jiǎn)介

Global Mapper是由美國(guó)研發(fā)的一款基于全球高程數(shù)據(jù)的地圖繪制軟件。不僅能夠?qū)⑿l(wèi)星數(shù)據(jù)(例如:SRTM數(shù)據(jù))顯示為光柵地圖、高程地圖、矢量地圖;還可以對(duì)地圖作編輯、轉(zhuǎn)換，打印各類地圖圖形文件，記錄GPS及利用其數(shù)據(jù)的GIS;可以直接訪問USGS(美國(guó)地質(zhì)勘探局)衛(wèi)星照片TerraServer數(shù)據(jù)庫(kù)，免費(fèi)下載WMS數(shù)據(jù)源(包括全球高程數(shù)據(jù)和彩色影像圖等)，并有以真實(shí)的3D方式查看高程地圖的功能;可以轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)集的投影方式以符合具體項(xiàng)目的坐標(biāo)系統(tǒng);可以同時(shí)對(duì)研究區(qū)域的范圍進(jìn)行羽化、裁剪、3D地圖顯示等操作;還可以實(shí)現(xiàn)距離、面積計(jì)算、視線計(jì)算、光柵混合、海拔高度查詢、圖像校正等高級(jí)功能［1］。GM軟件突出的兼容性和可操作性使得其在海洋勘探、石油物探、公路鐵路選線等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2 GM在新建鐵路前期選線中的應(yīng)用

2.1 建立研究區(qū)域內(nèi)的數(shù)字高程模型(DEM)

鐵路選線的核心工作是平面“定線”設(shè)計(jì)和縱向“拉坡”設(shè)計(jì)，研究區(qū)域內(nèi)DEM的建立可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)線路地面線的實(shí)時(shí)更新，為線路縱斷面設(shè)計(jì)提供了極大便利，在數(shù)字化選線過程中尤為重要。GM軟件是一款能夠利用全球SRTM高程數(shù)據(jù)(可免費(fèi)下載)生成DEM的軟件，它在海量數(shù)據(jù)的處理和分析上速度快、效率高，在鐵路前期方案研究過程缺少地形圖的情況下，大范圍建立研究區(qū)域內(nèi)的面狀DEM等方面具有明顯的優(yōu)越性。

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取

美國(guó)國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局同美國(guó)國(guó)家宇航局聯(lián)合于2000年2月發(fā)射“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)，執(zhí)行“航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪飛行任務(wù)”即(The shuttle radar topography mission，SRTM)，SRTM所獲取的數(shù)據(jù)覆蓋了北緯60°到南緯56°之間的全部地球表面［2］。GM獲取高程數(shù)據(jù)的主要途徑是在線免費(fèi)下載研究區(qū)域所在范圍內(nèi)的SRTM高程數(shù)據(jù)，GM對(duì)于存取在載體中的數(shù)據(jù)無需解壓即可讀取，并且可以進(jìn)行批處理。

(2)投影面基準(zhǔn)設(shè)置

SRTM數(shù)據(jù)格式是基于WGS84基準(zhǔn)的經(jīng)緯度平面坐標(biāo)，因此需要將數(shù)據(jù)的橢球基準(zhǔn)和投影方式轉(zhuǎn)化為項(xiàng)目所需的格式，如北京54坐標(biāo)基準(zhǔn)、西安80坐標(biāo)基準(zhǔn)。用戶既可以從GM提供的300多種大地坐標(biāo)系和100多種投影方式選擇［3］，也可以通過外部文件加載基準(zhǔn)和投影方式。

(3)根據(jù)研究區(qū)域邊界坐標(biāo)生成等高線

在等高線邊界選項(xiàng)中輸入研究區(qū)域的西南角坐標(biāo)和東北角坐標(biāo)值，在等高線產(chǎn)生選項(xiàng)菜單中設(shè)置等高距、簡(jiǎn)化等特征，最后生成平滑形等高線。

(4)輸出DWG文件

將研究區(qū)域的矢量化等高線按DWG格式輸出、保存，以便建立DEM。圖1所示為GM輸出的部分等高線矢量數(shù)據(jù)。

(5)建立DEM

應(yīng)用鐵路相關(guān)專業(yè)軟件(如VizRail、RLCAD等)，針對(duì)等高線矢量化數(shù)據(jù)，生成專業(yè)軟件所兼容的DEM數(shù)據(jù)。

GM建立DEM的技術(shù)流程如圖2所示。

2.2 三維地形可視化選線及其應(yīng)用

利用小比例尺地形圖進(jìn)行紙上定線時(shí)，地形圖上的等高線只能反映局部區(qū)域內(nèi)的地形地勢(shì)變化情況，而難以在宏觀上清晰地反映出整個(gè)研究區(qū)域的三維地形變化。GM具有這方面的顯著優(yōu)勢(shì)，它可以對(duì)SRTM地形數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理和分析，大范圍輸出各種格式的柵格圖像，并以三維方式顯示出區(qū)域真實(shí)的地形變化。在新建鐵路項(xiàng)目的方案研究初期，可為線路的宏觀走向比選和線路方案展示提供有利條件。具體而言，GM的三維地形可視化應(yīng)用有以下幾個(gè)方面。

(1)線路宏觀方案比選與展示

在GM中按研究區(qū)域邊界坐標(biāo)輸出光柵圖像文件，將其按西北和東南兩個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)齊到CAD中。參考線路周邊的真實(shí)三維地形，利用常規(guī)選線軟件即可實(shí)現(xiàn)對(duì)線位的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

圖3是蒙西至華中煤運(yùn)通道岳陽(yáng)至吉安段的三維地形，圖中將區(qū)域內(nèi)地名和各個(gè)方案線位疊加到三維地形圖上。從圖中可以直觀地看出每個(gè)方案走向上的地形變化情況。同時(shí)，在越嶺和跨河地段，也可判別橋位和隧道洞口設(shè)置的合理性。

(2)3D多視角方案瀏覽

直接在GM中同時(shí)打開各方案的DWG格式文件和研究區(qū)域的SRTM數(shù)據(jù)文件，利用GM中的3D視圖瀏覽功能可以從任何角度瀏覽不同方案在研究區(qū)域內(nèi)的位置，在3D視角下判斷各方案的合理性。

圖1 矢量化等高線

圖2 GM建立DEM的技術(shù)流程

圖3 研究區(qū)域宏觀走向方案三維可視化比選

(3)局部方案三維可視化比選

對(duì)于越嶺與跨河地段的方案展示和比選，可將各方案的實(shí)體線條疊加在GM三維柵格地形圖像上，為隧道洞口及跨河橋位的選擇提供直觀、真實(shí)的三維效果，極大方便了局部方案的直觀顯示和比選。圖4是蒙西至華中煤運(yùn)通道平江至萬載段福壽山隧道的兩個(gè)越嶺方案比選，將兩方案線位疊加到三維地形上后，可以清晰直觀地看出，兩個(gè)隧道的長(zhǎng)度、洞口的位置及地形情況，顯然，西方案隧道兩端埋深較淺，洞口位置地形較為破碎，洞口設(shè)置條件較東方案差，隧道長(zhǎng)度也較東方案長(zhǎng)，因此，東側(cè)隧道方案優(yōu)于西側(cè)隧道方案。

2.3 其他方面的應(yīng)用

(1)創(chuàng)建可視化三維地形圖

GM是一款專業(yè)繪圖軟件，不僅可以利用SRTM數(shù)據(jù)生成等高線，還可以將等高線、房屋邊界、道路等地形地貌信息覆蓋到三維地形上［4］，形成信息量豐富的三維地形圖文件。

(2)創(chuàng)建局部大比例尺地形圖

在鐵路勘察設(shè)計(jì)過程中，可以利用外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)創(chuàng)建局部大比例尺三維地形圖，即將外業(yè)測(cè)量的數(shù)據(jù)按(序號(hào)，X，Y，H)格式保存為TXT格式文件，在GM中以通用ASCII文本文件格式打開，生成點(diǎn)數(shù)據(jù)后另存矢量數(shù)據(jù)為L(zhǎng)idae LAS文件，生成以las為擴(kuò)展名的文件;再次在GM中打開，進(jìn)行創(chuàng)建面、生成等高線等操作，以生成局部大比例尺三維地形圖［5］。

此外，GM在鐵路項(xiàng)目選線過程中還有圖像矯正、測(cè)繪數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、生成地形剖面圖等方面的應(yīng)用。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

綜上，GM在大范圍快速創(chuàng)建面狀DEM、三維地形可視化顯示，以及創(chuàng)建三維地形圖等方面優(yōu)勢(shì)明顯，在新建鐵路項(xiàng)目前期的方案研究過程中，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 存在的問題及展望

目前，國(guó)內(nèi)能夠免費(fèi)下載的SRTM3文件中，高程數(shù)據(jù)的分辨率僅為90 m，對(duì)于預(yù)可研以后的設(shè)計(jì)階段此精度顯然不足，這也成為GM在鐵路項(xiàng)目后期方案研究應(yīng)用上的一大瓶頸。

圖4 越嶺方案三維可視化比選

隨著測(cè)繪科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在鐵路勘察設(shè)計(jì)領(lǐng)域，外業(yè)工作內(nèi)業(yè)化、圖像顯示效果多元化已成為新的發(fā)展趨勢(shì)。GM軟件如何與GE、Arc-GIS、MapGIS等軟件結(jié)合使用，或進(jìn)行二次開發(fā)，如何充分利用不同類型的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，快速生成高精度、實(shí)時(shí)顯示的三維地形，并創(chuàng)建高精度、不同格式的DEM數(shù)據(jù)是今后重點(diǎn)的研究方向。

［1］http://baike．baidu．com/view/1420121．htm

［2］左美蓉．SRTM高程數(shù)據(jù)及其應(yīng)用研究［D］．長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2009:1－2

［3］李 紅兵，喻威，等．Global Mapper參與測(cè)繪數(shù)據(jù)的管理［C］∥中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì)海測(cè)繪專業(yè)委員會(huì)第二十一屆海洋測(cè)繪綜臺(tái)性學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集．北京:2009

［4］田 茂義，劉如飛．基于ArcGIS和Global Mapper軟件的三維地形可視化技術(shù)的應(yīng)用［J］．全球定位系統(tǒng)，2011，36(2)

［5］風(fēng) 俠．Global Mapper教程．［OL］h ttp://www．godeyes．cn/godnews105/index．a(chǎn)spx．2010－10－25