鐵路線(xiàn)路工程地質(zhì)BIM三維建模方法探究

張 鈺， 陸 洋， 楊 壯， 黃 云

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北武漢 430031； 2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031 )

線(xiàn)路是構(gòu)造物的中心線(xiàn)，選線(xiàn)的任務(wù)是確定線(xiàn)路的基本走向和主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、合理地設(shè)計(jì)線(xiàn)路的空間位置、與其他專(zhuān)業(yè)一起合理地布置構(gòu)筑物。鐵路選線(xiàn)的本質(zhì)是一個(gè)多目標(biāo)決策過(guò)程，這個(gè)過(guò)程的基礎(chǔ)是線(xiàn)路經(jīng)過(guò)區(qū)域的資源分部和自然條件，目標(biāo)影響因素是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)可行性、地形地質(zhì)條件、環(huán)境影響、政治、國(guó)防等等。在選線(xiàn)過(guò)程中，地形和地質(zhì)環(huán)境是直接影響線(xiàn)路走向的關(guān)鍵因素，由于傳統(tǒng)的等高線(xiàn)不能直觀地反映實(shí)際復(fù)雜的地形地質(zhì)情況，所以在2.5維等高線(xiàn)上進(jìn)行選線(xiàn)并不能很好的對(duì)地形地質(zhì)環(huán)境有一個(gè)直觀的感受，特別是對(duì)于不良地質(zhì)區(qū)域還需要通過(guò)傳統(tǒng)的工程地質(zhì)勘察報(bào)告、地形圖、工程鉆孔柱狀圖、部分線(xiàn)路的鉆孔剖面圖等加以輔助才能分析出來(lái)。這種方法對(duì)于動(dòng)輒幾百公里且地質(zhì)情況復(fù)雜的鐵路工程來(lái)說(shuō)，己不能滿(mǎn)足我國(guó)高速建設(shè)的鐵路設(shè)計(jì)中對(duì)于地質(zhì)選線(xiàn)、景觀選線(xiàn)、環(huán)境選線(xiàn)的要求[1]。

1 三維地質(zhì)建模研究現(xiàn)狀分析

1.1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究

對(duì)于三維地質(zhì)建模的研究國(guó)外很早就已經(jīng)開(kāi)展，西方國(guó)家早在20世紀(jì)50年代就將三維地質(zhì)建模應(yīng)用于礦業(yè)和地質(zhì)領(lǐng)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(dāng)?shù)囊?guī)模并投入到了市場(chǎng)應(yīng)用中。

1988年法國(guó)教授J.L.Mal let基于AutodeskCAD設(shè)計(jì)出了GOCAD系統(tǒng)，它可以輔助三維地質(zhì)對(duì)象設(shè)計(jì)；加拿大阿波羅科技集團(tuán)公司推出了Micro Lynx系統(tǒng)，它的原理是通過(guò)對(duì)地質(zhì)曲面進(jìn)行離散點(diǎn)采樣、鉆孔等方式獲取空間內(nèi)部地質(zhì)條件信息，再利用該系統(tǒng)進(jìn)行地質(zhì)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(zhì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在Micro Lynx系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，以三角網(wǎng)建模方法建立出地形曲面和實(shí)體模型，運(yùn)用多義線(xiàn)圈封閉巖層及礦體進(jìn)行儲(chǔ)量分析，并且設(shè)計(jì)出交互操作的性能，可以讓工程師根據(jù)自己的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料勾畫(huà)出地質(zhì)模型，并且可以對(duì)地質(zhì)實(shí)體進(jìn)行任意角度和任意截面的剖析進(jìn)行觀察和分析[2]。

我國(guó)對(duì)于三維地質(zhì)建模的研究比較晚，近幾十年來(lái)計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展讓地質(zhì)學(xué)和計(jì)算機(jī)逐漸結(jié)合起來(lái)。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(guó)大多數(shù)地質(zhì)類(lèi)相關(guān)系統(tǒng)和軟件還停留在二維設(shè)計(jì)上，選線(xiàn)工程師從二維設(shè)計(jì)方面結(jié)合地質(zhì)資料，對(duì)相應(yīng)區(qū)域的地質(zhì)條件進(jìn)行分析，這些系統(tǒng)缺少三維可視化的功能，無(wú)法進(jìn)行三維地質(zhì)的查詢(xún)以及更深層次的探究[2]。

1.2 配準(zhǔn)度分析

鐵路線(xiàn)路的特點(diǎn)是長(zhǎng)大帶狀和海量數(shù)據(jù)，一條鐵路線(xiàn)路長(zhǎng)度一般可達(dá)幾百甚至上千公里，這其中用來(lái)進(jìn)行三維建模的地形地質(zhì)數(shù)據(jù)量非常大，稱(chēng)之為海量數(shù)據(jù)。國(guó)外三維地質(zhì)建模方法主要是瞄準(zhǔn)采礦工程，一般情況是面狀區(qū)域，且相比鐵路工程來(lái)說(shuō)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(duì)礦體進(jìn)行多方位的探測(cè)分析和研究，對(duì)于長(zhǎng)大帶狀的鐵路線(xiàn)路工程來(lái)說(shuō)適用性并不高。而且上述介紹的三維地質(zhì)建模系統(tǒng)也多是利用現(xiàn)場(chǎng)的鉆孔采樣，獲取地質(zhì)勘察報(bào)告、鉆孔柱狀圖等地質(zhì)資料后利用曲面插值的方法建立三維地質(zhì)模型，這些建模方法仍離不開(kāi)傳統(tǒng)的勘探方法，并不是真三維的地質(zhì)模型建立，對(duì)于長(zhǎng)達(dá)幾百公里的鐵路工程來(lái)說(shuō)，也將會(huì)消耗大量的人力物力和財(cái)力。國(guó)內(nèi)的三維地質(zhì)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(duì)小面積地質(zhì)體的三維建模從而達(dá)到對(duì)它們的構(gòu)造顯示，與實(shí)際的工程應(yīng)用相結(jié)合較少。

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

2 鐵路數(shù)字化選線(xiàn)系統(tǒng)

鐵路數(shù)字化選線(xiàn)系統(tǒng)是由西南交通大學(xué)高速鐵路線(xiàn)路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)[1-6]的真三維大場(chǎng)景地質(zhì)環(huán)境建模平臺(tái)，它的研發(fā)運(yùn)用了目前最先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、空間信息技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源來(lái)自于航測(cè)信息以及網(wǎng)絡(luò)免費(fèi)地理信息等空間信息，該系統(tǒng)具有信息的識(shí)別、處理、表達(dá)、人機(jī)交互式操作等一系列功能，適用范圍廣，可用于鐵路項(xiàng)目的前期規(guī)劃、初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)、建設(shè)施工和運(yùn)營(yíng)管理的全生命周期。此外，西南交通大學(xué)高速鐵路線(xiàn)路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室還將鐵路線(xiàn)路構(gòu)造物進(jìn)行建模和BIM化，研發(fā)了虛擬環(huán)境下的三維實(shí)體選線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了“所選即所見(jiàn)”，完善了鐵路數(shù)字化選線(xiàn)理論與方法，在平臺(tái)提供的真三維地質(zhì)環(huán)境場(chǎng)景中可進(jìn)行地質(zhì)選線(xiàn)、環(huán)境選線(xiàn)和景觀選線(xiàn)[1]。

虛擬地質(zhì)環(huán)境建模平臺(tái)可以基于航測(cè)或者網(wǎng)絡(luò)地理信息服務(wù)提供的數(shù)據(jù)源進(jìn)行地形信息的識(shí)別、處理、分析和三維可視化表達(dá)。將獲取到的高程數(shù)據(jù)、影像資料在該系統(tǒng)中進(jìn)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(zhì)區(qū)域和虛擬地形環(huán)境進(jìn)行匹配疊加，可在鐵路數(shù)字化選線(xiàn)系統(tǒng)中建立真三維可視化的地質(zhì)模型。

3 基于鐵路數(shù)字化選線(xiàn)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(xiàn)系統(tǒng)中采用的SRTM3 DEM(Shuttle Radar Topography Mission，航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù))高程數(shù)據(jù)是主要由NASA(美國(guó)航空航天局)、NIMA(美國(guó)國(guó)家圖像測(cè)繪局)以及德國(guó)與意大利航空航天機(jī)構(gòu)完成的測(cè)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(gè)經(jīng)緯度方格大小為5°×5°，每個(gè)網(wǎng)格數(shù)據(jù)作為單獨(dú)一個(gè)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(wú)效值。SRTM數(shù)據(jù)根據(jù)分辨率分為1"和3"兩個(gè)版本，分別稱(chēng)為SRTM1(或30 m)和SRTM3(90 m)，目前，網(wǎng)絡(luò)可提供SRTM3的免費(fèi)下載服務(wù)。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(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 影像資料的獲取

進(jìn)行三維可視化實(shí)體選線(xiàn)的基礎(chǔ)是建立起一個(gè)真三維的虛擬地形環(huán)境，這個(gè)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(guò)航測(cè)獲取影像以及從網(wǎng)絡(luò)獲取免費(fèi)影像資源。

常用的網(wǎng)絡(luò)免費(fèi)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(duì)豐富并且分辨率相對(duì)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(lái)源[6]。參考西南交通大學(xué)有關(guān)學(xué)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(zhǔn)，其精度和分辨率在設(shè)計(jì)工作中都能夠滿(mǎn)足要求。

下載好的指定區(qū)域影像經(jīng)過(guò)重投影(UTM)，結(jié)合前面獲得的高程數(shù)據(jù)在鐵路數(shù)字化選線(xiàn)系統(tǒng)中進(jìn)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(xiàn)系統(tǒng)的三維地質(zhì)環(huán)境建模

數(shù)字地質(zhì)信息即地質(zhì)條件信息的數(shù)字化表達(dá)，遙感圖像解譯判釋可獲取鐵路工程沿線(xiàn)地貌、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)、地層(巖性)、水文地質(zhì)等信息。遙感圖像解譯判釋還可以對(duì)鐵路勘測(cè)中常見(jiàn)的不良地質(zhì)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(lèi)別、發(fā)展趨勢(shì)、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(zhì)信息的先進(jìn)可靠技術(shù)。

目前常用的遙感軟件有Erdasimage、Er Mapper、Envi、Pci等，它們都有相應(yīng)的功能實(shí)現(xiàn)地質(zhì)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(zhì)對(duì)象的物理和幾何信息，再利用影像裁剪功能(Image Crisp)對(duì)AOI范圍內(nèi)的影響進(jìn)行提取，即完成了對(duì)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(zhì)對(duì)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(xiàn)系統(tǒng)中疊加到虛擬地形環(huán)境模型上，完成不良地質(zhì)對(duì)象和地形環(huán)境的融合，實(shí)現(xiàn)真三維地質(zhì)模型的建立。

5 結(jié)束語(yǔ)

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