基于GIS的不良地質(zhì)三維建模及線路優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

袁　鋒,韓　峰,康　峰

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州　730070； 2.蘭州交通大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院,蘭州　730070)

1　概述

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的不斷提高，選線技術(shù)已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，從原來傳統(tǒng)的手工選線轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。鐵路選線設(shè)計(jì)涉及區(qū)域具有大型帶狀特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)于不同階段設(shè)計(jì)對(duì)各類信息的要求也不同。由于目前鐵路勘測(cè)任務(wù)繁重，大量新建線路面臨工程地質(zhì)條件復(fù)雜，類型繁多等特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段如果不能很好地解決地質(zhì)問題，會(huì)對(duì)以后的工程建設(shè)造成極大影響[1]。

地質(zhì)問題一直是影響道路與鐵路選線方案設(shè)計(jì)的重要因素，傳統(tǒng)的選線設(shè)計(jì)多采用區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料，設(shè)計(jì)的各階段對(duì)地質(zhì)調(diào)查的范圍及深度不同，尚未形成一個(gè)滿足預(yù)可研—可研—初步設(shè)計(jì)—施工圖設(shè)計(jì)全階段的地質(zhì)表達(dá)方法，尤其是在三維的選線設(shè)計(jì)過程中，大型帶狀區(qū)域內(nèi)的不良地質(zhì)的三維表達(dá)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(yīng)選線各階段的大型帶狀區(qū)域不良地質(zhì)信息三維表達(dá)及應(yīng)用模型就具有十分重要的價(jià)值。

2　不良地質(zhì)三維建模

2.1　建立三維地形環(huán)境

三維地形環(huán)境為實(shí)現(xiàn)數(shù)字選線提供了環(huán)境基礎(chǔ)，建立三維地形環(huán)境多借助數(shù)字地形模型有關(guān)算法，實(shí)現(xiàn)地表信息的三維可視化，表達(dá)線路所處區(qū)域地形特征[2]。

數(shù)字地形模型就是將地形表面用密集點(diǎn)的x、y、z坐標(biāo)的數(shù)字形式來表達(dá)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)，建立一個(gè)數(shù)學(xué)曲面，使該曲面逼近實(shí)際地形表面，實(shí)現(xiàn)地面的數(shù)字化。同時(shí)，利用數(shù)字地形模型可以進(jìn)行地形的重建，通過一定的數(shù)學(xué)方法內(nèi)插出一個(gè)已知平面位置的新點(diǎn)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(yōu)化設(shè)計(jì)中，當(dāng)更改平面線性時(shí)，不需重新勘測(cè)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(shè)計(jì)的數(shù)字地形模型的主要形式有三角網(wǎng)式和方格網(wǎng)式數(shù)字地形模型，其中以不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。與格網(wǎng)數(shù)據(jù)模型相比，在某一分辨率下，TIN模型能用更少的空間和時(shí)間更精確地表示復(fù)雜的表面。因此在建立鐵路線路三維地形環(huán)境中，一般采取TIN模型，能夠更加方便地在后臺(tái)獲取地形資料，內(nèi)插地形高程[4-5]。

根據(jù)已有的影像和等高線數(shù)據(jù)，在Arc GIS中首先創(chuàng)建該區(qū)域的TIN網(wǎng)(圖1)，然后再將影像數(shù)據(jù)疊加上去，即能快速建立選線區(qū)域的三維地形環(huán)境，如圖2所示，進(jìn)而能夠直接進(jìn)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(huán)境模型示意

2.2　獲取不良地質(zhì)信息

遙感影像是獲取線路工程地質(zhì)信息的主要來源，通過對(duì)遙感影像的解譯判釋可以獲得線路工程地質(zhì)的矢量和柵格數(shù)據(jù)[6-7]。同時(shí)，還可以借助現(xiàn)有的地質(zhì)調(diào)查信息庫，將選線研究區(qū)域涉及到的不良地質(zhì)集成到已建立的數(shù)字地形模型中，以減少重復(fù)的工作，提高地質(zhì)信息的獲取效率。地質(zhì)信息組成如圖3所示。

圖3　不良地質(zhì)信息組成示意

(1)矢量化地質(zhì)信息獲取

通過遙感軟件平臺(tái)提供的三維模塊對(duì)遙感影像三維可視化及影像動(dòng)態(tài)分析進(jìn)行地質(zhì)解譯，從圖像的三維可視化與動(dòng)態(tài)分析角度進(jìn)行局部地質(zhì)、構(gòu)造等遙感信息的提取[8-9]。將解譯得到的不良地質(zhì)的正射影像圈定，再把圈定的范圍轉(zhuǎn)成坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

(2)柵格影像的獲取

利用遙感軟件對(duì)不良地質(zhì)的空間位置進(jìn)行定位，將其作為柵格數(shù)據(jù)操作的研究區(qū)域，再通過解譯模塊的影像裁剪功能實(shí)現(xiàn)地質(zhì)對(duì)象的柵格遙感影像的獲取。將矢量數(shù)據(jù)與其進(jìn)行疊加，從而實(shí)現(xiàn)地質(zhì)對(duì)象的矢柵一體化表達(dá)，提供更為直觀、有效的表達(dá)和識(shí)別模式。

(3)鉆孔數(shù)據(jù)的獲取

鉆孔數(shù)據(jù)是地質(zhì)對(duì)象空間構(gòu)造的基本元素[10]，獲取手段隨科技的發(fā)展發(fā)生著變革，傳統(tǒng)的鉆探手段逐漸被現(xiàn)代先進(jìn)的探測(cè)儀器所取代，勘探采樣結(jié)果都可解譯成基本鉆孔數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)于Excel表格中(表1)，作為三維地質(zhì)體建模的主要數(shù)據(jù)源，詳細(xì)反映出巖層分布狀況以及不良地質(zhì)體的厚度[11-12]。

表1　部分鉆孔數(shù)據(jù)內(nèi)容

2.3　不良地質(zhì)信息三維表達(dá)

三維地形環(huán)境和地下鉆孔數(shù)據(jù)是三維地質(zhì)體建模的基礎(chǔ)和核心。地質(zhì)信息的三維表達(dá)是采取面向?qū)ο蟮姆椒ǎ瑢⒌刭|(zhì)信息通過不同的地質(zhì)對(duì)象在已建立的三維地形環(huán)境中集成和表達(dá)，每個(gè)地質(zhì)對(duì)象作為一個(gè)獨(dú)立的空間實(shí)體，構(gòu)建三維地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)遙感地質(zhì)選線[13]。

(1)表面表達(dá)

將獲取的不良地質(zhì)的邊界矢量信息在已建立的三維地形環(huán)境中進(jìn)行疊加，即能得到不良地質(zhì)體的三維表面區(qū)域(圖4)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)體的表面表達(dá)，為地質(zhì)選線創(chuàng)建初始環(huán)境。

圖4　不良地質(zhì)體表面表達(dá)

(2)立體表達(dá)

不良地質(zhì)體的立體表達(dá)主要是依據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)建模實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行分層提取，運(yùn)用Delaunay算法構(gòu)建出地下地質(zhì)體的每一層TIN模型，并確定每一層的不良地質(zhì)范圍，然后填充層間的巖層屬性，從而實(shí)現(xiàn)不良地質(zhì)體的實(shí)體表達(dá)，如圖5所示。根據(jù)不良地質(zhì)體的位置信息，將其疊加到三維地形環(huán)境中(圖6)，為實(shí)現(xiàn)不良地質(zhì)區(qū)域的三維立體選線奠定環(huán)境基礎(chǔ)。

圖5　不良地質(zhì)實(shí)體

圖6　不良地質(zhì)體在三維地形環(huán)境中表達(dá)

3　線路方案優(yōu)選

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

本文以滑坡體為例，根據(jù)獲取的矢柵數(shù)據(jù)以及鉆孔數(shù)據(jù)建立地質(zhì)體的三維模型，在線路行徑此區(qū)域時(shí)，進(jìn)行平、立面一體化的不良地質(zhì)選線，從不同角度多方面尋求最優(yōu)方案。具體操作步驟依次如下。

(1)在建立的三維地形環(huán)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(shè)計(jì)，見圖7。

圖7　不良地質(zhì)區(qū)域平面選線方案

(2)依據(jù)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(zhì)體上部避開，也可以通過隧道從地質(zhì)體下部通過。根據(jù)實(shí)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(diǎn)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(zhì)區(qū)域立面選線方案

(3)結(jié)合現(xiàn)有的選線設(shè)計(jì)多目標(biāo)決策模型快速實(shí)現(xiàn)線路方案的比選問題。在繞避不良地質(zhì)區(qū)段，方案Ⅰ較方案Ⅱ線路長(zhǎng)442 m，方案Ⅱ中設(shè)置1座長(zhǎng)度283 m隧道，方案Ⅱ比方案Ⅰ造價(jià)略高。方案Ⅱ采用順直線型避開滑坡體的影響，具有線路養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低、行車干擾小、運(yùn)營(yíng)安全有保證等特點(diǎn)。綜合考慮各因素，可以選擇方案Ⅱ作為最終施工方案。

4　結(jié)論

針對(duì)地質(zhì)問題對(duì)道路與鐵路線路走向方案設(shè)計(jì)的影響，借助數(shù)字地形模型的相關(guān)算法，采用矢柵一體化的建模方法模擬真實(shí)地形環(huán)境，從而能夠在三維地形環(huán)境中大致擬定線路走向方案；通過遙感解譯獲取不良地質(zhì)體的表面范圍，在該范圍內(nèi)進(jìn)行地質(zhì)鉆探，獲取建立不良地質(zhì)實(shí)體模型的鉆孔數(shù)據(jù)，從而能夠快速在三維地形環(huán)境中表達(dá)出不良地質(zhì)信息；對(duì)于經(jīng)過不良地質(zhì)區(qū)域的線路方案，進(jìn)行平立面繞避，進(jìn)而更加全面地得出最優(yōu)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(shè)計(jì)方案更具科學(xué)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]卿三惠.鐵路工程勘察設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2014.

[2]呂希奎，陳進(jìn)杰.鐵路數(shù)字化選線三維地質(zhì)環(huán)境建模方法[J].鐵道學(xué)報(bào)，2015，37(8)：91-97.

[3]易思蓉.線路工程信息技術(shù)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2007.

[4]張珊珊，劉志輝.基于多層DEM表面模型的地層結(jié)構(gòu)的三維可視化[J].測(cè)繪信息與工程，2003，28(3)：16-17.

[5]呂希奎.基于遙感信息的選線系統(tǒng)地理環(huán)境建模方法及應(yīng)用研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2008.

[6]易思蓉，朱穎，許佑頂.鐵路線路BIM與數(shù)字化選線技術(shù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2014.

[7]高山，馮光勝.三維遙感鐵路工程地質(zhì)勘察技術(shù)應(yīng)用研究[J].鐵道勘察，2009(1)：36-39.

[8]楊新亮.遙感技術(shù)在庫格鐵路阿爾金山區(qū)地質(zhì)選線中的應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014，58(3)：5-9.

[9]劉亞林.多源遙感技術(shù)在鐵路工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013，57(5)：13-16.

[10] 李建華，邊馥苓.工程地質(zhì)三維空間建模技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2003，28(1)：25-30.

[11] 宋仁波.基于GIS的3維地質(zhì)建模與可視化研究[J].測(cè)繪與空間地理信息，2012，35(8)：19-21，25.

[12] 宋仁波，王細(xì)元，王月香，等.基于GIS協(xié)同AutoCAD和Google SketchUp的三維地質(zhì)建模方法研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2013，21(5)：709-715.

[13] 高山.鐵路工程地質(zhì)選線三維可視化技術(shù)與評(píng)價(jià)方法研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2011(2)：27-31，36.

[14] 鐘晶.懷邵衡鐵路復(fù)雜不良地質(zhì)區(qū)域線路方案研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2015，59(11)：35-40.

[15] 尹士清.向莆鐵路戴云山越嶺隧道群工程地質(zhì)選線[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2016，60(3)：7-11.