敬小東，唐 敏，張蓓蓓，程永明

（1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 測繪工程系，四川 德陽 618000；2.中國中鐵二院集團(tuán)有限責(zé)任公司，

四川 成都 610031；3.河南省遙感測繪院，河南 鄭州 450003；4.山西省長治市氣象局，山西 長治 046000）

鐵路路基地質(zhì)三維仿真可視化信息系統(tǒng)研究

敬小東1，唐 敏2，張蓓蓓3，程永明4

（1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 測繪工程系，四川 德陽 618000；2.中國中鐵二院集團(tuán)有限責(zé)任公司，

四川 成都 610031；3.河南省遙感測繪院，河南 鄭州 450003；4.山西省長治市氣象局，山西 長治 046000）

利用Skyline強(qiáng)大的模型顯示功能，結(jié)合C#和C++開發(fā)模塊建立了鐵路路基地質(zhì)三維仿真可視化信息系統(tǒng)。在項(xiàng)目規(guī)定時間內(nèi)完成了地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域三維精細(xì)地理環(huán)境構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)數(shù)據(jù)的三維展示、管理，并具備查詢、量測和刨切等分析功能，為進(jìn)一步開展三維設(shè)計(jì)、分析等奠定了三維框架基礎(chǔ)。

Skyline；地質(zhì)三維仿真；地理環(huán)境構(gòu)建；三維展示；漫游

隨著高速鐵路的不斷發(fā)展，列車的運(yùn)行速度越來越快，發(fā)生事故帶來的后果和損失將無可估量，對地質(zhì)的準(zhǔn)確勘測等與地質(zhì)相關(guān)的內(nèi)容都是保證列車運(yùn)行安全的關(guān)鍵因素。對地質(zhì)災(zāi)害的匯報展示和地質(zhì)、測繪、環(huán)評等數(shù)據(jù)的管理已成為現(xiàn)行鐵路項(xiàng)目的關(guān)鍵內(nèi)容。地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)的綜合管理對鐵路施工、運(yùn)營管理等方面具有重要作用[1]。

地質(zhì)數(shù)據(jù)的可視化研究不僅包括數(shù)據(jù)的采集、處理及其可視化，而且包括相應(yīng)工具的研制[2]（這里主要指相應(yīng)的建模與可視化軟件）。朱良峰[3]和焦養(yǎng)泉[4]等認(rèn)為三維地質(zhì)信息系統(tǒng)是一個集地表、地上、地下多維動態(tài)空間信息于一體的大型綜合性空間信息系統(tǒng)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)可分為3類[5]：①表征地上特征的數(shù)碼景觀和遙感影像數(shù)據(jù)；②表征地表特征的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，包括鐵路中心線、安保區(qū)規(guī)劃線、居民樓分布圖和鐵路沿線土地利用現(xiàn)狀圖等；③表征鐵路路基地下特征的地下三維地質(zhì)數(shù)據(jù)，包括路基地質(zhì)結(jié)構(gòu)、各種地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測評價和防治信息等。

1 系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)見圖1。系統(tǒng)總體分為兩個模塊，分別采用C#和C++語言編寫，使得系統(tǒng)既可兼容以C#語言為基礎(chǔ)的軟件功能（如Skyline軟件開發(fā)包，提供了一些常規(guī)的GIS軟件功能模塊，如量測、土方量計(jì)算等功能），滿足C#程序員的開發(fā)需求；又可兼容以C++語言為基礎(chǔ)的軟件開發(fā)功能，如三維場景顯示、交互模塊、三維場景的管理模塊等。C#和C++語言通過接口轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

在C#模塊中，基于Skyline軟件開發(fā)包開發(fā)了一 系列常規(guī)GIS功能模塊，滿足了用戶大部分的GIS量測，GIS分析和管理需求。數(shù)據(jù)提取模塊作為中間過渡功能，既可從Skyline提取所需數(shù)據(jù)，也可從C++模塊中提取數(shù)據(jù)，最終將這些數(shù)據(jù)傳到C#界面層中進(jìn)行顯示。C#界面層是完全獨(dú)立于功能層的一層，該層主要為用戶提供更加友好和方便的界面，以及輸入、輸出操作功能，收集用戶的消息（如鼠標(biāo)消息、鍵盤消息），并將這些消息傳遞到下層處理。

圖1 系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)圖

在C++模塊中，主要處理地質(zhì)災(zāi)害的業(yè)務(wù)邏輯，其中建模模塊、交互模塊和管理模塊是基于Ogre開發(fā)的；而切割模塊則是從建模模塊中得到切割數(shù)據(jù)，從CGAL中得到算法支持，最后將計(jì)算的結(jié)果通過轉(zhuǎn)換接口傳遞到界面層顯示。

2 二三維GIS環(huán)境的構(gòu)建

利用顯示功能強(qiáng)大的Skyline軟件作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺，搭建了二三維平臺環(huán)境。二維模塊采用航空攝影影像數(shù)據(jù)經(jīng)正射處理后得到的DOM全景影像，載入Skyline平臺，作為二維模式地質(zhì)信息展示及相關(guān)分析的基礎(chǔ)地理環(huán)境。地表以上三維模塊采用3DMax三維建模技術(shù)構(gòu)建鐵路沿線各種地物三維模型，并根據(jù)坐標(biāo)信息準(zhǔn)確載入二維平臺中進(jìn)行顯示，最終構(gòu)成一個三維模式的地質(zhì)信息展示及相關(guān)分析的基礎(chǔ)地理環(huán)境。

二維地理場景和三維地理場景各有優(yōu)勢（圖2），二維地理場景的制作更便宜、效率更高，三維地理場景具有更好的可視化效果，地表建筑物等信息一目了然，可根據(jù)項(xiàng)目需求進(jìn)行選取。

圖2 二三維GIS環(huán)境的搭建

3 功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)不僅能對地下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維顯示和分析，而且能對地表以上地物進(jìn)行GIS功能分析和應(yīng)用，是對地質(zhì)三維可視化系統(tǒng)的重要補(bǔ)充。由于篇幅的限制，本文主要介紹斷面分析功能的實(shí)現(xiàn)流程。

斷面分析能幫助用戶分析地形的起伏變化。在斷面分析工具中，用戶可在三維虛擬地形中通過鼠標(biāo)拖拽的方式拉一條直線，根據(jù)設(shè)定的高度生成一個與地面垂直且經(jīng)過該直線的斷面；并將斷面輸出到系統(tǒng)的斷面分析窗口中，用戶通過鼠標(biāo)就能獲取斷面線任意一點(diǎn)的位置信息、高程信息等，也可以施工圖的形式輸出給用戶。其流程圖如圖3所示。

圖3 斷面分析功能流程圖

基于Skyline平臺，結(jié)合C#開發(fā)的斷面分析功能包括：斷面分析工具、鼠標(biāo)拖動并顯示輔助線、顯示斷面分析窗口、結(jié)合CAD出圖等。以上功能可有針對性地對地質(zhì)三維可視化進(jìn)行分析與展示，并可根據(jù)設(shè)計(jì)者要求出CAD圖，界面相對Skyline更簡潔方便，更適合地勘專業(yè)設(shè)計(jì)人員使用；同時由于接入了Skyline的顯示和操作功能，因此具有專業(yè)性、方便性和顯示效果好等優(yōu)點(diǎn)。該功能可顯示某一段路基附近地形剖面特征，通過記錄鼠標(biāo)點(diǎn)擊、拖動以及松開等事件了解操作者需要了解哪一段斷面的剖面特征，圖 4中的文本框顯示了黃色輔助線處路基附近地形的剖面圖。

圖4 斷面分析功能

除了斷面分析功能，還可以進(jìn)行坡度坡向分析、水平距離量測、垂直距離量測、面積量測等（圖5），由于篇幅限制，本文不再一一列舉。

圖5 各種量測功能示例

4 三維地質(zhì)建模及可視化

4.1 地層建模

三維地層建模能夠指導(dǎo)實(shí)際的地質(zhì)分析，具有相當(dāng)大的實(shí)用價值[6]。利用鉆孔柱狀圖對地層進(jìn)行建模，并為每層數(shù)據(jù)賦予屬性，以便地質(zhì)專家更好地對地層進(jìn)行分析和研究。對每層進(jìn)行建模，并通過可視化手段對不同地層貼上不同的紋理，使地質(zhì)體的地層分界線更加明顯，模型更加逼真。作為地質(zhì)解釋成果的一種新方法，三維地層建模更能滿足工程設(shè)計(jì)、施工和管理的需要。

地層模型是通過地表網(wǎng)格和鉆孔數(shù)據(jù)聯(lián)合擬合而成的，用戶導(dǎo)入地表數(shù)據(jù)和鉆孔數(shù)據(jù)后系統(tǒng)會自動生成地層數(shù)據(jù)，地層模型可根據(jù)地層分層顯示，可通過管理模塊顯示或隱藏某個地層模型，也可通過漫游模塊瀏覽整個地層或某個地層模型。

4.2 鉆孔建模

鉆孔數(shù)據(jù)的記錄和表達(dá)主要通過鉆孔柱狀圖實(shí)現(xiàn)[7]。鉆孔柱狀圖雖然能詳細(xì)記錄鉆孔的屬性信息，但也存在一些不足。它不能表現(xiàn)鉆孔整體的分布情況，且對一些重要屬性的表達(dá)不夠直觀。在三維環(huán)境中，通過對某些區(qū)域內(nèi)的所有鉆孔進(jìn)行建模，能夠展現(xiàn)鉆孔的整體分布情況，也可查詢鉆孔所穿透的地層信息。

該模型能夠通過用戶提供的數(shù)據(jù)迅速創(chuàng)建三維鉆孔數(shù)據(jù)，并將鉆孔數(shù)據(jù)顯示到三維平臺中；可通過管理模塊顯示或隱藏鉆孔；可查詢到鉆孔穿透的地層信息，并將信息顯示到系統(tǒng)提供的窗口中；也可將鉆孔數(shù)據(jù)以施工圖的形式輸出給用戶。

4.3 切割面和切割體建模

任意拉框?qū)θS地質(zhì)體模型作任意方向的切割時，均需計(jì)算切割面?？蚱矫嬖谇懈顣r與三維地質(zhì)體模型有一個相交的平面，即為切割面。在切割過程中，除了生成切割面模型，也生成了切割體模型，切割體模型是地層的一部分。切割面和切割體模型可通過管理模塊控制其顯示和隱藏，也可通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊查詢切割面上的地層屬性信息，還可根據(jù)地層對切割體分層顯示。

4.4 地質(zhì)模型分層可視化

首先通過地層建模模塊建立地層模型，并顯示到三維平臺中，然后通過地層管理模塊進(jìn)行管理。地層管理模塊包括地層的顯示和隱藏，地層屬性信息的查詢等功能，可讓用戶更加方便快捷地瀏覽任意地層的起伏變化，也可查詢?nèi)我獾貙拥膶傩孕畔⒌?。圖6中對話框?yàn)椴樵兊男畔?nèi)容。

圖6 鉆孔或地層信息查詢界面

三維地層模型合在一起很難選定并查詢，因此系統(tǒng)專門開發(fā)了各地層模型的剝離工具，可把某一個地層剝離出來以觀看其下發(fā)的地質(zhì)模型，或把所有的地層模型都剝離開，方便選定和準(zhǔn)確了解地質(zhì)信息（圖7）。

圖7 地層剝離工具

漫游功能一直是可視化中不可缺少的一部分[8-10]，系統(tǒng)不僅需要顯示各地層模型和信息，還要實(shí)現(xiàn)地層內(nèi)的漫游功能。設(shè)定攝像機(jī)的初始位置時，可人性化地輸入高程數(shù)據(jù)調(diào)整攝像機(jī)的高度，使它從地層中穿過，讓使用者有身臨其境的感覺，直觀地看到地層中鉆孔、地層特點(diǎn)等信息，如圖8所示。

圖8 地層內(nèi)漫游界面

5 結(jié) 語

本文利用基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)和地質(zhì)數(shù)據(jù)快速搭建了鐵路沿線周圍的虛擬地理環(huán)境，為研究該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害提供了更加直觀的地質(zhì)資料，以及測量工具、斷面分析工具、地質(zhì)刨切工具、管理工具和三維顯示漫游等相關(guān)輔助設(shè)計(jì)工具；協(xié)助地質(zhì)專家開展了地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測和評估等工作，為鐵路項(xiàng)目的線路設(shè)計(jì)、安全施工和運(yùn)營維護(hù)等提供了一定的借鑒。同時，本文所建系統(tǒng)還有一些不足之處，如建立的模型雖都有準(zhǔn)確信息查詢模塊，但直觀上的大小與實(shí)際尺寸還有一定差距，地質(zhì)數(shù)據(jù)和測繪數(shù)據(jù)的融合還需更進(jìn)一步的研究。

[1]翁正平.復(fù)雜地質(zhì)體三維模型快速構(gòu)建及更新技術(shù)研究[D].北京:中國地質(zhì)大學(xué),2013

[2]周杰文.三維城市地質(zhì)信息可視化研究[D].上海:華東師范大學(xué),2006

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P208

B

1672-4623（2017）07-0079-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.07.024

敬小東，碩士研究生，講師，主要從事3S技術(shù)應(yīng)用與開發(fā)、測繪工程教學(xué)等工作。

2015-11-06。

項(xiàng)目來源：四川省教育廳自然科學(xué)資助項(xiàng)目（15ZB0453）。