袁　鋒,韓　峰,康　峰

(1.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州　730070； 2.蘭州交通大學測繪與地理信息學院,蘭州　730070)

1　概述

隨著計算機技術和現(xiàn)代測繪技術的不斷提高，選線技術已經(jīng)有了很大的進步，從原來傳統(tǒng)的手工選線轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為先進的計算機輔助設計。鐵路選線設計涉及區(qū)域具有大型帶狀特點，同時對于不同階段設計對各類信息的要求也不同。由于目前鐵路勘測任務繁重，大量新建線路面臨工程地質(zhì)條件復雜，類型繁多等特點，在設計的各個階段如果不能很好地解決地質(zhì)問題，會對以后的工程建設造成極大影響[1]。

地質(zhì)問題一直是影響道路與鐵路選線方案設計的重要因素，傳統(tǒng)的選線設計多采用區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料，設計的各階段對地質(zhì)調(diào)查的范圍及深度不同，尚未形成一個滿足預可研—可研—初步設計—施工圖設計全階段的地質(zhì)表達方法，尤其是在三維的選線設計過程中，大型帶狀區(qū)域內(nèi)的不良地質(zhì)的三維表達研究不足，使得一些較好的立面繞避方案缺失，因此建立適應選線各階段的大型帶狀區(qū)域不良地質(zhì)信息三維表達及應用模型就具有十分重要的價值。

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)境為實現(xiàn)數(shù)字選線提供了環(huán)境基礎，建立三維地形環(huán)境多借助數(shù)字地形模型有關算法，實現(xiàn)地表信息的三維可視化，表達線路所處區(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的x、y、z坐標的數(shù)字形式來表達。根據(jù)這些數(shù)據(jù)點，建立一個數(shù)學曲面，使該曲面逼近實際地形表面，實現(xiàn)地面的數(shù)字化。同時，利用數(shù)字地形模型可以進行地形的重建，通過一定的數(shù)學方法內(nèi)插出一個已知平面位置的新點高程，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)化設計中，當更改平面線性時，不需重新勘測就能獲得新的橫、縱斷面方向的地形資料。

目前用于鐵路線路設計的數(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)在實際應用中更為廣泛。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間更精確地表示復雜的表面。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，進而能夠直接進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，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

通過遙感軟件平臺提供的三維模塊對遙感影像三維可視化及影像動態(tài)分析進行地質(zhì)解譯，從圖像的三維可視化與動態(tài)分析角度進行局部地質(zhì)、構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)成坐標數(shù)據(jù)。

(2)柵格影像的獲取

利用遙感軟件對不良地質(zhì)的空間位置進行定位，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現(xiàn)地質(zhì)對象的柵格遙感影像的獲取。將矢量數(shù)據(jù)與其進行疊加，從而實現(xiàn)地質(zhì)對象的矢柵一體化表達，提供更為直觀、有效的表達和識別模式。

(3)鉆孔數(shù)據(jù)的獲取

鉆孔數(shù)據(jù)是地質(zhì)對象空間構造的基本元素[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)代先進的探測儀器所取代，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

三維地形環(huán)境和地下鉆孔數(shù)據(jù)是三維地質(zhì)體建模的基礎和核心。地質(zhì)信息的三維表達是采取面向?qū)ο蟮姆椒ǎ瑢⒌刭|(zhì)信息通過不同的地質(zhì)對象在已建立的三維地形環(huán)境中集成和表達，每個地質(zhì)對象作為一個獨立的空間實體，構建三維地質(zhì)模型，實現(xiàn)遙感地質(zhì)選線[13]。

(1)表面表達

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)境中進行疊加，即能得到不良地質(zhì)體的三維表面區(qū)域(圖4)，實現(xiàn)地質(zhì)體的表面表達，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

(2)立體表達

不良地質(zhì)體的立體表達主要是依據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)建模實現(xiàn)。通過對鉆孔數(shù)據(jù)進行分層提取，運用Delaunay算法構建出地下地質(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，從而實現(xiàn)不良地質(zhì)體的實體表達，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)，為實現(xiàn)不良地質(zhì)區(qū)域的三維立體選線奠定環(huán)境基礎。

圖5　不良地質(zhì)實體

圖6　不良地質(zhì)體在三維地形環(huán)境中表達

3　線路方案優(yōu)選

在選線過程中，通過對三維地形環(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)體對線路走向的影響，不僅可以采取平面繞避的方法，在對于重點工程中，平面繞避對于線路整體走向影響較大時，可以通過對不良地質(zhì)體進行立體分析，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，進行平、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采取立面避開設計，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)有的選線設計多目標決策模型快速實現(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442 m，方案Ⅱ中設置1座長度283 m隧道，方案Ⅱ比方案Ⅰ造價略高。方案Ⅱ采用順直線型避開滑坡體的影響，具有線路養(yǎng)護、運營費用低、行車干擾小、運營安全有保證等特點。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

針對地質(zhì)問題對道路與鐵路線路走向方案設計的影響，借助數(shù)字地形模型的相關算法，采用矢柵一體化的建模方法模擬真實地形環(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)進行地質(zhì)鉆探，獲取建立不良地質(zhì)實體模型的鉆孔數(shù)據(jù)，從而能夠快速在三維地形環(huán)境中表達出不良地質(zhì)信息；對于經(jīng)過不良地質(zhì)區(qū)域的線路方案，進行平立面繞避，進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，使線路設計方案更具科學性。

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