王一波 邵偉偉 羅新宇

(蘭州交通大學土木工程學院,甘肅蘭州 730070)

在當前的鐵路建設中,對鐵路項目進行可行性研究通常還是采用傳統(tǒng)方法,由于紙質(zhì)地圖的更新速度慢,不能精確反應鐵路行經(jīng)地區(qū)的信息,造成鐵路可行性分析的各項指標存在誤差,無法對線路方案進行最終的準確評價。已經(jīng)通過的可行性研究,在后期的設計和建設中,又往往出現(xiàn)線位的較大改動和增加未知工程量等一系列問題,造成鐵路綜合效益降低,達不到預期的效果。

眾所周知,Google Earth(以下簡稱GE)擁有全球不同分辨率的衛(wèi)星影像和三維地形數(shù)據(jù),可以為全球范圍的地理信息系統(tǒng)應用提供免費的基礎地理地圖。但是,由于軍事,國家利益等諸多原因,目前我國能獲取的GE數(shù)據(jù)精度遠遠不能滿足鐵路工程勘測設計的需求[2]。通過簡單對比可以發(fā)現(xiàn),GE中一些點的平面數(shù)據(jù)和實地相差幾十米、甚至上百米,其高程相差也達幾十米。GE對不同區(qū)域提供的分辨等級也不一樣,比如某些鄉(xiāng)村就比較模糊。正由于GE數(shù)據(jù)精度有限,所以我們對GE資源還缺乏深刻認識,其可信度無從建立,能否將其應用于鐵路勘測設計,如何有效利用GE資源為鐵路勘測設計服務,都必須對其數(shù)據(jù)可靠性和精度進行詳細的分析和驗證。

1 GE數(shù)據(jù)的特點

GE將航拍照片、衛(wèi)星影像、遙感影像和地理信息數(shù)據(jù)(GIS)數(shù)據(jù)整合在一起,其數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天安全局(NASA),初始數(shù)據(jù)為矢量化的柵格數(shù)據(jù)。其衛(wèi)星影像部分來自于美國Digital Globle公司的Quick Bird(快鳥)商業(yè)衛(wèi)星以及美國Earth Sat公司的LAND2SATO7陸地衛(wèi)星;航拍部分來源于以航拍、GIS/GPS相關業(yè)務為主的英國公司BlueSky和美國公司Sanborn。GE將矢量數(shù)據(jù)根據(jù)其屬性數(shù)據(jù)類型的不同,分成不同的圖層,更加方便矢量數(shù)據(jù)的管理和使用。柵格數(shù)據(jù)則將地表分割成一個個的單元格,根據(jù)單元格覆蓋地表面積的大小,構成不同分辨率的圖像。

GE支持本地矢量數(shù)據(jù)的采集和應用,用戶可以方便地從其遙感影像中采集矢量數(shù)據(jù)進行分析。GE所顯示的底片是衛(wèi)星遙感影像,這些影像是衛(wèi)星影像和航拍數(shù)據(jù)的整合,其最高分辨率可達到分米級。但由于政治軍事等各方面的原因,這些高分辨率的影像主要集中在歐美地區(qū),在我國境內(nèi)的分辨率明顯低于歐美地區(qū)。

2 GE數(shù)據(jù)的精度分析

2.1 鐵路設計對空間數(shù)據(jù)的要求

目前鐵路勘測設計一般分為四個階段:預可行性研究、可行性研究、初步設計、施工圖設計[4]。在不同的勘測階段,都需明確指出設計所采用地形圖的比例尺,明確規(guī)定了進行各項勘測設計測繪的精度指標?？傮w而言,隨著設計階段的逐步深入,對空間信息數(shù)據(jù)要求的精度是逐步提高的。

2.2 GE數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)的理論精度

GE采用的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)為SRTM(全稱是Shuttle Radar Topography Mission),主要是由美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)聯(lián)合測量的,SRTM數(shù)據(jù)每經(jīng)緯度方格提供一個文件,該數(shù)據(jù)精度有1弧秒和3弧秒兩種標準,分別稱作SRTM-1和SRTM-3,水平分辨率分別為30 m和90 m。其中,SRTM-1精度的數(shù)據(jù)是將1度的面積分成了3 600×3 600個小區(qū)域,每一個小區(qū)域的大小為1弧秒(約30×30 m的面積;實際上隨著緯度的變化,面積有一定的差異);SRTM-3精度的數(shù)據(jù)是將1度的面積分成了1 200×1 200個小區(qū)域,每一個小區(qū)域的大小是3弧秒(約90×90 m的面積),任何一個小區(qū)域只有一個數(shù)值代表給區(qū)域中心的海拔高程,其余區(qū)域的高程數(shù)值都是通過該區(qū)域本身的一個高程數(shù)值以及相鄰區(qū)域的高程屬性值作距離加權差分計算得出的。相對而言,劃分的區(qū)域面積越少,海拔的精度就越高:SRTM-1的文件中包含3 601×3601個采樣點的高度數(shù)據(jù),SRTM-3的文件里面包含1 201×1 201個采樣點的高度數(shù)據(jù)。目前能夠免費獲取中國境內(nèi)的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)是SRTM-3,每個90 m的數(shù)據(jù)點是由9個30 m的數(shù)據(jù)點算術平均得來的。SRTM數(shù)據(jù)采用16位的數(shù)值表示高程數(shù)值,其最大正高程為9 000 m,最大負高程為-12 000 m。SRTM-3的高程基準為EGM-96大地水準面,平面基準為WGS84。SRTM-3的標稱絕對高程精度為 ±16 m,標稱絕對水平精度為 ±20 m,取得的描述面為DSM。

2.3 GE資源獲取的正確性驗證

正確性驗證是指驗證其下載手段、方法的有效性,并不關聯(lián)下載資源的精度。

(1)檢驗DEM與衛(wèi)星圖片是否匹配

為了檢驗GE資源獲取手段的正確性,把用兩種不同方式下載的DEM(地面高程模型)與衛(wèi)星圖片在第三方軟件平臺上進行展示,以檢查其DEM與衛(wèi)星圖片匹配是否準確。其DEM是基于GE二次開發(fā)實現(xiàn)逐點獲取的地面高程模型,衛(wèi)星圖片是直接鏈接服務器下載并經(jīng)自動拼接后得到的整塊區(qū)域的圖片,展示平臺采用的是第三方ArcGoble平臺,以保證從驗證機制上能夠證明這種驗證方式的有效性。

圖1 檢驗DEM與衛(wèi)星圖片是否匹配

從圖1中可以看出,湖泊河流與地形匹配良好,山腰道路走勢合理,地形紋理層次分明有序,山谷、山脊輪廓清晰,因此這種DEM獲取的手段與衛(wèi)星圖片下載的方法都是有效、正確的。

(2)檢驗反算等高線與GE是否匹配

將下載后的地面模型取等高線,生成如下10 m等高距的地形圖文件,反過來將地形文件加載到GE,以檢驗等高線與GE是否匹配。

從圖2中可以看到,等高線與地形匹配良好,這說明:下載過程與轉(zhuǎn)換過程中方位沒有損失精度;下載與轉(zhuǎn)換過程中高程沒有損失精度。而一旦出現(xiàn)精度損失的情況,將會導致等高線紊亂,與地形匹配不上。

圖2 檢驗反算等高線與GE是否匹配

2.4 GE高程精度驗證

為驗證GE高程精度,故將GE高程與實測高程進行對比分析。其測量點號布置如圖3所示,設立于道路人行道中央及交叉路中央,以便于觀察。

圖3 測量點號布置

實測線路單程1.8 km,往返共3.6 km,閉合差3 mm,其測量結果如表1所示。

從表1可看出,在這些點位上GE高程與實際高程能夠較好的符合。經(jīng)鐵四院在金溫鐵路設計中詳細驗證,其GE數(shù)據(jù)的精度可以滿足鐵路選線設計中預可研和可研兩個階段對空間信息數(shù)據(jù)精度的要求。

表1 實測高程與GE高程比較 m

2.5 從GE數(shù)據(jù)提取線路的縱/橫斷面精度分析

為分析從GE數(shù)據(jù)中提出線路的縱/橫斷面是否可行、數(shù)據(jù)精度如何,將傳統(tǒng)方式與GE數(shù)據(jù)提取方式進行比較。一方面,利用現(xiàn)有鐵路選線輔助軟件從1∶2 000地形圖中生成數(shù)字地模,按20 m取一個點切出縱斷面;另一方面,利用GE提取的DEM,按50 m一個點切出縱斷面。由兩種方式分別生成縱斷面圖,從圖4比較可以看出,其地形地勢還是基本上相吻合的,因此從GE數(shù)據(jù)提取線路的縱/橫斷面其精度是能滿足可研階段的精度要求的。

圖4 地形圖提取的縱斷面與GE提取的縱斷面比較

為了進一步檢驗從GE上獲取的地面線數(shù)據(jù)的精度,中鐵二院曾對“鄭州至萬州”、“四川犍為小火車規(guī)劃”等線路的縱橫斷面地面線進行了綜合比較分析。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn),從GE上獲取的地面線數(shù)據(jù)與從1∶5萬地形圖上人工判讀的地面線數(shù)據(jù)高差在10 m范圍內(nèi)達到了95%,可以說明基于GE的提取的地形精度與人工從1∶5萬地形圖上判讀的精度相當,可滿足規(guī)劃階段的要求[4]。另一方面,GE的提取速度遠快于人工提取的速度,并且GE是DEM疊加影像的三維平臺,具有較好的量測性能(如高程、距離等),有著眾多的優(yōu)勢。

3 GE數(shù)據(jù)在鐵路選線設計中的應用

通過對GE的坐標數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的精度分析,結合當前GE在當前各個領域的應用,可將GE數(shù)據(jù)具體應用于鐵路選線設計的以下方面。

3.1 制作數(shù)字地形圖

在鐵路可研階段,通常收集到的地形圖多為20世紀60、70年代測繪,與當前的現(xiàn)狀差別較遠,特別是村鎮(zhèn)范圍擴展較快,新增了很多建筑物,路網(wǎng)變化也較大。利用GE的衛(wèi)星影像,疊加SRTM數(shù)據(jù)生成的等高線地圖,可制作1∶1萬、1∶5萬、1∶10萬的地形圖,從而對線路行經(jīng)區(qū)域內(nèi)的地貌、水系、城鎮(zhèn)布局、路網(wǎng)等進行了深入細致的研究。

(1)根據(jù)地圖范圍,從中國科學院國際數(shù)據(jù)服務平臺(http://srtm.datamirror.csdb.cn)下載鐵路所在區(qū)域的SRTM數(shù)據(jù)。

(2)利用GetScreen等成熟的GE圖片提取軟件,可以快速、簡便地從GE中下載相應區(qū)域的衛(wèi)星圖片,提取后可利用軟件將分幅的圖片進行自動拼接,最后得到一幅完整無縫的測區(qū)影像。

(3)利用Global Mapper軟件將下載的SRTM數(shù)據(jù)生成等高線地圖,經(jīng)疊合衛(wèi)星圖片和圖形矯正后,生成帶等高線的各種比例地形圖。

3.2 建立數(shù)字地模

在設計鐵路的全線均勻布置控制點,通過坐標計算,可求取鐵路所在帶狀區(qū)域的布爾莎模型的七參數(shù),然后利用GE的COM API函數(shù)提取區(qū)域內(nèi)點的三維坐標,建立整個區(qū)域的數(shù)字地模。在一定的精度指標下,滿足鐵路可行性研究設計的部分需求,例如鐵路選線繞避重要地物、橋梁隧道的布置區(qū)域、方案的比選等。

3.3 地質(zhì)布孔及輔助測繪

在鐵路外業(yè)勘測中,將收集的地質(zhì)圖紙放到GE中,能夠提高布置地質(zhì)鉆孔的準確度和效率;通過專門的部門對GE的高清影像分析,能夠?qū)υ搮^(qū)域的地質(zhì)狀況有初步的分析和了解,實施地質(zhì)選線。另外,在勘測資料整理校審階段,可以利用GE影像對野外測繪的地形和地貌進行校對檢查,杜絕漏測漏繪和測錯現(xiàn)象[3]。

3.4 基于GE的鐵路三維選線

利用GE的KML技術可實現(xiàn)在GE上進行鐵路平面定線,使GE成為鐵路的三維空間選線平臺。通過直接在GE中進行三維選線,能夠迅速高效率的選擇出一條最佳線位,然后進行平面、縱斷面、橫斷面數(shù)據(jù)提取和設計。

3.5 鐵路設計成果在GE中的三維展示

對于鐵路設計者而言,不僅要設計出好的線路方案,也經(jīng)常需要通過平面示意圖、三維效果圖、三維動畫等手段進行方案演示。利用Google公司的另一個軟件Google Sketchup(簡稱GC)建立三維模型,可將鐵路設計成果展示在GE中。通過GE的三維立體顯示,逼真展示了現(xiàn)場線位的效果,還可以配以圖片和文字說明,從而使業(yè)主、設計人員、政府部門都可以直觀的分析和查看路線設計方案,以便做出決策。同樣,對于CAD中的線位,也可通過坐標轉(zhuǎn)換,利用第三方軟件Global Mapper將線位轉(zhuǎn)換成KML文件格式,在GE中顯示查看。

4 結束語

隨著GE在各領域的廣泛使用,將其數(shù)字地球技術應用于鐵(公)路線路規(guī)劃設計無疑具有極其重要的意義。通過對GE資源的可行性、可靠性、數(shù)據(jù)精度進行分析比較及現(xiàn)場實踐驗證,可以得出以下結論:

(1)在目前階段,將GE資源應用于鐵路勘測設計中是可行的,其GE數(shù)據(jù)提取方式也基本可靠,但由于其數(shù)據(jù)精度限制,還只能滿足鐵路預可研和部分可研階段的設計要求,應特別注意GE資源應用的范圍。

(2)充分利用GE資源,將其積極應用于鐵路規(guī)劃設計中,可有效解決當前存在的問題,顯著提高鐵路選線設計技術水平,幫助設計人員實現(xiàn)二維選線向三維選線轉(zhuǎn)變,大大提高了鐵路設計效率和設計鐵路的綜合指標,其應用有著廣泛的前景。

(3)GE資源下載與轉(zhuǎn)換過程中必須可靠,應盡量利用RailwayGIS數(shù)字化平臺或GERail三維空間選線系統(tǒng)進行GE資源下載,避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)精度損失,否則將嚴重影響設計成果的質(zhì)量。

(4)GE采用的WGS84坐標系下的大地坐標,而在鐵路工程建設規(guī)范中,明確要求新建鐵路的平面坐標系采用北京54坐標系。要實現(xiàn)兩個坐標系的精確轉(zhuǎn)換首先需要獲取鐵路工程建設區(qū)域的七參數(shù)值,但由于區(qū)域不同,該區(qū)內(nèi)的橢球面和該坐標系下的橢球面必然存在一定差異,僅僅靠兩種橢球參數(shù)很難進行精確轉(zhuǎn)換[6]。

(5)鐵路選線設計的發(fā)展趨勢是建立集成GE和AutoCAD的鐵路線路三維空間設計平臺,充分利用GE提供的數(shù)字地形和影像,輔助進行線路平縱橫設計、方案比選、各種工程圖和數(shù)量表的輸出以及工程虛擬現(xiàn)實演示等,最終實現(xiàn)面向鐵路各設計階段的數(shù)字化選線。

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