多來源、多精度地形數(shù)據(jù)在三維地質(zhì)建模中的應(yīng)用

劉聰元, 張春芳, 劉小飛, 楊雪洲

(1.水利部 長江勘測技術(shù)研究所，湖北 武漢　430010; 2.長江三峽勘測研究院有限公司(武漢)，湖北 武漢　430074; 3.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,湖北 武漢　430010)

0　引言

因工作需要,筆者參加了國外某水電站的三維地質(zhì)建模工作。該水電站的特點(diǎn)之一就是壩址與廠房相距較遠(yuǎn),發(fā)電廠房位于河流上一個(gè)天然水庫的附近,沿河流水道約在壩址以下12 km處?？辈靻挝环謩e針對壩址區(qū)與廠房區(qū)進(jìn)行了1∶500和1∶2 000地質(zhì)測繪,并用GOCAD軟件分別建立了壩址區(qū)和廠房區(qū)的三維地質(zhì)模型。

為研究水電站整體布局,分析整體地形特征,需要把兩個(gè)孤立的三維模型按空間坐標(biāo)拼裝,中間用地形面連接,形成該水電站從壩區(qū)至廠房的整體三維地質(zhì)模型。解決這個(gè)問題需要覆蓋壩址區(qū)和廠房區(qū)的整體地形數(shù)據(jù),以及相應(yīng)的坐標(biāo)換算關(guān)系。在不增加額外投資的情況下,筆者借助從互聯(lián)網(wǎng)免費(fèi)下載的低精度地形數(shù)據(jù),通過GOCAD和ArcGIS的聯(lián)合應(yīng)用,較為完美地解決了多來源、多精度地形數(shù)據(jù)的匹配和融合,順利完成了整體模型的拼裝。

1　整體地形模擬范圍選取

由于該水電站壩址區(qū)與廠房區(qū)、引水發(fā)電系統(tǒng)距離較遠(yuǎn),而地質(zhì)勘查中地形資料收集有限,因此在不增加投資的情況下,覆蓋廠房和壩址區(qū)地形只有通過網(wǎng)絡(luò)下載得到。整體地形范圍如圖1所示。

2　整體地形資料搜索

范圍確定后,到CGIAR-CSI網(wǎng)站(http://srtm.csi.cgiar.org/)下載工程區(qū)90 m精度的免費(fèi)DEM數(shù)據(jù)及圖形,輸入要下載數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度范圍,并選擇GEO-TIFF格式,如圖2,點(diǎn)擊“Click here to Begin Searth>>”進(jìn)入下載頁面進(jìn)行下載。

圖1　建模區(qū)域地質(zhì)范圍示意圖

解壓下載的壓縮包,得到四個(gè)文件,分別為readme.txt、srtm59_13.hdr、srtm59_13.tfw和srtm59_13.tif。其中srtm59_13.tif是一個(gè)GRID文件,用ArcGIS打開后如圖3所示。它用灰度表示高程,高程越大,亮度越大,反之亦然;從圖3左邊可以看到,該區(qū)域高程最高為1 233 m,最低為226 m;該數(shù)據(jù)采用WGS84坐標(biāo)系,當(dāng)鼠標(biāo)在圖上劃過時(shí),下部狀態(tài)欄會顯示當(dāng)前位置的經(jīng)緯度。

3　坐標(biāo)變換

現(xiàn)有1∶500以及1∶2 000地形圖采用borneo坐標(biāo)系,要使地形圖和DEM正確疊加,必須知道borneo與WGS84的換算關(guān)系。目前國內(nèi)北京54,西安80與WGS84換算的程序很多,但是borneo坐標(biāo)系的換算關(guān)系相關(guān)資料非常少,致使該項(xiàng)工作一度陷入困境。后經(jīng)反復(fù)研究和嘗試,采用ArcGIS內(nèi)置的borneo坐標(biāo)系比較完美地解決了坐標(biāo)變換問題。

圖2　從CGIAR-CSI網(wǎng)站下載地形數(shù)據(jù)

圖3　用ArcGIS 打開TIFF文件示意圖

ArcGIS不能直接對GRID文件進(jìn)行坐標(biāo)變換。因此,需通過ArcToolbox->Convertion Tools->Raster to Point把GRID變換成矢量點(diǎn)[1]。變換后如圖4所示。每個(gè)點(diǎn)對應(yīng)柵格圖的一個(gè)象素。為了看清點(diǎn)的分布,圖中進(jìn)行了放大,僅顯示了部分點(diǎn)。

圖4　GRID轉(zhuǎn)換矢量點(diǎn)示意圖

坐標(biāo)變換采用ArcToolbox->Data Management Tools->Projetions and Tansformations->Feature->Project工具。輸出坐標(biāo)系應(yīng)從投影坐標(biāo)系的國家坐標(biāo)系統(tǒng)(National Grids)中選擇Malaysia的Borneo 坐標(biāo)系(Timbalai 1948 RSO Borneo Meters.prj)。

轉(zhuǎn)換完成后保存數(shù)據(jù)并重啟ArcGIS,重新裝載數(shù)據(jù)后再觀察狀態(tài)欄,可以看到數(shù)據(jù)已轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)。

4　地形坐標(biāo)數(shù)據(jù)獲取與導(dǎo)出

為了用GOCAD[2]建立整體地形模型,尚需把ArcGIS中的點(diǎn)提取為GOCAD可以接受的XYZ坐標(biāo)數(shù)據(jù)。具體做法是:首先打開屬性表,增加X、Y兩個(gè)字段。然后右鍵單擊X字段標(biāo)題,在彈出的菜單中選擇Caculate Gemetry,將X coordinate of Point賦給X字段,同理將Y coordinate of Point賦給Y字段,然后導(dǎo)出成DBF或TXT格式即可。本文導(dǎo)出為dx.txt,其格式為編號,高程,X值,Y值。

將dx.txt導(dǎo)入GOCAD后表現(xiàn)為點(diǎn)集(pointset)如圖5,由于工程區(qū)地形高差較小,為了便于觀察,圖中對Z軸進(jìn)行了放大。

圖5　GOCAD中點(diǎn)集示意圖

5　 整體地形的建立與地形疊加的應(yīng)用

利用上述地形點(diǎn)建立壩址區(qū)至引水系統(tǒng)三維地形面,壩址區(qū)和廠房區(qū)分別采用1∶500和1∶2 000的高精度地形數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,如圖6所示。

圖6　整體地形面三維地質(zhì)模型

為了增強(qiáng)模型的展示效果,筆者從Google earth上下載了工程區(qū)的衛(wèi)片影像 ,經(jīng)仔細(xì)比對后,根據(jù)找到的幾個(gè)特征點(diǎn)對整體地形面進(jìn)行了貼圖,后經(jīng)多點(diǎn)效驗(yàn),貼圖位置基本準(zhǔn)確,效果見圖7。

圖7　三維地形貼圖效果圖

最后將壩區(qū)地層、斷層、導(dǎo)流洞以及引水線路地層、引水隧洞等模型進(jìn)行拼裝,完成整個(gè)區(qū)域內(nèi)三維地質(zhì)整體模型。

6　結(jié)語

通過ARCGIS和GOCAD的綜合運(yùn)用,經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)提取、數(shù)據(jù)疊加等,將免費(fèi)低精度地形數(shù)據(jù)與已有高精度地形數(shù)據(jù)結(jié)合,成功建立了該水電站整體三維模型,大壩和廠房區(qū)達(dá)到了當(dāng)前階段要求的精度,圓滿完成了建模任務(wù)。文中所述方法對于缺少數(shù)據(jù)的國外工程前期三維應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn):

[1]池建.精通ArcGIS地理信息系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[2]詹莉，劉聰元，張春芳，等.GOCAD及其在烏東德工程中的應(yīng)用[J].資源環(huán)境與工程，2011,25(5):495-498.