數(shù)字地球三維影像在工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

覃 鋒

(貴州理工學(xué)院采礦工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

·測量·

數(shù)字地球三維影像在工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

覃 鋒

(貴州理工學(xué)院采礦工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

通過對(duì)數(shù)字地球信息技術(shù)和相關(guān)軟件的分析，論述了數(shù)字地球三維影像地形用于工程規(guī)劃設(shè)計(jì)前期的可行性和與傳統(tǒng)方法比較具有的優(yōu)勢，并且結(jié)合實(shí)例說明了數(shù)字地球三維影像地形在水利和公路工程中的應(yīng)用技術(shù)。

數(shù)字地球信息技術(shù)，三維影像地形，工程規(guī)劃設(shè)計(jì)

地形圖是工程規(guī)劃設(shè)計(jì)階段必不可少的資料,工程項(xiàng)目建設(shè)方案依賴于各種比例尺的地形圖，傳統(tǒng)的工程規(guī)劃設(shè)計(jì)由于條件的限制只能在二維的紙質(zhì)的地形圖上進(jìn)行。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和地理測繪信息技術(shù)的快速發(fā)展，工程規(guī)劃設(shè)計(jì)特別是在項(xiàng)目的前期可以利用數(shù)字地球信息系統(tǒng)提供的各種資源進(jìn)行可行性研究和初步設(shè)計(jì)階段的工作。在這方面國外著名的軟件有谷歌地球(Google Earth)，NASA的World Wind(世界風(fēng))和Skyline的TerraExplorer等；而國內(nèi)有天地圖地理信息系統(tǒng)等。這些軟件不僅能為規(guī)劃設(shè)計(jì)者提供地球表面的綜合地理信息，而且也能提供具有高程的真三維地理影像。

1 數(shù)字地球地理信息系統(tǒng)軟件介紹

1.1 谷歌地球(Google Earth)

Google Earth(GE)是一款Google公司開發(fā)的虛擬地球地理信息軟件，它把衛(wèi)星圖片、航拍影像和豐富的地理信息融合在一個(gè)地球的三維模型上。Google Earth于2005年向全球推出，用戶們可以通過電腦上的客戶端軟件，免費(fèi)瀏覽全球各地的高清影像和地表的三維模型。在中國大陸大城市、Google Earth提供分辨率為0.5 m～1 m左右的高清影像，而在農(nóng)村地區(qū)影像分辨率為30 m，影像大約3年更新一次。Google Earth采用的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)為SRTM,地形數(shù)據(jù)按精度分為SRTM1和SRTM3，水平分辨率精度分別為30 m和90 m,而GE的數(shù)字高程模型采用SRTM3的數(shù)據(jù)。GE提供二次開發(fā)接口，能加載Sketch up三維模型，支持導(dǎo)航瀏覽和信息查詢。

1.2 NASA的World Wind

World Wind 是由NASA于2004年發(fā)布，是一個(gè)開放源代碼的地理科普軟件，它是一個(gè)可視化地球儀，將NASA，USGS以及其他WMS服務(wù)商提供的圖像通過一個(gè)三維的地球模型展現(xiàn)，提供免費(fèi)的全球衛(wèi)星影像和地形數(shù)據(jù)，影像分辨率相對(duì)不高，數(shù)據(jù)傳輸速度慢。

1.3 SkylineGlobe

SkylineGlobe是全球領(lǐng)先的三維空間地理的三維數(shù)字地球場景，是一個(gè)功能強(qiáng)大的三維可視化平臺(tái)。用戶可以利用航空和衛(wèi)星影像、地形數(shù)據(jù)和其他的二、三維地理空間及屬性數(shù)據(jù)，創(chuàng)建自定義的虛擬現(xiàn)實(shí)三維可視化場景，進(jìn)行瀏覽、查詢、分析和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布共享。SkylineGlobe旗下包含Terra Builder，TerraExplorer和TerraGate三個(gè)系列產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)三維場景創(chuàng)建、三維場景展示和三維數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能。

2 利用三維影像地形進(jìn)行項(xiàng)目選址

工程項(xiàng)目在符合國家產(chǎn)業(yè)政策和區(qū)域規(guī)劃的前提下，項(xiàng)目的選址需考慮礦產(chǎn)資源、水資源、土地占用、環(huán)境保護(hù)以及地形地貌、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等方面的因素。由于谷歌地球集成了多維地理信息，不僅能夠直觀顯示二維和三維地形地貌，而且還反映交通、水資源、土地利用以及村落城鎮(zhèn)人口居住和產(chǎn)業(yè)分布的多方面的信息，這些信息為項(xiàng)目的選址提供充分的依據(jù)。

對(duì)于大型土木工程項(xiàng)目，項(xiàng)目的選址必須考慮區(qū)域地質(zhì)條件。通過對(duì)谷歌地球上遙感影像的分析來進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造的判斷和解譯，有時(shí)還可以解譯出地面難以觀察到的構(gòu)造細(xì)節(jié)和構(gòu)造的全貌，有利于區(qū)域構(gòu)造分析，比如巖層產(chǎn)狀、褶皺構(gòu)造、斷裂構(gòu)造等在遙感影像上面能夠做出初步的判譯[1]。谷歌地球是我們真實(shí)地形地貌的縮影，利用谷歌進(jìn)行工程項(xiàng)目的選址選線，能夠得到項(xiàng)目所處位置的自然條件、道路交通、城鎮(zhèn)工礦、人口分布和工程地質(zhì)構(gòu)造等方面的綜合信息。

3 數(shù)字地球影像在水利工程的應(yīng)用

3.1 三維地形影像用于可行性研究

由于我國國家基本比例尺地形圖更新緩慢，工程建設(shè)前期用到的地形圖(1∶1萬～1∶5萬)資料多為二十世紀(jì)七八十年代甚至更早的測繪成果。近三十年來我國村落、城鎮(zhèn)、道路交通、電力設(shè)施、通信設(shè)施等各種基礎(chǔ)設(shè)施在地理空間的分布及其數(shù)量和三十年前對(duì)比已完全不同，所以現(xiàn)在使用的地形測繪資料已經(jīng)十分陳舊。隨著數(shù)字地球信息技術(shù)和“3S”技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代地理測繪技術(shù)正從二維向三維轉(zhuǎn)變，諸多地理信息資料的更新速度和質(zhì)量大大加快和提高。Google Earth的衛(wèi)星影像其黑白波段的分辨率高達(dá)0.61 m，彩色的分辨率為2.44 m，最大成圖比例尺可達(dá)1∶1 500～1∶2 000。谷歌地球的高分辨率的影像資料和地面數(shù)字高程可以滿足水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)階段對(duì)地理測繪資料的需求。在工程可行性研究階段，利用影像三維地形查看研究范圍內(nèi)的地形地貌起伏形態(tài)，大致判斷地質(zhì)構(gòu)造和水系的分布以及河流來水量的大小，勾繪出集雨面積的范圍，初步確定壩址的位置，根據(jù)灌溉的需要定出渠道的走向路線；隨著規(guī)劃設(shè)計(jì)的深入，可以大約估算出流域和工程占用土地的面積，確定移民搬遷安置的位置，根據(jù)實(shí)際情況制定移民安置規(guī)劃方案[2]。

3.2 三維影像等高線和斷面的繪制

由于數(shù)字地球地理信息軟件大多都支持二次開發(fā)，可以利用軟件提供的二次開發(fā)接口，實(shí)現(xiàn)地面高程和影像的提取，影像等高線的生成，地面兩點(diǎn)間距離的量取和斷面的繪制，地面土石方開挖的計(jì)算等等功能。在三維影像地面高程模型上面疊加等高線，不僅符合規(guī)劃設(shè)計(jì)人員的習(xí)慣，而且可以查看地面的高程信息。圖1是軟件生成的具有等高線信息的三維影像地形。

在水利工程的設(shè)計(jì)階段常常需要測量繪制水文斷面，在谷歌地球上只要確定了兩點(diǎn)之間的路線，就可以很快繪制出斷面線，圖2是谷歌地球中在線繪制的地形斷面線。

3.3 水工建筑物的三維建模

數(shù)字地球信息系統(tǒng)除了能顯示精細(xì)三維影像地形外，一般還提供二次開發(fā)和專業(yè)的建模工具軟件。比如利用谷歌的草圖大師sketch up，根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)的各種建筑物、構(gòu)筑物的形狀和幾何尺寸建立三維模型，并按真實(shí)的地理坐標(biāo)導(dǎo)入到谷歌地球中顯示出來；還可以使用軟件自帶的sandbox插件把在AutoCAD中繪制的等高線輸入到Sketch up中生成地形模型。圖3是用Sketch up建立的大壩及其附屬建筑、大橋和有等高線的三維影像地形模型。

3.4 模擬洪水淹沒變化過程

利用三維影像地形模擬洪水淹沒趨勢，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的展現(xiàn)了洪水的變化過程及其對(duì)周邊環(huán)境所帶來的影響，以便發(fā)揮防洪工程效益。圖4是城市洪水淹沒情況的模擬圖。

4 數(shù)字地球影像用于公路工程設(shè)計(jì)

4.1 基于三維影像設(shè)計(jì)的優(yōu)勢

基于數(shù)字地球空間的三維影像公路設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的基于線劃等高線地形圖選線設(shè)計(jì)有了本質(zhì)的區(qū)別，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1)與傳統(tǒng)的地形圖(1∶1萬～1∶5萬)相比，谷歌地球的地面影像更新快，反映了目前的地形地貌、水系、城鎮(zhèn)村落、路網(wǎng)以及工礦區(qū)等的現(xiàn)在的空間位置和分布，所以基于Google Earth三維影像的選線更合理科學(xué)可行。2)經(jīng)試驗(yàn)研究表明，基于Google Earth的DTM提取地形高程的精度與從1∶5萬地形圖上人工判讀的精度相當(dāng)，可以滿足規(guī)劃階段的要求；但是在Google Earth上提取路線高程能快速生成線路的縱斷面圖；同時(shí)沿縱斷面方向上能快速提取里程樁、地形加樁、曲線加樁的橫斷面的地形數(shù)據(jù)，繪制橫斷面圖，供設(shè)計(jì)使用。3)基于Google Earth空間的數(shù)字高程和高清影像上建立的三維地形和線路立體模型，給決策部門提供了集真實(shí)地面和工程設(shè)計(jì)模型于一體的仿真模擬系統(tǒng)，形象準(zhǔn)確，以確保能做出科學(xué)的決策和進(jìn)行方案的比選優(yōu)化。

4.2 軟件開發(fā)與應(yīng)用

自從Google Earth 2005年推出后，許多科研單位、設(shè)計(jì)部門和個(gè)人對(duì)谷歌地球在線路工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行了開發(fā)研究。2008年1月以來，中鐵二院規(guī)劃院與中南大學(xué)展開了數(shù)字地球鐵路三維空間選線系統(tǒng)(GERail V1.0)的深入研究，目前該系統(tǒng)已經(jīng)投入使用[3]。在個(gè)人研發(fā)方面，有“成塔路線設(shè)計(jì)(谷歌版)”，軟件在Google Earth的三維影像地理空間進(jìn)行路線的選線、地面縱斷面線的繪制、平面線型和縱斷面拉坡設(shè)計(jì)，借助谷歌地球免費(fèi)的高清衛(wèi)片和三維地形，還可以進(jìn)行行車動(dòng)畫模擬。在谷歌地球上應(yīng)用“成塔路線設(shè)計(jì)”軟件時(shí)，直接在影像上根據(jù)地形地物以及公路設(shè)計(jì)規(guī)范的要求選擇路線走向和平面線型的設(shè)計(jì)，可以對(duì)交點(diǎn)的位置、曲線半徑、緩和曲線長度等進(jìn)行修改、添加、刪除；對(duì)于豎曲線，軟件可以根據(jù)需要添加、刪除和改變變坡點(diǎn)的位置，修改豎曲線的半徑大小。圖5是在谷歌地球三維影像上選取的一條公路，圖6是公路平面線型的設(shè)計(jì)。

4.3 需要解決的問題

在工程規(guī)劃的前期，應(yīng)用數(shù)字三維影像地形，改變了傳統(tǒng)的方法，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的地理三維空間的規(guī)劃設(shè)計(jì)。由于多種原因，還存在以下方面的問題：1)在有的農(nóng)村地區(qū)，還缺少高清數(shù)字影像，同時(shí)目前的三維地形的高程精度(全球的數(shù)字高程模型)只能用于工程規(guī)劃前期的要求，還不能滿足工程詳細(xì)設(shè)計(jì)的需要。2)由于現(xiàn)在主流的數(shù)字地球信息軟件使用的是WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)，而工程規(guī)劃設(shè)計(jì)階段要求采用國家坐標(biāo)系，需要進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換[4]。要實(shí)現(xiàn)兩種坐標(biāo)系的精確轉(zhuǎn)換就要獲取工程規(guī)劃區(qū)域的七參數(shù)，進(jìn)行GPS控制測量和收集控制點(diǎn)的國家坐標(biāo)系的坐標(biāo)，通過計(jì)算可以解決七參數(shù)的問題。

5 結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字地球信息技術(shù)的不斷快速進(jìn)步，工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的模式一定會(huì)發(fā)生本質(zhì)的變化，數(shù)字地球三維影像在工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中應(yīng)用將會(huì)越來越深入。這種發(fā)展的趨勢應(yīng)該是開發(fā)研制集數(shù)字影像三維地形、工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的建筑物構(gòu)筑物模型仿真和AutoCAD中的精細(xì)設(shè)計(jì)于一體的綜合系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)在真三維地理空間中的可視化工程規(guī)劃設(shè)計(jì)。

[1] 朱 穎，蒲 浩，劉江濤,等.基于數(shù)字地球的鐵路三維空間選線技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2009(7):33-37.

[2] 趙徐鴻，漆文邦.三維影像和矢量地圖軟件在水電建設(shè)中的應(yīng)用研究[J].云南水力發(fā)電，2009(1)：20-23.

[3] 王一波，紹偉偉，羅新宇.Google Earth數(shù)據(jù)精度分析及在鐵路選線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2010(5):68-71.

[4] 譚 浩，張慶新.Google Earth在公路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].西南公路，2007(1)：64-65.

Application of digital earth 3-dimensional topographic images in engineering planning and design

QIN Feng

(MiningEngineeringCollege,GuizhouInstituteofTechnology,Guiyang550003,China)

Through analysis of digital earth information technology and related softwares, the feasibility to apply 3-dimensional topographical images to engineering planning and design in early stage was discussed. And the advantages compared with the traditional method have been discussed too. This paper illustrated the application of 3-dimensional topographic images in the hydraulic engineering and highway engineering by examples.

digital earth information technology， 3-dimensional topographical image， engineering planning and design

1009-6825(2014)28-0227-03

2014-07-15

覃 鋒(1967- )，男，碩士，高級(jí)講師

P208

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