困難地區(qū)大型工程預(yù)選址新方法探討

李 煉，余代俊，曾 濤

(成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059)

困難地區(qū)大型工程預(yù)選址新方法探討

李 煉，余代俊，曾 濤

(成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059)

利用遙感技術(shù)進(jìn)行工程預(yù)選址，能夠克服困難地區(qū)交通不便、環(huán)境惡劣等困難，但使用商業(yè)遙感影像成本較高，借助Google Earth提供的坐標(biāo)信息，以及開放網(wǎng)絡(luò)資源提供的高分辨率遙感影像進(jìn)行工程預(yù)選址能夠達(dá)到事半功倍的效果。文中利用Google Earth進(jìn)行二次開發(fā)，獲取某區(qū)域的三維坐標(biāo)點(diǎn)集，建立數(shù)字高程模型。在此基礎(chǔ)上，疊加影像制作該區(qū)域三維場景，并結(jié)合該區(qū)域遙感地質(zhì)解譯等相關(guān)資料，在三維場景中進(jìn)行綜合分析，實(shí)現(xiàn)工程預(yù)選址。實(shí)驗(yàn)表明，在三維場景中進(jìn)行選址分析更直觀、真實(shí)，選址工作更具有針對(duì)性，可縮小感興區(qū)范圍，節(jié)省大量時(shí)間。

Google Earth；數(shù)字高程模型；遙感地質(zhì)解譯；三維場景；預(yù)選址

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的迫切需求，國家在西部地區(qū)規(guī)劃了眾多大型工程項(xiàng)目，很多工程項(xiàng)目處于山高林密、人跡罕至的項(xiàng)目實(shí)施困難地區(qū)。這類困難地區(qū)項(xiàng)目的立項(xiàng)、前期勘察等宏觀決策工作，對(duì)工程實(shí)施、運(yùn)營影響甚大，而前期勘察人車到達(dá)困難、環(huán)境惡劣，給工程選址工作帶來諸多困難。因此，在工程選址中采用何種方法，將直接影響到工程的進(jìn)展和資金的投入[1]。傳統(tǒng)的根據(jù)人工采集地形數(shù)據(jù)進(jìn)行選址，大部分情況下不適用于環(huán)境復(fù)雜的西部地區(qū)，利用遙感技術(shù)進(jìn)行工程選址相比而言高效易行。黎小東等(2010)基于RS和GIS建立震后汶川縣的移民搬遷選址模型[2]；李天華等(2011)利用遙感和GIS技術(shù)對(duì)昆明小哨機(jī)場進(jìn)行選址和工程地質(zhì)分析[3]。利用遙感技術(shù)雖然有效地提高了工程選址的效率和準(zhǔn)確性，但使用商業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行工程選址的成本較高、針對(duì)性不夠強(qiáng)，且存在感興區(qū)域廣、數(shù)據(jù)處理周期長等不足。

針對(duì)上述問題，在高原某機(jī)場預(yù)選址工作中，通過Google Earth二次開發(fā)獲取該區(qū)域三維坐標(biāo)點(diǎn)集，建立區(qū)域的數(shù)字高程模型(DEM)。通過開放網(wǎng)絡(luò)資源下載高分辨率影像，再在DEM上疊加影像制作區(qū)域的三維場景。結(jié)合該區(qū)域相關(guān)資料作遙感地質(zhì)解譯，在三維場景中實(shí)施綜合分析，篩選出滿足工程建設(shè)的場址，其結(jié)果既縮小感興區(qū)范圍，又節(jié)省成本和時(shí)間。

1 預(yù)選址方法原理

1.1 Google Earth及二次開發(fā)技術(shù)

Google Earth(以下簡稱GE)是由 Google公司開發(fā)的一款虛擬地球軟件，它把航拍照片、衛(wèi)星圖像和GIS數(shù)據(jù)整合在一起，形成一個(gè)地球的三維模型[4]。該軟件自帶縮放圖層、查找、標(biāo)記位置等常用功能，但對(duì)于開放性資源來說，GE軟件的自帶功能已經(jīng)不能滿足用戶的需求，所以迫切需要對(duì)其進(jìn)行開發(fā)來滿足這種需求。

目前針對(duì)GE二次開發(fā)的方法主要有：①基于KML的二次開發(fā)，該方法主要用來生產(chǎn)地理要素，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新等；②基于GE的COM組件的API開發(fā)，該方法主要用來控制GE的視角,實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果，第三方應(yīng)用程序常使用Google Earth COM API對(duì)GE進(jìn)行信息發(fā)布和搜尋[5]，本文采用COM技術(shù)進(jìn)行GE二次開發(fā)。Google Earth COM API是GE組件的公用接口，其意義在于用戶可以在各種外部程序中調(diào)用GE所提供的功能。Google Earth COM API類庫中包含11個(gè)接口類，本文主要運(yùn)用到其中的IPointOnTerrainGE類、IApplicationGE類的地圖定位函數(shù)SetCameraParams()以及用于地理坐標(biāo)獲取的函數(shù)GetPointOnTerrainFromScreenCoords()。

1.2 三維場景實(shí)現(xiàn)

利用上述接口對(duì)GE進(jìn)行二次開發(fā)，獲取感興區(qū)域的三維坐標(biāo)點(diǎn)集制作DEM。選擇支持衛(wèi)星、波段下載的開放數(shù)據(jù)源下載感興區(qū)域的影像，對(duì)其做彩色合成、配準(zhǔn)、拼接處理。再在DEM上疊加影像，制作該區(qū)域的三維場景，三維場景實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 三維場景實(shí)現(xiàn)流程

1.3 三維場景精度判定及綜合分析

在進(jìn)行選址綜合分析前，必須對(duì)三維場景的精度進(jìn)行判定，判斷其精度是否滿足預(yù)選址需求。可選擇局部區(qū)域與GE三維作對(duì)比，如單一特征點(diǎn)的高程較值須優(yōu)于1/5點(diǎn)間距，兩特征點(diǎn)的水平距離較值須優(yōu)于1/3點(diǎn)間距。如若高程較值和水平距離較值不滿足上述條件，應(yīng)按圖1所示，重新對(duì)影像進(jìn)行處理。當(dāng)三維場景精度滿足要求時(shí)，根據(jù)遙感地質(zhì)解譯結(jié)果，并綜合考慮其它影響工程建設(shè)的因素，利用GIS軟件強(qiáng)大的分析功能，在三維場景中進(jìn)行綜合分析，篩選出符合工程建設(shè)的場址。

2 困難地區(qū)工程預(yù)選址應(yīng)用實(shí)例

2.1 預(yù)選址方案設(shè)計(jì)

工程預(yù)選址的結(jié)果直接影響到工程施工及運(yùn)營。在該機(jī)場預(yù)選址工作時(shí)，面對(duì)大量的商業(yè)影像數(shù)據(jù)和過時(shí)的地形資料、新老數(shù)據(jù)不能結(jié)合等問題，將大大增加工程預(yù)選址的工作量，而且數(shù)據(jù)處理繁瑣，不易管理。要從高原大面積區(qū)域中篩選出一些符合特定條件的區(qū)域，無疑難上加難。因此，在本文研究困難地區(qū)工程預(yù)選址方法中，利用GE二次開發(fā)，結(jié)合遙感地質(zhì)解譯，在制作區(qū)域虛擬三維場景中進(jìn)行工程預(yù)選址，顯著地提高了預(yù)選址工作的效率。具體而言，困難地區(qū)工程預(yù)選址的步驟設(shè)計(jì)如下：

步驟1：獲取目標(biāo)區(qū)域三維坐標(biāo)點(diǎn)集。

GE二次開發(fā)中，所獲取三維坐標(biāo)點(diǎn)集的位置和密度，分別由視圖中心、視圖高度和取點(diǎn)間隔共同決定。當(dāng)視圖中心、取點(diǎn)間距一定時(shí)，視圖高度越低，視野范圍就越小，從而所獲取點(diǎn)集的密度也就越大。GE為用戶所提供的坐標(biāo)數(shù)據(jù)是基于正射影像內(nèi)插而來，其精度受地區(qū)影響[6]。在獲取點(diǎn)集

時(shí)既保證取點(diǎn)間距滿足預(yù)選址要求，又避免數(shù)據(jù)冗余，經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終確定程序運(yùn)行速度相對(duì)較快，且滿足取點(diǎn)間隔的最佳視圖高度(約3.2 km)。

圖2為三維坐標(biāo)點(diǎn)集獲取的算法流程。在最佳視圖高度下，通過用戶輸入感興區(qū)域的位置信息，計(jì)算出所有視圖中心坐標(biāo)信息，記錄為n個(gè)點(diǎn)。程序運(yùn)行時(shí)自動(dòng)調(diào)整視圖中心，采集并保存點(diǎn)的三維坐標(biāo)，循環(huán)執(zhí)行此過程，直至區(qū)域內(nèi)所有數(shù)據(jù)采集完畢。

圖2 三維坐標(biāo)點(diǎn)集獲取算法流程

為形象說明程序采集點(diǎn)過程，特將整個(gè)區(qū)域劃分為多個(gè)子區(qū)域采集，導(dǎo)入到GIS軟件中呈現(xiàn)區(qū)域點(diǎn)集由不同色帶的點(diǎn)集組成，如圖3所示。

圖3 GE二次開發(fā)獲取的三維坐標(biāo)點(diǎn)集

步驟2：遙感地質(zhì)解譯。

從遙感地質(zhì)解譯角度出發(fā)，選擇支持衛(wèi)星、波段下載的開放資源，如選擇從免費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)資源(如GLCF：Earth Science Data Interface等)下載，可選擇不同衛(wèi)星的不同波段組合。因?yàn)槿藢?duì)灰度的識(shí)別只有十幾級(jí)，而對(duì)彩色的識(shí)別可達(dá)上百類別，因此，采用相應(yīng)的圖像處理方式，將單個(gè)波段的灰度圖像合成為彩色圖像，可以提高工作人員對(duì)地物、地質(zhì)現(xiàn)象的識(shí)別精度[7]。本文采用TM7、5、4波段RGB合成非標(biāo)準(zhǔn)假彩色圖像，畫面偏藍(lán)色，用于特殊的地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查。通過目視解譯，解譯出不利于修建工程的地質(zhì)因素(斷層、水系尤為重要)，創(chuàng)建“影響”字段，根據(jù)其在機(jī)場工程建設(shè)中的作用范圍分等定級(jí)，并在綜合分析階段將其量化。

步驟3：制作DEM和三維虛擬場景。

DEM的主要表示模型有：規(guī)則格網(wǎng)(Grid)模型、不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangular Irregular Network，TIN)模型、等高線模型和層次模型。但就地形信息表達(dá)而言，TIN模型的優(yōu)點(diǎn)在于它能以不同層次的分辨率來描述地形表面，在某一特定分辨率下能用更少的空間和時(shí)間更精確地表達(dá)更加復(fù)雜的表面[8]。綜合數(shù)據(jù)采集以及高原地形環(huán)境，本文創(chuàng)建TIN模型來表達(dá)地形。將步驟二獲取的點(diǎn)集導(dǎo)入到ArcGIS軟件中創(chuàng)建TIN，然后疊加坐標(biāo)校正過的影像，裁剪無重疊區(qū)域，并與GE三維作對(duì)比，如圖4所示。對(duì)三維虛擬環(huán)境做全局和局部瀏覽，檢查影像是否出現(xiàn)拉伸現(xiàn)象，若無則可進(jìn)行綜合分析，否則分析原因并按圖1所示流程返回重新處理。

圖4 局部三維對(duì)比

步驟4：綜合分析。

綜合分析需多方考慮，如人文環(huán)境、工程污染輻射范圍以及工程特殊需求等因素，結(jié)合早期資料對(duì)步驟2“影響”字段進(jìn)行量化值。本文在充分收集已有地質(zhì)環(huán)境和災(zāi)害資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[9]及工程需求[10]對(duì)其影響范圍建立緩沖區(qū)分析，共分為4個(gè)等級(jí)：不適宜修建區(qū)量化為0，低適宜修建區(qū)量化為1，中適宜區(qū)量化為2，高適宜區(qū)量化為3。各影響因子量化值詳見表1。

2.2 預(yù)選址結(jié)果

在三維虛擬場景中，可以根據(jù)工程特點(diǎn)進(jìn)行有針對(duì)性的空間分析，能直觀真實(shí)地反映出分析效果，如機(jī)場選址、機(jī)場凈空分析、水庫庫區(qū)水位分析等。圖5為本文對(duì)該機(jī)場預(yù)選址得出的綜合分析結(jié)果，共解譯出6條斷層，以及水系主干、分流各一條，整個(gè)區(qū)域東北角、西北角呈現(xiàn)山地地形，南邊則為東西向的大深溝，根據(jù)GE影像確定西邊為城鎮(zhèn)。本文在綜合分析時(shí)，對(duì)比土方量分析選出適合修建該工程的場址(①、②號(hào)地區(qū)范圍面積約為工程占地面積的2～3倍)。

表1 “影響”字段量化值

圖5 綜合分析

3 結(jié) 論

針對(duì)困難地區(qū)工程預(yù)選址所面臨的數(shù)據(jù)成本高、周期長、缺乏針對(duì)性等問題，本文提出了一種基于Google Earth的困難地區(qū)大型工程預(yù)選址方法。該方法利用Google Earth二次開發(fā)以獲取目標(biāo)區(qū)域的三維點(diǎn)集，結(jié)合遙感影像并最終制作區(qū)域虛擬三維場景，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工程預(yù)選址綜合分析。運(yùn)用該方法到該機(jī)場的預(yù)選址工作中，能在較短時(shí)間內(nèi)得出兩個(gè)符合工程選址的場址，且1號(hào)場址即是該工程在建場址。在西藏某機(jī)場、云南某機(jī)場采用此方法，同樣能分析出包含機(jī)場場址在內(nèi)的多個(gè)區(qū)域，驗(yàn)證了該方法的可行性。由此說明該方法的過程設(shè)計(jì)是合理的，利用該方法進(jìn)行預(yù)選址以縮小感興區(qū)，為后期工作節(jié)省大量時(shí)間，用于工程詳細(xì)勘察和指導(dǎo)工程選址是有效的、可行的。

由于GE開放的接口有限，借助其他地圖平臺(tái)和第三方軟件，建立一個(gè)綜合平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)三維影像直接獲取、自動(dòng)制圖等功能，提高平臺(tái)的實(shí)用性以適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展需求。因此，在接下來的工作中將針對(duì)這方面做進(jìn)一步研究。

[1]楊武年,李天華,廖崇高，等.高原機(jī)場建設(shè)工程3S技術(shù)綜合運(yùn)用[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2008(5):457-462.

[2]黎小東,楊武年,羅智勇,等.基于RS 和GIS 的震后汶川縣移民選址方法[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)版,2010(5):83-91.

[3]李天華,楊武年.遙感與GIS技術(shù)支持下的機(jī)場選址與工程地質(zhì)分析[J].物探化探計(jì)算技術(shù),2011(1):79-83.

[4]劉珍,劉建勛.淺談Google Earth 二次開發(fā)技術(shù)[J].地理空間信息,2009(5):72-74.

[5]江寬,龔小鵬.Google API開發(fā)詳解:Google Maps與Google Earth雙劍合璧[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[6]DAVID POTERE.Horizontal Positional Accuracy of Google Earth’s High-Resolution Imagery Archive[J]. Sensors,2008:7 973-7 981.

[7]劉建平,趙英時(shí),孫淑玲.高光譜遙感數(shù)據(jù)最佳波段選擇方法試驗(yàn)研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2001(1):7-13.

[8]李志林,朱慶.數(shù)字高程模型[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2005.

[9]中華人民共和國建設(shè)部.GB50021-2001巖土工程勘察規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[10]高金川,杜廣印.巖土工程勘察與評(píng)價(jià)[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,2003.

[責(zé)任編輯：張德福]

Anewmethodofsiteselectionoflargeprojectindifficultarea

LI Lian,YU Dai-jun,ZENG Tao

(College of Earth Sciences, Chengdu University of Technology, Chengdu,610059,China)

Preliminary site selection of projection by using remote sensing technology can overcome some problems: such as traffic inconvenience and poor environment in difficult area. But, the cost of using commercial remote sensing image is high. Preliminary site selection of projection can achieve a better result by using the coordinates provided by Google Earth and the high-resolution remote sensing image provided by available network resources. A secondary development based on Google Earth is made to obtain three-dimensional coordinates set in a certain area and set up a digital elevation model. On this basis, overlapped images are used to form a three-dimensional scene for this region. Combined with the related materials from the remote sensing image by geological interpretation in the area, a comprehensive analysis is made on the three-dimensional scene in order to realize the preliminary site selection of projection. The practice shows that site selection in the three-dimensional scene is more realistic, and the work of site selection is more targeted which can narrow the interesting area and save much time.

Google Earth; digital elevation model; geological interpretation of remote sensing; three-dimensional scene; preliminary site selection

2013-06-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41201440/D010702)

李 煉(1987-)，男，碩士研究生.

TP75;P208

：A

：1006-7949(2014)01-0061-04