基于Google Earth和BIM的川藏鐵路數(shù)字選線應(yīng)用研究

劉江濤 何娘者

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

基于Google Earth和BIM的川藏鐵路數(shù)字選線應(yīng)用研究

劉江濤 何娘者

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

川藏鐵路線路長，所經(jīng)區(qū)域地形地質(zhì)條件復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境敏感，選線制約因素多。為綜合把握選線區(qū)域各控制因素，在項(xiàng)目研究中綜合應(yīng)用Google Earth和BIM技術(shù)提取大范圍地形數(shù)據(jù)、建立數(shù)字選線環(huán)境、進(jìn)行交互選線和縱斷面自動設(shè)計(jì)、基于BIM的三維設(shè)計(jì)等，以選擇最優(yōu)的線路通道和工程布局。研究結(jié)果表明:(1)Google Earth數(shù)據(jù)應(yīng)用于川藏鐵路選線，加快前期研究進(jìn)度并節(jié)省費(fèi)用；(2)基于Google Earth三維選線融合地形、地質(zhì)、環(huán)保、規(guī)劃等各種控制因素，在三維環(huán)境中直觀審視線路方案，便于選擇綜合最優(yōu)的方案；(3)基于BIM的線路三維設(shè)計(jì)對于局部方案比選、優(yōu)化調(diào)整空間線形方面具有重要作用。

川藏鐵路； 數(shù)字選線； 三維選線； BIM; Google Earth

1 川藏鐵路概況

新建川藏鐵路位于我國四川省和西藏自治區(qū)境內(nèi)，全線運(yùn)營長度約2 000 km，建筑長度約1 900 km。川藏鐵路東起四川盆地成都市，西行穿越川西高山峽谷區(qū)、川西山地區(qū)(高山原區(qū))、藏東南橫斷山高山峽谷區(qū)、藏南谷地區(qū)到達(dá)西藏自治區(qū)首府拉薩，區(qū)域內(nèi)總體地勢北高南低，西高東低。雅安至然烏段穿越了我國最長、最寬、最典型的南北向山系橫斷山脈，各條山脈之間鑲嵌著大渡河、鮮水河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江、迫龍藏布、雅魯藏布江、尼洋河等河流，組成了嶺谷相間、山重水復(fù)的巨大山原。山原面高程多在3 000～5 000 m之間，山原面以下，自西到東為河流深切形成的峽谷，嶺谷間高差可達(dá)2 000～3 000 m。川藏鐵路沿線地勢如圖1所示[7]。

川藏鐵路沿線自然環(huán)境多變，地形高差大，構(gòu)造作用強(qiáng)烈，地層巖性復(fù)雜，地?zé)帷⒒顒訑嗔?、高烈度地震、寒凍風(fēng)化、季節(jié)性凍土、冰川泥石流、冰湖潰決、大高差巨型崩塌災(zāi)害、生長期高陡岸坡等各種高寒山區(qū)特有的工程地質(zhì)災(zāi)害及常規(guī)工程地質(zhì)災(zāi)害在高原上的表現(xiàn)形式都較復(fù)雜。

圖1 川藏鐵路地形走勢示意圖

鑒于川藏鐵路線路長、地形地質(zhì)條件復(fù)雜、生態(tài)環(huán)境敏感，為綜合各種因素選擇最優(yōu)的線路通道，在三維數(shù)字環(huán)境下進(jìn)行選線是必然要求。為此本院基于Google Earth和BIM技術(shù)開發(fā)了數(shù)字選線系列軟件，用于提取大范圍地形數(shù)據(jù)、建立數(shù)字選線環(huán)境、進(jìn)行三維交互選線、縱斷面自動設(shè)計(jì)和基于BIM的三維設(shè)計(jì)，用數(shù)字選線手段選擇最優(yōu)的線路通道和工程布局。

2 數(shù)字選線系列軟件簡介

該數(shù)字選線系列軟件基于智能手機(jī)、GPS、Google Earth、AutoCAD等基礎(chǔ)平臺開發(fā)而成的三維選線軟件，可直接在Google Earth上進(jìn)行鐵路、公路的線路設(shè)計(jì)和縱斷面設(shè)計(jì)，旨在擴(kuò)展Google Earth應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)高程提取、免費(fèi)DEM下載、CAD等高線繪制、衛(wèi)片下載、地形斷面生成、坐標(biāo)糾正、地圖疊加、將實(shí)測的高精度地形數(shù)據(jù)和Google Earth高程數(shù)據(jù)混合使用、方案演示、外業(yè)調(diào)查、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、軌跡記錄、GPS定位與導(dǎo)航等功能，大幅提高選線設(shè)計(jì)效率。該系列軟件應(yīng)用模式如圖2所示。

圖2 數(shù)字選線系列軟件

3 基于Google Earth的川藏鐵路三維選線技術(shù)應(yīng)用

3.1 Google Earth數(shù)據(jù)下載和處理技術(shù)應(yīng)用

(1)Google Earth數(shù)據(jù)

Google Earth 是Google公司推出的一款虛擬數(shù)字地球軟件。Google Earth 數(shù)據(jù)實(shí)際是指該軟件發(fā)布的、供用戶瀏覽使用的三維場景，包括：①DEM 數(shù)據(jù)：Google Earth 的DEM 數(shù)據(jù)是2000年美國“奮進(jìn)”號航天飛機(jī)執(zhí)行的航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪數(shù)據(jù)(SRTM-Shuttle Radar Topography Mission)，該數(shù)據(jù)覆蓋全球陸地表面的80%以上，分辨率分30 m和90 m兩種。②DOM 數(shù)據(jù)：主要包括20 m 分辨率的美國Landsat7 影像數(shù)據(jù)、法國5 m 分辨率的SPOT衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、美國0.5 m 分辨率的Quick Bird(快鳥)和IKONOS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)及部分航拍影像數(shù)據(jù)。近年來其衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)更新速度明顯加快，絕大多數(shù)地區(qū)都覆蓋了現(xiàn)勢性好的最新衛(wèi)星影像。③其他GIS數(shù)據(jù)：包括地名注記、建筑物模型和其他矢量數(shù)據(jù)等。

(2)數(shù)據(jù)下載和處理

Google Earth DEM和衛(wèi)片數(shù)據(jù)應(yīng)用LOD層次細(xì)節(jié)模型將分塊數(shù)據(jù)(Tile)有規(guī)律地存儲在云端服務(wù)器。本院基于Google Earth的三維選線軟件能自動計(jì)算選線區(qū)域地形和衛(wèi)片分塊文件在數(shù)據(jù)服務(wù)器的地址，直接從服務(wù)器下載數(shù)據(jù)并自動拼接成大文件。DEM數(shù)據(jù)下載后經(jīng)軟件處理形成三維等高線的KML文件和DWG文件。衛(wèi)片數(shù)據(jù)下載后經(jīng)過糾偏處理可應(yīng)用于示意圖和地形圖生成。在川藏鐵路前期研究中，應(yīng)用選線軟件的地形下載與處理功能，快速生成了選線區(qū)域的地形數(shù)據(jù)，結(jié)合衛(wèi)片初選了線路走向，為后期的航測制圖、現(xiàn)場踏勘指定了工作范圍，較大地節(jié)省前期工作費(fèi)用。

3.2 基于Google Earth的線路踏勘儀應(yīng)用

基于Google Earth線路踏勘儀基礎(chǔ)平臺采用Android智能手機(jī)，軟件采用基于Android API開發(fā)的離線地圖瀏覽器，地圖數(shù)據(jù)混合應(yīng)用Google Earth和實(shí)測地形數(shù)據(jù)，線路線位和里程信息來源于線路設(shè)計(jì)軟件。該踏勘儀利用GPS導(dǎo)航技術(shù)，在野外踏勘時(shí)可實(shí)時(shí)定位現(xiàn)場坐標(biāo)，用于現(xiàn)場導(dǎo)航，記錄行走軌跡；可對現(xiàn)場踏勘情況拍照存檔，照片實(shí)時(shí)在地圖中定位，方便內(nèi)業(yè)處理中瀏覽現(xiàn)場資料。

川藏鐵路沿線地形復(fù)雜，環(huán)境艱險(xiǎn)，技術(shù)人員在初測、定測階段大量采用線路踏勘儀技術(shù)，利用實(shí)時(shí)導(dǎo)航、現(xiàn)場影像資料存檔、標(biāo)注等功能，提升了現(xiàn)場踏勘的效率和作用，為方案快速穩(wěn)定創(chuàng)造了條件。

3.3 Google Earth三維選線環(huán)境建立

Google Earth三維地球并沒有提供矢量等高線、區(qū)域地質(zhì)、環(huán)保區(qū)、規(guī)劃區(qū)等選線控制信息，但Google Earth提供了KML技術(shù)疊加和擴(kuò)展用戶的信息。借助KML技術(shù)可疊加上述控矢量圖層，建立三維選線環(huán)境。實(shí)際選線一般要求矢量地圖信息以CAD矢量格式(DWG)提供，DWG矢量圖形的導(dǎo)入采用程序轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)。程序?qū)⑹噶孔鴺?biāo)轉(zhuǎn)換為WGS84橢球系下的經(jīng)緯度大地坐標(biāo)，然后按一定的數(shù)據(jù)組織方式生成KML(或KMZ)文件，并自動導(dǎo)入到Google Earth形成三維選線環(huán)境[3]。

3.4 基于Google Earth三維選線技術(shù)應(yīng)用

(1)基于Google Earth三維選線

在Google Earth中直接進(jìn)行線路設(shè)計(jì)，可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)線路方案的布設(shè)，它通過繪制、顯示、拾取、變換等多種交互繪圖機(jī)制，在Google Earth上輕松實(shí)現(xiàn)交點(diǎn)位置、緩和曲線長度、圓曲線半徑等設(shè)計(jì)參數(shù)的動態(tài)交互調(diào)整。通過類似于AutoCAD的圖形拖動夾點(diǎn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)圖形和設(shè)計(jì)參數(shù)雙向驅(qū)動，直觀進(jìn)行三維全景化設(shè)計(jì)。在川藏鐵路拉薩至林芝段雅魯藏布江板塊縫合帶選線中，采用了Google Earth三維選線技術(shù)，在三維環(huán)境中疊加大范圍的矢量等高線、不良地質(zhì)信息(如滑坡、巖堆、斷裂破碎帶的分布區(qū)域、危險(xiǎn)等級等)、環(huán)評信息(如環(huán)境保護(hù)區(qū)、文物保護(hù)單位、人文遺跡、基本農(nóng)田區(qū)等)、道路、河流等矢量區(qū)域信息，應(yīng)用線形交互設(shè)計(jì)工具動態(tài)調(diào)整線路平、縱參數(shù)，直觀審視線路調(diào)整前后與各類不良地質(zhì)和敏感點(diǎn)的位置關(guān)系，選擇了減少了隧道軟巖大變形長度、降低大變形等級的線路方案。

(2)基于Google Earth地面線提取及縱斷面自動設(shè)計(jì)

平面設(shè)計(jì)完成后，可以在Google Earth中選擇線位提取中樁地面高程，進(jìn)行實(shí)時(shí)的縱斷面自動拉坡設(shè)計(jì)，通過輸入最大縱坡、最小坡長、豎曲線半徑、最小豎曲線長度、控制點(diǎn)高程等限制參數(shù)，就可以實(shí)時(shí)觀察縱斷面優(yōu)化調(diào)整過程，在確定結(jié)果滿意后可隨時(shí)停止優(yōu)化過程，保存坡度設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，如圖3所示。在川藏鐵路拉薩至林芝段預(yù)可行性研究階段，線路方案設(shè)計(jì)中大量采用縱斷面地面線提取和自動設(shè)計(jì)功能，加快了線路方案研究的速度。

圖3 線路縱斷面自動智能設(shè)計(jì)

(3)線路方案導(dǎo)出和三維瀏覽

完成線路和縱斷面設(shè)計(jì)后，可以將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)出為鐵路線路設(shè)計(jì)軟件或道路設(shè)計(jì)軟件的數(shù)據(jù)格式，以便通過BIM技術(shù)進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，也可以將設(shè)計(jì)好的路線導(dǎo)出成Google earth標(biāo)準(zhǔn)的KML文件，這樣任何人只要安裝了免費(fèi)版的Google Earth就可以打開查看或者導(dǎo)入到手機(jī)版的Google Earth中，以實(shí)現(xiàn)外業(yè)調(diào)查時(shí)進(jìn)行定位和路線導(dǎo)航。

軟件通過KML文件疊加選線區(qū)域的地質(zhì)、環(huán)保、規(guī)劃等控制因素，并將線路數(shù)據(jù)作為相機(jī)軌跡，通過對視點(diǎn)高度、多相機(jī)切換、相機(jī)速度，相機(jī)初始等待時(shí)間進(jìn)行設(shè)置后，沿規(guī)劃線路上方飛行，從而宏觀審視線路方案所經(jīng)區(qū)域地形地貌和各種選線控制因素，為方案評審提供直觀交流平臺。

在川藏鐵路項(xiàng)目預(yù)可行性研究和拉薩至林芝段可行性研究中，通過應(yīng)用Google Earth三維選線技術(shù)、縱斷面自動設(shè)計(jì)、方案動態(tài)演示等技術(shù)，快速選定了線路通道，為方案比較、線路平面示意圖制作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，有利于快速選定線路方案，輸出選線成果，提高選線設(shè)計(jì)效率。

4 基于BIM的川藏鐵路線路三維設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用

4.1 數(shù)字地面建模技術(shù)應(yīng)用

針對地形點(diǎn)云大數(shù)據(jù)的處理，國內(nèi)外現(xiàn)有算法通常采用預(yù)先分塊的方法，即先對海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割成若干個(gè)小塊(點(diǎn)云Tile)，每個(gè)小塊單獨(dú)構(gòu)建三角網(wǎng)，該方法便于并行處理，數(shù)據(jù)處理執(zhí)行效率高，但分塊地形模型的接邊處理一直是一個(gè)較難解決的問題[6]。為解決上述問題，川藏鐵路線路三維設(shè)計(jì)采用“整體建網(wǎng)-分塊存儲-動態(tài)加載”的方法，即一次性處理選線區(qū)域所有的地形數(shù)據(jù)點(diǎn)，構(gòu)建整體連續(xù)的三角網(wǎng)模型，解決接邊高程誤差問題，然后將整體的數(shù)模按格網(wǎng)切割分塊(三角網(wǎng)Tile)，數(shù)模繪制、內(nèi)插應(yīng)用時(shí)程序按需自動加載分塊文件。該方法建立的數(shù)模整體連續(xù)無縫、數(shù)模加載快速。

由于川藏鐵路線路長，選線區(qū)域廣闊，比較方案研究區(qū)域采用從Google Earth 下載的DEM數(shù)據(jù)，推薦方案采用實(shí)測地形圖，數(shù)據(jù)融合時(shí)不同精度數(shù)據(jù)可能重疊。軟件自動檢測區(qū)域高程來源，首選實(shí)測數(shù)據(jù)建地面模型。圖4為融合兩種數(shù)據(jù)源建立的川藏鐵路某段數(shù)字地面模型。

圖4 川藏鐵路某段數(shù)字地面模型

4.2 線路平、縱、橫斷面三維聯(lián)動設(shè)計(jì)

(1)平、縱、橫斷面三維聯(lián)動設(shè)計(jì)

川藏鐵路采用的三維設(shè)計(jì)軟件基于AutoCAD Civil 3D二次開發(fā)而成，具有平、縱、橫三維聯(lián)動設(shè)計(jì)功能。在上述三維地形模型的基礎(chǔ)上，提供線路直線、圓曲線和緩和曲線的參數(shù)化布局工具，支持動態(tài)交互方式的平面定線、縱斷面拉坡、調(diào)整橋隧插旗和選擇橫斷面參數(shù)，形成三維鐵路模型。線路平面、縱斷面、橫斷面和三維模型對象都是ObjectARX自定義實(shí)體，通過AutoCAD的反應(yīng)器機(jī)制建立智能關(guān)聯(lián)模型，平、縱、橫任一設(shè)計(jì)視圖的更改導(dǎo)致其他設(shè)計(jì)對象的動態(tài)更新，保證數(shù)據(jù)一致性。

通過三維聯(lián)動，設(shè)計(jì)者實(shí)時(shí)查看線路變化引起的橋隧工程、土石方數(shù)量的實(shí)際變化量，從而選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，達(dá)到優(yōu)化局部方案工程投資的目的。該方法尤其適用于初步設(shè)計(jì)和施工圖階段的線路空間線形精細(xì)調(diào)整。圖5所示為川藏鐵路拉林段線路平、縱、橫斷面聯(lián)動設(shè)計(jì)應(yīng)用界面。

圖5 線路平、縱、橫斷面聯(lián)動設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用

(2)設(shè)計(jì)成果輸出

平、縱、橫斷面和三維模型設(shè)計(jì)完成后，系統(tǒng)可以自動批量創(chuàng)建圖紙集，并生成線路諸表(數(shù)量統(tǒng)計(jì)表、方案比較表、曲線表、斷鏈表、坡度表等)，圖表格式符合國內(nèi)制圖標(biāo)準(zhǔn)。在川藏鐵路拉薩至林芝段線路選線設(shè)計(jì)中，完全采用圖表自動輸出功能，減少了圖紙差、錯(cuò)、漏、碰，極大提高了設(shè)計(jì)效率。

4.3 三維地理信息集成應(yīng)用

基于鐵路工程坐標(biāo)系，融合實(shí)測的地形數(shù)據(jù)、開源DEM數(shù)據(jù)、航空正射圖片，應(yīng)用GIS技術(shù)，構(gòu)建三維虛擬地形環(huán)境。將線路、路基、橋梁、隧道、站房、軌道、接觸網(wǎng)等專業(yè)三維模型導(dǎo)入到三維環(huán)境中[2]，實(shí)現(xiàn)基于GIS平臺的全線虛擬漫游和選定工點(diǎn)的模型展示、碰撞檢測，對設(shè)計(jì)成果進(jìn)行標(biāo)注、管理和分析。

5 結(jié)論

在川藏鐵路選線工作中，通過在Google Earth中疊加區(qū)域地質(zhì)、環(huán)評、規(guī)劃等基礎(chǔ)信息，構(gòu)建了大范圍的三維選線環(huán)境，在數(shù)字地球環(huán)境中進(jìn)行動態(tài)交互的平面設(shè)計(jì)、縱斷面自動設(shè)計(jì)，綜合把握選線區(qū)域各控制因素，選擇最優(yōu)的線路方案和工程布局。在此基礎(chǔ)上，采用BIM技術(shù)進(jìn)行線路平、縱、橫斷面和三維模型的聯(lián)動設(shè)計(jì)，精細(xì)優(yōu)化線路空間線形?？偨Y(jié)數(shù)字選線技術(shù)在川藏鐵路線路設(shè)計(jì)中的運(yùn)用得出以下結(jié)論：

(1)Google Earth數(shù)據(jù)應(yīng)用于川藏鐵路選線，加快前期研究進(jìn)度并節(jié)省費(fèi)用；

(2)基于Google Earth三維選線融合地形、地質(zhì)、環(huán)保、規(guī)劃等各種控制因素，在三維環(huán)境中直觀審視線路方案，便于選擇綜合最優(yōu)的方案；

(3)基于BIM的線路三維設(shè)計(jì)對于局部方案比選、優(yōu)化調(diào)整空間線形方面具有重要作用。

[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)，2009，26(7): 33-37． ZHU Ying，PU Hao，LIU Jiangtao，et al．Research on the Digital Earth-based 3D Spatial Technology for Railway Route Selection[J]．Journal of Railway Engineering Society，2009，26(7):33-37．

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Application Study on Sichuan-Tibet Railway Digitalizing Line Location based on Google Earth and BIM

LIU Jiangtao HE Niangzhe

(China Railway Eryuan Engineering Group Co．,Ltd．，Chengdu 610031，China)

Sichuan-Tibet railway mileage is long, terrain and geological conditions are complicated, ecological environment is sensitive. To grasp all the control factors and select the optimal synthesis of line, Google Earth and BIM Technology are comprehensively applied: extract a wide range of terrain data, establish digital route selection environment, interactive route selection design and vertical section automatic design based on BIM 3D design ,etc. The rasults show that (1) Google Earth data application in Sichuan-Tibet railway, speeding up the preliminary research progress and saving cost; (2) based on Google Earth 3d route selection fixed with the topography, geology, environmental protection, project’s planning, and other control factors, optimal synthesis of line scheme is selected; (3) Three dimensional design based on BIM has an important role in the scheme selection, optimization and adjustment of 3D alignment.

Sichuan-Tibet railway; digitalizing line selection; 3d line selection; BIM; Google Earth

2016-04-15

劉江濤(1983-)，男，工程師。

1674—8247(2016)05—0075—05

U212.32

A