三維遙感鐵路選線技術(shù)的探究

馬 長 清

(湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421002)

0 引言

伴隨著空間技術(shù)的快速發(fā)展，遙感技術(shù)的圖像內(nèi)容更加豐富、更加逼真，為鐵路、公路的路線選線及后續(xù)工程建設(shè)的可行性研究也提供了更有保障的支持。并且遙感技術(shù)能夠較真實的展示施工區(qū)域的三維場景，遙感圖像視野廣闊、圖像逼真、內(nèi)容豐富，可以做到遠(yuǎn)距離室內(nèi)長時間連續(xù)判釋。利用遙感技術(shù)對地形、地貌地質(zhì)及水文等自然條件進行分析并集合實地的調(diào)查分析相結(jié)合，可以有效地從整體上提高選線的質(zhì)量。

1 三維遙感技術(shù)的優(yōu)勢

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，與常規(guī)的遙感技術(shù)相比，三維遙感技術(shù)有了長足的進步，主要優(yōu)勢有以下幾個方面：

1)三維遙感技術(shù)應(yīng)用可以更詳細(xì)的展現(xiàn)地理空間內(nèi)的各種地物的細(xì)節(jié)特征，在傳統(tǒng)的二維遙感技術(shù)應(yīng)用中，由于受到復(fù)雜環(huán)境的干擾，地物的光譜容易發(fā)生變異，這種情況下如果再按照采集到的光譜特性進行解譯，最后得到的結(jié)果往往就會出現(xiàn)偏差，但是利用三維遙感技術(shù)進行觀測時，可以利用采集的多維數(shù)據(jù)進行互相比對，保證地物光譜的準(zhǔn)確度，從而提高判釋結(jié)果的可靠性[1]。

2)利用三維遙感技術(shù)可以更直觀的展現(xiàn)并解譯地物的形態(tài)，而常規(guī)的二維遙感技術(shù)應(yīng)用于地物觀測時，只能從頂視角度來進行作業(yè)，這就相對缺少了對地物高程維度的觀測，這就不能準(zhǔn)確的判譯地勢的高差與坡度、巖層的傾角以及斷面情況等信息[2]。而三維遙感技術(shù)的應(yīng)用可以使得對地物進行立體觀測作業(yè)，能夠更直觀的展現(xiàn)并解譯觀測空間內(nèi)的地物形態(tài)，采集到更完整的地物信息。

3)三維遙感技術(shù)的應(yīng)用可以使得數(shù)據(jù)多尺度無縫處理，常規(guī)使用的二維遙感技術(shù)對多源頭信息只能進行簡單的疊加圖層處理，三維遙感則可以將多源頭數(shù)據(jù)進行精密解析一一對應(yīng)到各自的空間位，比較流暢的進行大尺度宏觀圖像與小尺度微觀圖像的轉(zhuǎn)換。

4)三維遙感技術(shù)可以對觀測數(shù)據(jù)處理進行動態(tài)模擬，觀測作業(yè)區(qū)域內(nèi)的地物不是一成不變的，是一直在變化的，雖然二維遙感技術(shù)可以通過多個影響來展示這種地物變化，但是無法做到動態(tài)模擬，而三維遙感技術(shù)可以引入時間要素，可以對地物進行動態(tài)模擬，展示其變化的趨勢。

2 基于三維場景鐵路選線系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)分析

利用遙感技術(shù)與地形三維建模技術(shù)采集目標(biāo)區(qū)域的高清圖像和數(shù)字高程模型(即DEM)，然后綜合運用數(shù)據(jù)建模技術(shù)與計算機模擬技術(shù)等建立選線系統(tǒng)的三維虛擬地理環(huán)境，用于鐵路選線模擬[3]。這樣可以直觀的輔助施工單位進行新建鐵路的線路平面設(shè)計、縱斷面設(shè)計、排水設(shè)計、線路方案對比優(yōu)化等模擬演示，為鐵路建設(shè)提供更系統(tǒng)更科學(xué)合理的技術(shù)支持?；谌S空間場景的鐵路選線流程見圖1。

其中應(yīng)用到的有以下幾項技術(shù)：

1)三維空間場景的實現(xiàn)技術(shù)。

三維場景的實現(xiàn)需要運用到的技術(shù)有二維、三維一體化數(shù)據(jù)管理及模型分析技術(shù)；空間場景的動態(tài)調(diào)整與剪裁；網(wǎng)絡(luò)帶寬可適應(yīng)變化運行；坐標(biāo)系自適應(yīng)轉(zhuǎn)換；預(yù)設(shè)參數(shù)自動建模等等。遙感技術(shù)采集的影像色彩紋理要與高清數(shù)碼照片進行匹配結(jié)合，提高地形模型精度[4]。將遙感影像與數(shù)字高程模型(DEM)進行了疊加處理，其中進行了噪點、反光、紋理映射等參數(shù)處理，較真實的再現(xiàn)了地面三維空間場景。

2)三維選線關(guān)鍵技術(shù)。

該技術(shù)包含在三維空間場景中進行線路選擇的交互設(shè)計及火車站的位置選擇、橋梁隧道的最佳通過位置及角度、坡度的選擇設(shè)計、三維模型的生成、供電設(shè)施的位置選擇等等。最后利用三維場景技術(shù)對線路方案進行綜合評估，并進行建設(shè)投入估算。

3)海量數(shù)據(jù)的采集處理儲存。

為了確保鐵路選線技術(shù)的應(yīng)用能夠靈活簡便，并且保障操作人員可以快速掌握，該系統(tǒng)集合了數(shù)據(jù)資料的快速儲存查找與圖像文件的導(dǎo)入導(dǎo)出等。

3 三維空間場景選線的實現(xiàn)

在進行鐵路路線選擇時，要以高精度的高程模型為參照基礎(chǔ)，并進行高清遙感圖像采集用于對選線區(qū)域進行三維場景可視化模擬，提高直觀效果。在此基礎(chǔ)上充分對研究區(qū)域的地形地貌、水文地質(zhì)等自然條件進行分析，提高線路方案選擇的科學(xué)性，確保要兼顧施工可靠與經(jīng)濟合理[5]。采用高清數(shù)碼相機對研究區(qū)域進行高分辨率圖像與精細(xì)DEM數(shù)據(jù)采集，建立鐵路線路三維虛擬踏勘系統(tǒng)。利用快速處理數(shù)據(jù)信息的能力，將采集與輸入的數(shù)據(jù)信息進行融合處理，結(jié)合計算機平面設(shè)計軟件進行路線選擇[6]。基于精準(zhǔn)細(xì)致的三維空間場景，將各項數(shù)據(jù)參數(shù)進行處理后完成建模，然后對鐵路線路、工點及車站點、候車點設(shè)置的合理性進行檢查并優(yōu)化，最終完成隧道、橋梁、邊坡及路基等空間選型及設(shè)計(見圖2)。

4 遙感技術(shù)的應(yīng)用展望

伴隨著我國經(jīng)濟技術(shù)的快速發(fā)展，各地鐵路建設(shè)的推進速度也不斷加快，特別是“一帶一路”的推進與中西部鐵路建設(shè)的不斷開展，遙感技術(shù)正在鐵路建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。但是遙感技術(shù)需要融合多種技術(shù)，在應(yīng)用中面臨很多挑戰(zhàn)，隨著應(yīng)用要求的不斷提高，需要對遙感技術(shù)進行更深入的研究，提出了以下幾點建議。

4.1 加強遙感判釋技術(shù)的定量研究

隨著遙感判釋技術(shù)的不斷發(fā)展，使得遙感判釋技術(shù)由定性向定量轉(zhuǎn)化不再遙不可及。要加強三維遙感判釋技術(shù)觀測技術(shù)和軟件的開發(fā)，深入研究遙感技術(shù)在復(fù)雜觀測區(qū)的信息提取采集及不良地質(zhì)運動變化觀測的應(yīng)用。

4.2 開發(fā)現(xiàn)有鐵路地質(zhì)檢測技術(shù)

據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國現(xiàn)有鐵路沿線附近的大型泥石流溝13 486條，中大型的滑坡有1 000多個，崩塌超過1 000處，嚴(yán)重塌陷有3 785處。西南部山區(qū)的線路，例如成昆鐵路、襄渝鐵路、寶成鐵路、隴海鐵路中的寶雞至天水段均屬于地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)路段。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計，我國鐵路受地質(zhì)災(zāi)害造成的損失在2000年—2006年6年間就達(dá)到了上百億，而且每年的損失都在遞增。因此，加強對鐵路地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查研究與預(yù)防勢在必行。遙感技術(shù)具有觀測范圍廣，數(shù)據(jù)采集全面，不受地形及天氣狀況影響的特點，可以結(jié)合GIS分析技術(shù)，定期進行遙感作業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)觀測區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的識別、預(yù)測。

4.3 加強衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的開發(fā)和應(yīng)用

目前，遙感技術(shù)在鐵路工程中應(yīng)用的遙感技術(shù)基本都是國外的，對國產(chǎn)的應(yīng)用信心嚴(yán)重不足。隨著我國衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷進步，已經(jīng)有多個系列的衛(wèi)星，可以滿足地質(zhì)勘測的要求[7]。現(xiàn)在最緊迫的就是加強國產(chǎn)遙感衛(wèi)星在勘察應(yīng)用中的適應(yīng)能力及綜合處理能力，結(jié)合國內(nèi)鐵路項目建設(shè)進行示范應(yīng)用，從而推動國產(chǎn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用，對降低鐵路勘察成本與遙感技術(shù)的發(fā)展有積極作用。

5 結(jié)語

鐵路選線過程中三維遙感技術(shù)，利用高標(biāo)準(zhǔn)的影像與DEM資料，可以直觀的展現(xiàn)研究區(qū)域的地形地貌，并進行動態(tài)選線模擬設(shè)計，可以為鐵路建設(shè)方案提供更科學(xué)更合理的支持。同時遙感技術(shù)可以結(jié)合其他觀測技術(shù)實現(xiàn)對建成鐵路地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)域進行監(jiān)測，加強對地質(zhì)運動變化分析，降低災(zāi)害帶來的損失。三維遙感技術(shù)代表著未來勘測的發(fā)展方向，具有很好的發(fā)展前景。