王俊冬

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西西安 710043)

傳統(tǒng)意義上的新建鐵路選線方式有紙上定線和機助CAD定線兩種，這兩種方式只能在二維地形圖上顯示出線路的走向，線路縱斷面只可顯示出該方案走向上的局部地形起伏情況，而難以在宏觀上直觀顯示線路所在整個研究區(qū)域的地形變化。此外，在新建鐵路項目前期研究過程中，經(jīng)常出現(xiàn)因缺乏研究區(qū)域內(nèi)1∶5萬及以上比例尺地形圖而阻礙項目進展的情況，這在中國西部邊遠地區(qū)項目及非洲、南美等海外鐵路項目的預(yù)可研階段尤為突出。

目前，在新建鐵路的三維數(shù)字化選線方面，行業(yè)內(nèi)使用較多、且技術(shù)較為先進的是基于Googlearth和CAD二次開發(fā)的數(shù)字化選線軟件，但這種選線方式局限在只能逐個對方案沿特定線路方向上提取高程數(shù)據(jù)，難以一次性、大范圍、高效率的建立整個研究區(qū)域內(nèi)的數(shù)字高程模型(DEM)。

Global Mapper(以下簡稱“GM”)軟件具備三維地形可視化和海量數(shù)據(jù)快速處理兩大優(yōu)勢，不僅可以大范圍、多視角的顯示出線路方案所在區(qū)域內(nèi)的三維地形，還可以利用研究區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，快速創(chuàng)建相應(yīng)數(shù)字高程模型，為方案的深入研究提供了基礎(chǔ)高程數(shù)據(jù)支持，極大地方便了新建鐵路項目的前期選線。此外，GM具有強大的數(shù)據(jù)兼容性，可以輸入和輸出多種格式的數(shù)據(jù)，若將其與其他軟件集成開發(fā)或結(jié)合使用，則在鐵路勘察設(shè)計領(lǐng)域?qū)⒏邞?yīng)用價值。

1 GM軟件簡介

Global Mapper是由美國研發(fā)的一款基于全球高程數(shù)據(jù)的地圖繪制軟件。不僅能夠?qū)⑿l(wèi)星數(shù)據(jù)(例如:SRTM數(shù)據(jù))顯示為光柵地圖、高程地圖、矢量地圖;還可以對地圖作編輯、轉(zhuǎn)換，打印各類地圖圖形文件，記錄GPS及利用其數(shù)據(jù)的GIS;可以直接訪問USGS(美國地質(zhì)勘探局)衛(wèi)星照片TerraServer數(shù)據(jù)庫，免費下載WMS數(shù)據(jù)源(包括全球高程數(shù)據(jù)和彩色影像圖等)，并有以真實的3D方式查看高程地圖的功能;可以轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)集的投影方式以符合具體項目的坐標系統(tǒng);可以同時對研究區(qū)域的范圍進行羽化、裁剪、3D地圖顯示等操作;還可以實現(xiàn)距離、面積計算、視線計算、光柵混合、海拔高度查詢、圖像校正等高級功能［1］。GM軟件突出的兼容性和可操作性使得其在海洋勘探、石油物探、公路鐵路選線等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2 GM在新建鐵路前期選線中的應(yīng)用

2.1 建立研究區(qū)域內(nèi)的數(shù)字高程模型(DEM)

鐵路選線的核心工作是平面“定線”設(shè)計和縱向“拉坡”設(shè)計，研究區(qū)域內(nèi)DEM的建立可以實現(xiàn)設(shè)計線路地面線的實時更新，為線路縱斷面設(shè)計提供了極大便利，在數(shù)字化選線過程中尤為重要。GM軟件是一款能夠利用全球SRTM高程數(shù)據(jù)(可免費下載)生成DEM的軟件，它在海量數(shù)據(jù)的處理和分析上速度快、效率高，在鐵路前期方案研究過程缺少地形圖的情況下，大范圍建立研究區(qū)域內(nèi)的面狀DEM等方面具有明顯的優(yōu)越性。

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取

美國國防部國家測繪局同美國國家宇航局聯(lián)合于2000年2月發(fā)射“奮進號”航天飛機，執(zhí)行“航天飛機雷達地形測繪飛行任務(wù)”即(The shuttle radar topography mission，SRTM)，SRTM所獲取的數(shù)據(jù)覆蓋了北緯60°到南緯56°之間的全部地球表面［2］。GM獲取高程數(shù)據(jù)的主要途徑是在線免費下載研究區(qū)域所在范圍內(nèi)的SRTM高程數(shù)據(jù)，GM對于存取在載體中的數(shù)據(jù)無需解壓即可讀取，并且可以進行批處理。

(2)投影面基準設(shè)置

SRTM數(shù)據(jù)格式是基于WGS84基準的經(jīng)緯度平面坐標，因此需要將數(shù)據(jù)的橢球基準和投影方式轉(zhuǎn)化為項目所需的格式，如北京54坐標基準、西安80坐標基準。用戶既可以從GM提供的300多種大地坐標系和100多種投影方式選擇［3］，也可以通過外部文件加載基準和投影方式。

(3)根據(jù)研究區(qū)域邊界坐標生成等高線

在等高線邊界選項中輸入研究區(qū)域的西南角坐標和東北角坐標值，在等高線產(chǎn)生選項菜單中設(shè)置等高距、簡化等特征，最后生成平滑形等高線。

(4)輸出DWG文件

將研究區(qū)域的矢量化等高線按DWG格式輸出、保存，以便建立DEM。圖1所示為GM輸出的部分等高線矢量數(shù)據(jù)。

(5)建立DEM

應(yīng)用鐵路相關(guān)專業(yè)軟件(如VizRail、RLCAD等)，針對等高線矢量化數(shù)據(jù)，生成專業(yè)軟件所兼容的DEM數(shù)據(jù)。

GM建立DEM的技術(shù)流程如圖2所示。

2.2 三維地形可視化選線及其應(yīng)用

利用小比例尺地形圖進行紙上定線時，地形圖上的等高線只能反映局部區(qū)域內(nèi)的地形地勢變化情況，而難以在宏觀上清晰地反映出整個研究區(qū)域的三維地形變化。GM具有這方面的顯著優(yōu)勢，它可以對SRTM地形數(shù)據(jù)進行快速處理和分析，大范圍輸出各種格式的柵格圖像，并以三維方式顯示出區(qū)域真實的地形變化。在新建鐵路項目的方案研究初期，可為線路的宏觀走向比選和線路方案展示提供有利條件。具體而言，GM的三維地形可視化應(yīng)用有以下幾個方面。

(1)線路宏觀方案比選與展示

在GM中按研究區(qū)域邊界坐標輸出光柵圖像文件，將其按西北和東南兩個角點坐標對齊到CAD中。參考線路周邊的真實三維地形，利用常規(guī)選線軟件即可實現(xiàn)對線位的實時、動態(tài)優(yōu)化。

圖3是蒙西至華中煤運通道岳陽至吉安段的三維地形，圖中將區(qū)域內(nèi)地名和各個方案線位疊加到三維地形圖上。從圖中可以直觀地看出每個方案走向上的地形變化情況。同時，在越嶺和跨河地段，也可判別橋位和隧道洞口設(shè)置的合理性。

(2)3D多視角方案瀏覽

直接在GM中同時打開各方案的DWG格式文件和研究區(qū)域的SRTM數(shù)據(jù)文件，利用GM中的3D視圖瀏覽功能可以從任何角度瀏覽不同方案在研究區(qū)域內(nèi)的位置，在3D視角下判斷各方案的合理性。

圖1 矢量化等高線

圖2 GM建立DEM的技術(shù)流程

圖3 研究區(qū)域宏觀走向方案三維可視化比選

(3)局部方案三維可視化比選

對于越嶺與跨河地段的方案展示和比選，可將各方案的實體線條疊加在GM三維柵格地形圖像上，為隧道洞口及跨河橋位的選擇提供直觀、真實的三維效果，極大方便了局部方案的直觀顯示和比選。圖4是蒙西至華中煤運通道平江至萬載段福壽山隧道的兩個越嶺方案比選，將兩方案線位疊加到三維地形上后，可以清晰直觀地看出，兩個隧道的長度、洞口的位置及地形情況，顯然，西方案隧道兩端埋深較淺，洞口位置地形較為破碎，洞口設(shè)置條件較東方案差，隧道長度也較東方案長，因此，東側(cè)隧道方案優(yōu)于西側(cè)隧道方案。

2.3 其他方面的應(yīng)用

(1)創(chuàng)建可視化三維地形圖

GM是一款專業(yè)繪圖軟件，不僅可以利用SRTM數(shù)據(jù)生成等高線，還可以將等高線、房屋邊界、道路等地形地貌信息覆蓋到三維地形上［4］，形成信息量豐富的三維地形圖文件。

(2)創(chuàng)建局部大比例尺地形圖

在鐵路勘察設(shè)計過程中，可以利用外業(yè)測量數(shù)據(jù)創(chuàng)建局部大比例尺三維地形圖，即將外業(yè)測量的數(shù)據(jù)按(序號，X，Y，H)格式保存為TXT格式文件，在GM中以通用ASCII文本文件格式打開，生成點數(shù)據(jù)后另存矢量數(shù)據(jù)為Lidae LAS文件，生成以las為擴展名的文件;再次在GM中打開，進行創(chuàng)建面、生成等高線等操作，以生成局部大比例尺三維地形圖［5］。

此外，GM在鐵路項目選線過程中還有圖像矯正、測繪數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、生成地形剖面圖等方面的應(yīng)用。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

綜上，GM在大范圍快速創(chuàng)建面狀DEM、三維地形可視化顯示，以及創(chuàng)建三維地形圖等方面優(yōu)勢明顯，在新建鐵路項目前期的方案研究過程中，具有廣泛的應(yīng)用價值。

3.2 存在的問題及展望

目前，國內(nèi)能夠免費下載的SRTM3文件中，高程數(shù)據(jù)的分辨率僅為90 m，對于預(yù)可研以后的設(shè)計階段此精度顯然不足，這也成為GM在鐵路項目后期方案研究應(yīng)用上的一大瓶頸。

圖4 越嶺方案三維可視化比選

隨著測繪科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在鐵路勘察設(shè)計領(lǐng)域，外業(yè)工作內(nèi)業(yè)化、圖像顯示效果多元化已成為新的發(fā)展趨勢。GM軟件如何與GE、Arc-GIS、MapGIS等軟件結(jié)合使用，或進行二次開發(fā)，如何充分利用不同類型的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，快速生成高精度、實時顯示的三維地形，并創(chuàng)建高精度、不同格式的DEM數(shù)據(jù)是今后重點的研究方向。

［1］http://baike．baidu．com/view/1420121．htm

［2］左美蓉．SRTM高程數(shù)據(jù)及其應(yīng)用研究［D］．長沙:中南大學(xué)，2009:1－2

［3］李 紅兵，喻威，等．Global Mapper參與測繪數(shù)據(jù)的管理［C］∥中國測繪學(xué)會海測繪專業(yè)委員會第二十一屆海洋測繪綜臺性學(xué)術(shù)研討會論文集．北京:2009

［4］田 茂義，劉如飛．基于ArcGIS和Global Mapper軟件的三維地形可視化技術(shù)的應(yīng)用［J］．全球定位系統(tǒng)，2011，36(2)

［5］風(fēng) 俠．Global Mapper教程．［OL］h ttp://www．godeyes．cn/godnews105/index．a(chǎn)spx．2010－10－25