郭 靖 巴志偉 魏寶華

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

1 概述

隨著鐵路建設(shè)步伐的加快，高速鐵路逐漸向西南部大山深處推進(jìn)，川藏、滇藏等高原區(qū)、高山峽谷區(qū)鐵路項(xiàng)目陸續(xù)啟動(dòng)，高寒、缺氧、無(wú)人區(qū)等惡劣的自然條件，高海拔、大高差、深切峽谷等險(xiǎn)峻的地形條件以及地?zé)?、凍土、斜坡失穩(wěn)、構(gòu)造斷裂等復(fù)雜的地質(zhì)條件將是這些區(qū)域所面臨的調(diào)查難題。采用傳統(tǒng)的調(diào)查方法，既要面臨高寒、缺氧環(huán)境，還要克服巨大的地形高差，效率低、風(fēng)險(xiǎn)高，且局部艱險(xiǎn)地段無(wú)法直接到達(dá)工作面，野外地質(zhì)調(diào)查難度大，精度難以滿足要求，為設(shè)計(jì)工作帶來(lái)很多困難。

“3S”技術(shù)是遙感技術(shù)（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）的統(tǒng)稱(chēng)，是空間技術(shù)、傳感器技術(shù)、衛(wèi)星定位與導(dǎo)航技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)相結(jié)合，多學(xué)科高度集成的對(duì)空間信息進(jìn)行采集、處理、管理、分析、表達(dá)、傳播和應(yīng)用的現(xiàn)代信息技術(shù)[1-2]。近年來(lái)隨著“3S”技術(shù)的不斷發(fā)展，以“RS”、“GIS”、“GPS”為基礎(chǔ)，將“3S”技術(shù)有機(jī)集成為一體，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息和空間信息的收集、處理與更新?！?S”系統(tǒng)中，GIS相當(dāng)于中樞系統(tǒng)，RS相當(dāng)于傳感器，GPS相當(dāng)于定位器[3]，三者結(jié)合使用，在軍事、民用、農(nóng)業(yè)[4]、醫(yī)藥[5]、商業(yè)等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

鐵四院江俊偉及鐵一院羅鋒等都曾介紹“3S”技術(shù)在鐵路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及前景[6-7]，江俊偉指出:大力推廣“3S”技術(shù)在鐵路勘察設(shè)計(jì)中的普及應(yīng)用，提高鐵路勘察水平，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)鐵路事業(yè)進(jìn)步具有重要意義。如果能在鐵路調(diào)查過(guò)程中充分發(fā)揮“3S”技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，勢(shì)必能提高調(diào)查效率和精度，突破復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)調(diào)查過(guò)程中遇到的各類(lèi)難題。

在眾多具有“3S”集成技術(shù)的數(shù)字化軟件、新型移動(dòng)終端設(shè)備當(dāng)中，以?shī)W維互動(dòng)地圖和無(wú)人機(jī)的應(yīng)用較為廣泛。本文主要研究以?shī)W維互動(dòng)地圖和無(wú)人機(jī)為輔助工具的鐵路調(diào)查新方法，為其他工程提供新的思路。

2 奧維互動(dòng)地圖的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

奧維互動(dòng)地圖是元生華網(wǎng)軟件公司開(kāi)發(fā)的基于Google API和Sogou API的跨平臺(tái)地圖瀏覽器[8]，可調(diào)用多種圖源，集語(yǔ)音導(dǎo)航、記錄軌跡、指南針等多功能于一體，同時(shí)具備強(qiáng)大的影像下載、圖形繪制、圖像處理、矢量數(shù)據(jù)生成轉(zhuǎn)換及導(dǎo)入導(dǎo)出等功能，具有手機(jī)、平板電腦等智能移動(dòng)終端App[9]。

2.1 遙感圖像多源

奧維互動(dòng)地圖支持包括谷歌系列、中國(guó)資源衛(wèi)星系列、百度、騰訊、高德、bing、城市三維、天地圖在內(nèi)的幾十種圖源，還可以通過(guò)自定義地圖功能添加鐵路沿線的無(wú)人機(jī)航拍遙感圖片，以及沿線的區(qū)域地質(zhì)圖、綜合水文圖、礦區(qū)地災(zāi)圖等專(zhuān)業(yè)圖件，還支持高程疊加、地圖之間相互透明疊加、歷史圖像對(duì)比等功能，見(jiàn)圖1。

圖1 八渡滑坡多模式疊加圖

2.2 支持多格式數(shù)據(jù)

奧維互動(dòng)地圖支持多格式矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入。CAD中的DXF數(shù)據(jù)可以直接拖拽導(dǎo)入，可以通過(guò)Arc-GIS、Global Mapper等軟件將shp、JPG、TIFF等格式文件轉(zhuǎn)換為kml文件，拖拽導(dǎo)入，另外在專(zhuān)業(yè)網(wǎng)站上下載的行政、道路地理、山峰水系等多種專(zhuān)業(yè)地標(biāo)資源文件均可以直接導(dǎo)入奧維中。

通過(guò)奧維還可以導(dǎo)出kml、gpx、plt、dxf、txt、csv、shp等多格式文件，可以實(shí)現(xiàn)與Google地球、CAD、Excel、ArcGIS等軟件的數(shù)據(jù)互通。

2.3 突破專(zhuān)業(yè)GPS限制

在奧維平臺(tái)中，可以加載基于GPS的具有三維地理信息的遙感圖像，可實(shí)現(xiàn)3D模式、按比例夸張地形等裸眼可視化三維圖像，大大增加了可讀性和判釋效果。

奧維互動(dòng)地圖可以搭載在手機(jī)、平板電腦等新型智能移動(dòng)終端上，方便靈活；可支持GPS和無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)共同定位，精度更高；可支持任意定點(diǎn)導(dǎo)航、軌跡記錄、同伴實(shí)時(shí)位置共享，方便實(shí)用；支持一鍵收藏當(dāng)前位置，還可以對(duì)收藏的定位標(biāo)簽進(jìn)行測(cè)量、記錄、錄音、拍照等操作，且支持分類(lèi)型進(jìn)行保存。

2.4 其他

奧維平臺(tái)具備點(diǎn)線面編輯、分析、成圖功能，設(shè)計(jì)有方便實(shí)用的文件管理功能，附件管理功能，通訊功能，共享云功能等。

3 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

調(diào)查中使用的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可稱(chēng)為低空無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)（UAVRS），主要由飛行器、圖像傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、相機(jī)、地面控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理軟件等部分組成。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)具有系統(tǒng)集成性強(qiáng)，成本相對(duì)低，分辨率高、處理速度快、機(jī)動(dòng)靈活及安全可靠等特點(diǎn)。無(wú)人機(jī)按飛行原理可分為固定翼無(wú)人機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)。其中固定翼無(wú)人機(jī)飛行穩(wěn)定，巡航時(shí)間長(zhǎng)，距離遠(yuǎn)，多旋翼無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間短，但飛行姿態(tài)多，更加靈活，可進(jìn)行傾斜攝影[10]。

3.1 按需實(shí)時(shí)采集RS遙感圖像

可以根據(jù)需要查明對(duì)象的特性選取所搭載相機(jī)的類(lèi)型，實(shí)時(shí)調(diào)整飛行姿態(tài)、飛行高度及范圍等，所獲取的遙感圖像清晰度更高，對(duì)工程分析更有針對(duì)性。

3.2 精準(zhǔn)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)主要有定位、定向和定姿等部分組成，可以為飛機(jī)提供精確的方向基準(zhǔn)和位置坐標(biāo)，同時(shí)實(shí)時(shí)根據(jù)姿態(tài)信息對(duì)飛機(jī)飛行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。導(dǎo)航系統(tǒng)可分為慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、多普勒導(dǎo)航、地形輔助導(dǎo)航以及地磁導(dǎo)航等，實(shí)際選擇過(guò)程中可根據(jù)氣象、地形地質(zhì)等條件綜合確定。選擇適合的導(dǎo)航定位系統(tǒng)后，則可以控制無(wú)人機(jī)沿給定航線進(jìn)行平穩(wěn)的軌跡飛行拍攝。

3.3 強(qiáng)大的集成GIS軟件

通過(guò)無(wú)人機(jī)采集的帶有三維坐標(biāo)信息的遙感圖像通過(guò)配套的集成GIS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接、幾何校正以及三維模擬等處理，從而獲取地質(zhì)體各類(lèi)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)體全面判別分析的目的。

4 基于“3S”集成技術(shù)調(diào)查新方法的流程體系

基于“3S”集成技術(shù)調(diào)查新方法流程見(jiàn)圖2。

圖2是根據(jù)西南山區(qū)多條鐵路的應(yīng)用實(shí)踐，總結(jié)出了基于“3S”集成技術(shù)調(diào)查新方法的流程。具體流程為:走向方案比選階段，在收集資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)奧維互動(dòng)地圖PC端進(jìn)行室內(nèi)初判，根據(jù)初判結(jié)果采用奧維現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證+重點(diǎn)段落無(wú)人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)采集+代表性綜合勘探的組合方法，查明重大不良地質(zhì)體的分布范圍，綜合分析得出走向方案地質(zhì)比選結(jié)論。

圖2 基于“3S”集成技術(shù)調(diào)查新方法的流程

對(duì)局部控制性工點(diǎn)的比選方案首先用無(wú)人機(jī)進(jìn)行高精度低空遙感數(shù)據(jù)采集，然后在三維數(shù)據(jù)建模基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合分析研判，代表性進(jìn)行奧維驗(yàn)證及綜合勘探驗(yàn)證等，綜合各項(xiàng)成果分析評(píng)價(jià)控制性工點(diǎn)的地質(zhì)條件，得出控制性工點(diǎn)地質(zhì)比選結(jié)論。

5 南昆線百威段擴(kuò)能應(yīng)用實(shí)例

南昆鐵路百威段跨越百色盆地、黔桂山地、云貴高原三大地貌單元，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，受地質(zhì)控制的因素較多，如采用傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查手段完成調(diào)查任務(wù)將耗費(fèi)大量人力物力，結(jié)合本單位項(xiàng)目繁多、人手緊缺的實(shí)際情況，亟待提高工作效率?？辈炱陂g通過(guò)廣泛調(diào)研，結(jié)合實(shí)際情況，采用基于“3S”集成技術(shù)調(diào)查新方法圓滿完成了調(diào)查任務(wù)。具體流程如下。

5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理

首先對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，主要包括方案線位、礦區(qū)地災(zāi)范圍、地質(zhì)圖件等，然后通過(guò)Arc-GIS、GM等輔助軟件將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入奧維互動(dòng)地圖平臺(tái)PC端中，分類(lèi)存儲(chǔ)，見(jiàn)圖3。

圖3 百威線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分類(lèi)整理

5.2 室內(nèi)解譯初判

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入奧維PC端后，進(jìn)行室內(nèi)初步解譯。利用奧維互動(dòng)地圖的地圖疊加、3D視角、地形夸張拉伸等功能，結(jié)合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)沿線地形地貌、地質(zhì)條件等進(jìn)行綜合分析，用奧維中的點(diǎn)線面編輯功能劃分影響線路方案的不良地質(zhì)段落，初步評(píng)價(jià)各方案的綜合地質(zhì)條件。

5.3 制定外業(yè)驗(yàn)證計(jì)劃

根據(jù)初步解譯成果，分類(lèi)別整理成奧維標(biāo)點(diǎn)和軌跡，結(jié)合地形交通條件制定代表性驗(yàn)證計(jì)劃，并把驗(yàn)證計(jì)劃的點(diǎn)位上傳至云端，外業(yè)調(diào)查人員從云端下載并導(dǎo)入智能移動(dòng)終端。

5.4 外業(yè)數(shù)據(jù)采集驗(yàn)證

外業(yè)調(diào)查人員攜帶移動(dòng)終端利用奧維的定點(diǎn)導(dǎo)航功能導(dǎo)至驗(yàn)證點(diǎn)位，利用標(biāo)簽記錄、拍照、錄音以及畫(huà)線、測(cè)距、產(chǎn)狀量測(cè)等功能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。對(duì)于無(wú)法直接接觸的陡峻地形以及衛(wèi)星遙感圖源不清晰的區(qū)塊，通過(guò)攜帶的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。

5.5 修正初判結(jié)果、布置勘探任務(wù)

首先對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，主要包括方案線位、礦區(qū)地災(zāi)范圍將外業(yè)采集的各類(lèi)數(shù)據(jù)導(dǎo)入PC端進(jìn)一步處理，結(jié)合采集的數(shù)據(jù)修正初判結(jié)果。對(duì)于通過(guò)解譯調(diào)查無(wú)法確定的地段，布置驗(yàn)證性物探、鉆探、挖探等手段進(jìn)一步驗(yàn)證地質(zhì)條件。

5.6 勘探定點(diǎn)

將布置的勘探點(diǎn)線上傳至云端，各勘探組從云端領(lǐng)取勘探任務(wù)開(kāi)展勘探取樣化驗(yàn)工作。

5.7 分析各項(xiàng)成果綜合評(píng)價(jià)地質(zhì)條件

根據(jù)初步解譯成果、外業(yè)驗(yàn)證調(diào)查成果、綜合勘探成果對(duì)各方案地質(zhì)條件作出綜合評(píng)價(jià)，提出地質(zhì)選線建議。

5.8 成果出圖

將奧維中的各類(lèi)矢量數(shù)據(jù)通過(guò)關(guān)聯(lián)點(diǎn)導(dǎo)入CAD中，按出圖標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步優(yōu)化成圖。

6 與常規(guī)調(diào)查方法的對(duì)比分析

與常規(guī)調(diào)查方法對(duì)比，“3S”集成技術(shù)調(diào)查新方法無(wú)論內(nèi)業(yè)整理及外業(yè)調(diào)查階段均可實(shí)現(xiàn)“無(wú)紙化”作業(yè)模式。多種圖源多種模式分析對(duì)比，提高分析研判效率及精度，導(dǎo)航靈活便捷，定位精確，信息采集快速、準(zhǔn)確、全面，艱險(xiǎn)地段可實(shí)現(xiàn)非接觸式調(diào)查，所有數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)于本地收藏夾及云端，信息傳輸與共享方便。所以，無(wú)論從工作效率、精度以及成果的質(zhì)量上看，都明顯優(yōu)于常規(guī)調(diào)查方法，具有較強(qiáng)的實(shí)用性及推廣性。新調(diào)查方法與常規(guī)勘察方法對(duì)比詳見(jiàn)表1。

表1 基于“3S”集成技術(shù)調(diào)查新方法與常規(guī)調(diào)查方法對(duì)比[11]

7 結(jié)論

綜上所述，基于“3S”集成技術(shù)的調(diào)查新方法可實(shí)現(xiàn)調(diào)查無(wú)紙化作業(yè)，具有精度高、效率較高、適用性強(qiáng)、不受地形地貌限制等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效解決復(fù)雜艱險(xiǎn)鐵路的調(diào)查過(guò)程中面臨的問(wèn)題，可以在川藏等艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路調(diào)查過(guò)程中推廣應(yīng)用。

隨著“3S”技術(shù)以及軟硬件功能的持續(xù)發(fā)展，“3S”技術(shù)會(huì)進(jìn)一步深度融合，奧維互動(dòng)地圖的功能會(huì)更加強(qiáng)大，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的定位及遙感攝像功能會(huì)更加完備，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)鐵路行業(yè)勘察、施工[12]等方法的革新。