数字地球三维影像在工程规划设计中的应用

覃 锋

(贵州理工学院采矿工程学院，贵州 贵阳 550003)

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数字地球三维影像在工程规划设计中的应用

覃 锋

(贵州理工学院采矿工程学院，贵州 贵阳 550003)

通过对数字地球信息技术和相关软件的分析，论述了数字地球三维影像地形用于工程规划设计前期的可行性和与传统方法比较具有的优势，并且结合实例说明了数字地球三维影像地形在水利和公路工程中的应用技术。

数字地球信息技术，三维影像地形，工程规划设计

地形图是工程规划设计阶段必不可少的资料,工程项目建设方案依赖于各种比例尺的地形图，传统的工程规划设计由于条件的限制只能在二维的纸质的地形图上进行。随着网络技术、计算机技术和地理测绘信息技术的快速发展，工程规划设计特别是在项目的前期可以利用数字地球信息系统提供的各种资源进行可行性研究和初步设计阶段的工作。在这方面国外著名的软件有谷歌地球(Google Earth)，NASA的World Wind(世界风)和Skyline的TerraExplorer等；而国内有天地图地理信息系统等。这些软件不仅能为规划设计者提供地球表面的综合地理信息，而且也能提供具有高程的真三维地理影像。

1 数字地球地理信息系统软件介绍

1.1 谷歌地球(Google Earth)

Google Earth(GE)是一款Google公司开发的虚拟地球地理信息软件，它把卫星图片、航拍影像和丰富的地理信息融合在一个地球的三维模型上。Google Earth于2005年向全球推出，用户们可以通过电脑上的客户端软件，免费浏览全球各地的高清影像和地表的三维模型。在中国大陆大城市、Google Earth提供分辨率为0.5 m～1 m左右的高清影像，而在农村地区影像分辨率为30 m，影像大约3年更新一次。Google Earth采用的数字高程模型数据为SRTM,地形数据按精度分为SRTM1和SRTM3，水平分辨率精度分别为30 m和90 m,而GE的数字高程模型采用SRTM3的数据。GE提供二次开发接口，能加载Sketch up三维模型，支持导航浏览和信息查询。

1.2 NASA的World Wind

World Wind 是由NASA于2004年发布，是一个开放源代码的地理科普软件，它是一个可视化地球仪，将NASA，USGS以及其他WMS服务商提供的图像通过一个三维的地球模型展现，提供免费的全球卫星影像和地形数据，影像分辨率相对不高，数据传输速度慢。

1.3 SkylineGlobe

SkylineGlobe是全球领先的三维空间地理的三维数字地球场景，是一个功能强大的三维可视化平台。用户可以利用航空和卫星影像、地形数据和其他的二、三维地理空间及属性数据，创建自定义的虚拟现实三维可视化场景，进行浏览、查询、分析和网络发布共享。SkylineGlobe旗下包含Terra Builder，TerraExplorer和TerraGate三个系列产品，能够实现三维场景创建、三维场景展示和三维数据网络发布功能。

2 利用三维影像地形进行项目选址

工程项目在符合国家产业政策和区域规划的前提下，项目的选址需考虑矿产资源、水资源、土地占用、环境保护以及地形地貌、工程地质、水文地质等方面的因素。由于谷歌地球集成了多维地理信息，不仅能够直观显示二维和三维地形地貌，而且还反映交通、水资源、土地利用以及村落城镇人口居住和产业分布的多方面的信息，这些信息为项目的选址提供充分的依据。

对于大型土木工程项目，项目的选址必须考虑区域地质条件。通过对谷歌地球上遥感影像的分析来进行地质构造的判断和解译，有时还可以解译出地面难以观察到的构造细节和构造的全貌，有利于区域构造分析，比如岩层产状、褶皱构造、断裂构造等在遥感影像上面能够做出初步的判译[1]。谷歌地球是我们真实地形地貌的缩影，利用谷歌进行工程项目的选址选线，能够得到项目所处位置的自然条件、道路交通、城镇工矿、人口分布和工程地质构造等方面的综合信息。

3 数字地球影像在水利工程的应用

3.1 三维地形影像用于可行性研究

由于我国国家基本比例尺地形图更新缓慢，工程建设前期用到的地形图(1∶1万～1∶5万)资料多为二十世纪七八十年代甚至更早的测绘成果。近三十年来我国村落、城镇、道路交通、电力设施、通信设施等各种基础设施在地理空间的分布及其数量和三十年前对比已完全不同，所以现在使用的地形测绘资料已经十分陈旧。随着数字地球信息技术和“3S”技术的快速发展，现代地理测绘技术正从二维向三维转变，诸多地理信息资料的更新速度和质量大大加快和提高。Google Earth的卫星影像其黑白波段的分辨率高达0.61 m，彩色的分辨率为2.44 m，最大成图比例尺可达1∶1 500～1∶2 000。谷歌地球的高分辨率的影像资料和地面数字高程可以满足水利工程规划设计阶段对地理测绘资料的需求。在工程可行性研究阶段，利用影像三维地形查看研究范围内的地形地貌起伏形态，大致判断地质构造和水系的分布以及河流来水量的大小，勾绘出集雨面积的范围，初步确定坝址的位置，根据灌溉的需要定出渠道的走向路线；随着规划设计的深入，可以大约估算出流域和工程占用土地的面积，确定移民搬迁安置的位置，根据实际情况制定移民安置规划方案[2]。

3.2 三维影像等高线和断面的绘制

由于数字地球地理信息软件大多都支持二次开发，可以利用软件提供的二次开发接口，实现地面高程和影像的提取，影像等高线的生成，地面两点间距离的量取和断面的绘制，地面土石方开挖的计算等等功能。在三维影像地面高程模型上面叠加等高线，不仅符合规划设计人员的习惯，而且可以查看地面的高程信息。图1是软件生成的具有等高线信息的三维影像地形。

在水利工程的设计阶段常常需要测量绘制水文断面，在谷歌地球上只要确定了两点之间的路线，就可以很快绘制出断面线，图2是谷歌地球中在线绘制的地形断面线。

3.3 水工建筑物的三维建模

数字地球信息系统除了能显示精细三维影像地形外，一般还提供二次开发和专业的建模工具软件。比如利用谷歌的草图大师sketch up，根据规划设计的各种建筑物、构筑物的形状和几何尺寸建立三维模型，并按真实的地理坐标导入到谷歌地球中显示出来；还可以使用软件自带的sandbox插件把在AutoCAD中绘制的等高线输入到Sketch up中生成地形模型。图3是用Sketch up建立的大坝及其附属建筑、大桥和有等高线的三维影像地形模型。

3.4 模拟洪水淹没变化过程

利用三维影像地形模拟洪水淹没趋势，实时动态的展现了洪水的变化过程及其对周边环境所带来的影响，以便发挥防洪工程效益。图4是城市洪水淹没情况的模拟图。

4 数字地球影像用于公路工程设计

4.1 基于三维影像设计的优势

基于数字地球空间的三维影像公路设计与传统的基于线划等高线地形图选线设计有了本质的区别，具体体现在以下几个方面：1)与传统的地形图(1∶1万～1∶5万)相比，谷歌地球的地面影像更新快，反映了目前的地形地貌、水系、城镇村落、路网以及工矿区等的现在的空间位置和分布，所以基于Google Earth三维影像的选线更合理科学可行。2)经试验研究表明，基于Google Earth的DTM提取地形高程的精度与从1∶5万地形图上人工判读的精度相当，可以满足规划阶段的要求；但是在Google Earth上提取路线高程能快速生成线路的纵断面图；同时沿纵断面方向上能快速提取里程桩、地形加桩、曲线加桩的横断面的地形数据，绘制横断面图，供设计使用。3)基于Google Earth空间的数字高程和高清影像上建立的三维地形和线路立体模型，给决策部门提供了集真实地面和工程设计模型于一体的仿真模拟系统，形象准确，以确保能做出科学的决策和进行方案的比选优化。

4.2 软件开发与应用

自从Google Earth 2005年推出后，许多科研单位、设计部门和个人对谷歌地球在线路工程设计领域进行了开发研究。2008年1月以来，中铁二院规划院与中南大学展开了数字地球铁路三维空间选线系统(GERail V1.0)的深入研究，目前该系统已经投入使用[3]。在个人研发方面，有“成塔路线设计(谷歌版)”，软件在Google Earth的三维影像地理空间进行路线的选线、地面纵断面线的绘制、平面线型和纵断面拉坡设计，借助谷歌地球免费的高清卫片和三维地形，还可以进行行车动画模拟。在谷歌地球上应用“成塔路线设计”软件时，直接在影像上根据地形地物以及公路设计规范的要求选择路线走向和平面线型的设计，可以对交点的位置、曲线半径、缓和曲线长度等进行修改、添加、删除；对于竖曲线，软件可以根据需要添加、删除和改变变坡点的位置，修改竖曲线的半径大小。图5是在谷歌地球三维影像上选取的一条公路，图6是公路平面线型的设计。

4.3 需要解决的问题

在工程规划的前期，应用数字三维影像地形，改变了传统的方法，实现了真正意义上的地理三维空间的规划设计。由于多种原因，还存在以下方面的问题：1)在有的农村地区，还缺少高清数字影像，同时目前的三维地形的高程精度(全球的数字高程模型)只能用于工程规划前期的要求，还不能满足工程详细设计的需要。2)由于现在主流的数字地球信息软件使用的是WGS84坐标系统，而工程规划设计阶段要求采用国家坐标系，需要进行坐标系的转换[4]。要实现两种坐标系的精确转换就要获取工程规划区域的七参数，进行GPS控制测量和收集控制点的国家坐标系的坐标，通过计算可以解决七参数的问题。

5 结语

随着计算机软硬件技术、网络技术和数字地球信息技术的不断快速进步，工程规划设计的模式一定会发生本质的变化，数字地球三维影像在工程规划设计中应用将会越来越深入。这种发展的趋势应该是开发研制集数字影像三维地形、工程规划设计的建筑物构筑物模型仿真和AutoCAD中的精细设计于一体的综合系统，最终实现在真三维地理空间中的可视化工程规划设计。

[1] 朱 颖，蒲 浩，刘江涛,等.基于数字地球的铁路三维空间选线技术研究[J].铁道工程学报，2009(7):33-37.

[2] 赵徐鸿，漆文邦.三维影像和矢量地图软件在水电建设中的应用研究[J].云南水力发电，2009(1)：20-23.

[3] 王一波，绍伟伟，罗新宇.Google Earth数据精度分析及在铁路选线设计中的应用[J].铁道勘察，2010(5):68-71.

[4] 谭 浩，张庆新.Google Earth在公路设计中的应用[J].西南公路，2007(1)：64-65.

Application of digital earth 3-dimensional topographic images in engineering planning and design

QIN Feng

(MiningEngineeringCollege,GuizhouInstituteofTechnology,Guiyang550003,China)

Through analysis of digital earth information technology and related softwares, the feasibility to apply 3-dimensional topographical images to engineering planning and design in early stage was discussed. And the advantages compared with the traditional method have been discussed too. This paper illustrated the application of 3-dimensional topographic images in the hydraulic engineering and highway engineering by examples.

digital earth information technology， 3-dimensional topographical image， engineering planning and design

1009-6825(2014)28-0227-03

2014-07-15

覃 锋(1967- )，男，硕士，高级讲师

P208

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