基于Google Earth和BIM的川藏铁路数字选线应用研究

刘江涛 何娘者

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

基于Google Earth和BIM的川藏铁路数字选线应用研究

刘江涛 何娘者

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

川藏铁路线路长，所经区域地形地质条件复杂，生态环境敏感，选线制约因素多。为综合把握选线区域各控制因素，在项目研究中综合应用Google Earth和BIM技术提取大范围地形数据、建立数字选线环境、进行交互选线和纵断面自动设计、基于BIM的三维设计等，以选择最优的线路通道和工程布局。研究结果表明:(1)Google Earth数据应用于川藏铁路选线，加快前期研究进度并节省费用；(2)基于Google Earth三维选线融合地形、地质、环保、规划等各种控制因素，在三维环境中直观审视线路方案，便于选择综合最优的方案；(3)基于BIM的线路三维设计对于局部方案比选、优化调整空间线形方面具有重要作用。

川藏铁路； 数字选线； 三维选线； BIM; Google Earth

1 川藏铁路概况

新建川藏铁路位于我国四川省和西藏自治区境内，全线运营长度约2 000 km，建筑长度约1 900 km。川藏铁路东起四川盆地成都市，西行穿越川西高山峡谷区、川西山地区(高山原区)、藏东南横断山高山峡谷区、藏南谷地区到达西藏自治区首府拉萨，区域内总体地势北高南低，西高东低。雅安至然乌段穿越了我国最长、最宽、最典型的南北向山系横断山脉，各条山脉之间镶嵌着大渡河、鲜水河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、迫龙藏布、雅鲁藏布江、尼洋河等河流，组成了岭谷相间、山重水复的巨大山原。山原面高程多在3 000～5 000 m之间，山原面以下，自西到东为河流深切形成的峡谷，岭谷间高差可达2 000～3 000 m。川藏铁路沿线地势如图1所示[7]。

川藏铁路沿线自然环境多变，地形高差大，构造作用强烈，地层岩性复杂，地热、活动断裂、高烈度地震、寒冻风化、季节性冻土、冰川泥石流、冰湖溃决、大高差巨型崩塌灾害、生长期高陡岸坡等各种高寒山区特有的工程地质灾害及常规工程地质灾害在高原上的表现形式都较复杂。

图1 川藏铁路地形走势示意图

鉴于川藏铁路线路长、地形地质条件复杂、生态环境敏感，为综合各种因素选择最优的线路通道，在三维数字环境下进行选线是必然要求。为此本院基于Google Earth和BIM技术开发了数字选线系列软件，用于提取大范围地形数据、建立数字选线环境、进行三维交互选线、纵断面自动设计和基于BIM的三维设计，用数字选线手段选择最优的线路通道和工程布局。

2 数字选线系列软件简介

该数字选线系列软件基于智能手机、GPS、Google Earth、AutoCAD等基础平台开发而成的三维选线软件，可直接在Google Earth上进行铁路、公路的线路设计和纵断面设计，旨在扩展Google Earth应用范围，实现高程提取、免费DEM下载、CAD等高线绘制、卫片下载、地形断面生成、坐标纠正、地图叠加、将实测的高精度地形数据和Google Earth高程数据混合使用、方案演示、外业调查、现场数据采集、轨迹记录、GPS定位与导航等功能，大幅提高选线设计效率。该系列软件应用模式如图2所示。

图2 数字选线系列软件

3 基于Google Earth的川藏铁路三维选线技术应用

3.1 Google Earth数据下载和处理技术应用

(1)Google Earth数据

Google Earth 是Google公司推出的一款虚拟数字地球软件。Google Earth 数据实际是指该软件发布的、供用户浏览使用的三维场景，包括：①DEM 数据：Google Earth 的DEM 数据是2000年美国“奋进”号航天飞机执行的航天飞机雷达地形测绘数据(SRTM-Shuttle Radar Topography Mission)，该数据覆盖全球陆地表面的80%以上，分辨率分30 m和90 m两种。②DOM 数据：主要包括20 m 分辨率的美国Landsat7 影像数据、法国5 m 分辨率的SPOT卫星影像数据、美国0.5 m 分辨率的Quick Bird(快鸟)和IKONOS卫星影像数据及部分航拍影像数据。近年来其卫星影像数据更新速度明显加快，绝大多数地区都覆盖了现势性好的最新卫星影像。③其他GIS数据：包括地名注记、建筑物模型和其他矢量数据等。

(2)数据下载和处理

Google Earth DEM和卫片数据应用LOD层次细节模型将分块数据(Tile)有规律地存储在云端服务器。本院基于Google Earth的三维选线软件能自动计算选线区域地形和卫片分块文件在数据服务器的地址，直接从服务器下载数据并自动拼接成大文件。DEM数据下载后经软件处理形成三维等高线的KML文件和DWG文件。卫片数据下载后经过纠偏处理可应用于示意图和地形图生成。在川藏铁路前期研究中，应用选线软件的地形下载与处理功能，快速生成了选线区域的地形数据，结合卫片初选了线路走向，为后期的航测制图、现场踏勘指定了工作范围，较大地节省前期工作费用。

3.2 基于Google Earth的线路踏勘仪应用

基于Google Earth线路踏勘仪基础平台采用Android智能手机，软件采用基于Android API开发的离线地图浏览器，地图数据混合应用Google Earth和实测地形数据，线路线位和里程信息来源于线路设计软件。该踏勘仪利用GPS导航技术，在野外踏勘时可实时定位现场坐标，用于现场导航，记录行走轨迹；可对现场踏勘情况拍照存档，照片实时在地图中定位，方便内业处理中浏览现场资料。

川藏铁路沿线地形复杂，环境艰险，技术人员在初测、定测阶段大量采用线路踏勘仪技术，利用实时导航、现场影像资料存档、标注等功能，提升了现场踏勘的效率和作用，为方案快速稳定创造了条件。

3.3 Google Earth三维选线环境建立

Google Earth三维地球并没有提供矢量等高线、区域地质、环保区、规划区等选线控制信息，但Google Earth提供了KML技术叠加和扩展用户的信息。借助KML技术可叠加上述控矢量图层，建立三维选线环境。实际选线一般要求矢量地图信息以CAD矢量格式(DWG)提供，DWG矢量图形的导入采用程序转换来实现。程序将矢量坐标转换为WGS84椭球系下的经纬度大地坐标，然后按一定的数据组织方式生成KML(或KMZ)文件，并自动导入到Google Earth形成三维选线环境[3]。

3.4 基于Google Earth三维选线技术应用

(1)基于Google Earth三维选线

在Google Earth中直接进行线路设计，可同时进行多个线路方案的布设，它通过绘制、显示、拾取、变换等多种交互绘图机制，在Google Earth上轻松实现交点位置、缓和曲线长度、圆曲线半径等设计参数的动态交互调整。通过类似于AutoCAD的图形拖动夹点机制，实现图形和设计参数双向驱动，直观进行三维全景化设计。在川藏铁路拉萨至林芝段雅鲁藏布江板块缝合带选线中，采用了Google Earth三维选线技术，在三维环境中叠加大范围的矢量等高线、不良地质信息(如滑坡、岩堆、断裂破碎带的分布区域、危险等级等)、环评信息(如环境保护区、文物保护单位、人文遗迹、基本农田区等)、道路、河流等矢量区域信息，应用线形交互设计工具动态调整线路平、纵参数，直观审视线路调整前后与各类不良地质和敏感点的位置关系，选择了减少了隧道软岩大变形长度、降低大变形等级的线路方案。

(2)基于Google Earth地面线提取及纵断面自动设计

平面设计完成后，可以在Google Earth中选择线位提取中桩地面高程，进行实时的纵断面自动拉坡设计，通过输入最大纵坡、最小坡长、竖曲线半径、最小竖曲线长度、控制点高程等限制参数，就可以实时观察纵断面优化调整过程，在确定结果满意后可随时停止优化过程，保存坡度设计数据，如图3所示。在川藏铁路拉萨至林芝段预可行性研究阶段，线路方案设计中大量采用纵断面地面线提取和自动设计功能，加快了线路方案研究的速度。

图3 线路纵断面自动智能设计

(3)线路方案导出和三维浏览

完成线路和纵断面设计后，可以将设计数据导出为铁路线路设计软件或道路设计软件的数据格式，以便通过BIM技术进行后续优化设计，也可以将设计好的路线导出成Google earth标准的KML文件，这样任何人只要安装了免费版的Google Earth就可以打开查看或者导入到手机版的Google Earth中，以实现外业调查时进行定位和路线导航。

软件通过KML文件叠加选线区域的地质、环保、规划等控制因素，并将线路数据作为相机轨迹，通过对视点高度、多相机切换、相机速度，相机初始等待时间进行设置后，沿规划线路上方飞行，从而宏观审视线路方案所经区域地形地貌和各种选线控制因素，为方案评审提供直观交流平台。

在川藏铁路项目预可行性研究和拉萨至林芝段可行性研究中，通过应用Google Earth三维选线技术、纵断面自动设计、方案动态演示等技术，快速选定了线路通道，为方案比较、线路平面示意图制作提供基础数据支持，有利于快速选定线路方案，输出选线成果，提高选线设计效率。

4 基于BIM的川藏铁路线路三维设计技术应用

4.1 数字地面建模技术应用

针对地形点云大数据的处理，国内外现有算法通常采用预先分块的方法，即先对海量点云数据分割成若干个小块(点云Tile)，每个小块单独构建三角网，该方法便于并行处理，数据处理执行效率高，但分块地形模型的接边处理一直是一个较难解决的问题[6]。为解决上述问题，川藏铁路线路三维设计采用“整体建网-分块存储-动态加载”的方法，即一次性处理选线区域所有的地形数据点，构建整体连续的三角网模型，解决接边高程误差问题，然后将整体的数模按格网切割分块(三角网Tile)，数模绘制、内插应用时程序按需自动加载分块文件。该方法建立的数模整体连续无缝、数模加载快速。

由于川藏铁路线路长，选线区域广阔，比较方案研究区域采用从Google Earth 下载的DEM数据，推荐方案采用实测地形图，数据融合时不同精度数据可能重叠。软件自动检测区域高程来源，首选实测数据建地面模型。图4为融合两种数据源建立的川藏铁路某段数字地面模型。

图4 川藏铁路某段数字地面模型

4.2 线路平、纵、横断面三维联动设计

(1)平、纵、横断面三维联动设计

川藏铁路采用的三维设计软件基于AutoCAD Civil 3D二次开发而成，具有平、纵、横三维联动设计功能。在上述三维地形模型的基础上，提供线路直线、圆曲线和缓和曲线的参数化布局工具，支持动态交互方式的平面定线、纵断面拉坡、调整桥隧插旗和选择横断面参数，形成三维铁路模型。线路平面、纵断面、横断面和三维模型对象都是ObjectARX自定义实体，通过AutoCAD的反应器机制建立智能关联模型，平、纵、横任一设计视图的更改导致其他设计对象的动态更新，保证数据一致性。

通过三维联动，设计者实时查看线路变化引起的桥隧工程、土石方数量的实际变化量，从而选择最优的设计参数，达到优化局部方案工程投资的目的。该方法尤其适用于初步设计和施工图阶段的线路空间线形精细调整。图5所示为川藏铁路拉林段线路平、纵、横断面联动设计应用界面。

图5 线路平、纵、横断面联动设计技术应用

(2)设计成果输出

平、纵、横断面和三维模型设计完成后，系统可以自动批量创建图纸集，并生成线路诸表(数量统计表、方案比较表、曲线表、断链表、坡度表等)，图表格式符合国内制图标准。在川藏铁路拉萨至林芝段线路选线设计中，完全采用图表自动输出功能，减少了图纸差、错、漏、碰，极大提高了设计效率。

4.3 三维地理信息集成应用

基于铁路工程坐标系，融合实测的地形数据、开源DEM数据、航空正射图片，应用GIS技术，构建三维虚拟地形环境。将线路、路基、桥梁、隧道、站房、轨道、接触网等专业三维模型导入到三维环境中[2]，实现基于GIS平台的全线虚拟漫游和选定工点的模型展示、碰撞检测，对设计成果进行标注、管理和分析。

5 结论

在川藏铁路选线工作中，通过在Google Earth中叠加区域地质、环评、规划等基础信息，构建了大范围的三维选线环境，在数字地球环境中进行动态交互的平面设计、纵断面自动设计，综合把握选线区域各控制因素，选择最优的线路方案和工程布局。在此基础上，采用BIM技术进行线路平、纵、横断面和三维模型的联动设计，精细优化线路空间线形。总结数字选线技术在川藏铁路线路设计中的运用得出以下结论：

(1)Google Earth数据应用于川藏铁路选线，加快前期研究进度并节省费用；

(2)基于Google Earth三维选线融合地形、地质、环保、规划等各种控制因素，在三维环境中直观审视线路方案，便于选择综合最优的方案；

(3)基于BIM的线路三维设计对于局部方案比选、优化调整空间线形方面具有重要作用。

[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，2009，26(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．

[2] 刘江涛 胡光常．BIM 在铁路设计中的应用研究[J].高速铁路技术，2014，5(5):5-9. LIU Jiangtao, HU Guangchang. A Study on BIM Application in Railway Design[J].High Speed Railway Tecnology,2014,5(5):5-9.

[3] 刘江涛．基于Google Earth 的铁路三维空间选线系统研究[D]．长沙: 中南大学，2010． LIU Jiangtao．Study on Railway Location System with 3D Space Based on Google Earth[D]．Changsha: Central South University，2010．

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[7] 黄艳磊,邓军桥,张红伟.川藏铁路限制坡度方案研究[J].高速铁路技术，2015，6(3):97-101. HUANG Yanlei,DENG Junqiao,ZHANG Hongwei. Schematic Study on Limiting Gradient of Chengdu-Lhasa Railway[J].High Speed Railway Tecnology,2015，6(3):97-101.

[8] 曾祥玉.基于Google Earth和BIM的线路设计和外业调查新方法[J].土木建筑与环境工程,2015，37(S1):1-4. ZENG Xiangyu. A new method of using Google earth and BIM on road design and field investigation[J].Journal of Civil, Architectural& Environmental Engineering，2015，37(S1):1-4.

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

刘江涛(1983-)，男，工程师。

1674—8247(2016)05—0075—05

U212.32

A