Google Earth在铁路前期规划设计中的应用

Google Earth在铁路前期规划设计中的应用
殷继兴;胡光常
【摘要】在简要介绍Google Earth软件和基于Google Earth开发的选线设计软件GERail的基础上，阐述上述软件应用于铁路前期规划中线路方案设计、比选和方案汇报演示中的优势，为研究线路方案、弥补地调资料缺陷、判识地质情况、绕避不良地质区域、提取地形数据、建立数字地面模型以及为线路设计评审和决策提供了一个直观平台。

同时还总结了座标系转换、局部区域的地形高程失真等软件应用中应注意的问题。

%Based on a brief introduction of Google Earth software and CREC＇s Google Earth based railway route location software GERail, Description is provided to the advantages of above software used in railway line pre-planning and design, railway line program comparison and location, and program demonstration, by which an ocular platform is built for studying route location, making up defect of geological investigation information, discerning geological conditions, bypassing unfavorable geologic province, collecting topography data, setting up digital terrain model and reviewing and approving line design. Meanwhile, problems attracting attention in software application such as coordinate conversion and local terrain elevation distortion are summarized.
【期刊名称】《高速铁路技术》
【年(卷),期】2012(000)001
【总页数】4页(P1-4)
【关键词】Google;Earth;铁路选线;铁路规划;数字地球影像及三维地球模型
【作者】殷继兴;胡光常
【作者单位】中铁二院工程集团有限责任公司,成都610031;中铁二院工程集团有限责任公司,成都610031
【正文语种】中文
【中图分类】U212.24
1 引言
铁路勘测设计具有一套完整而有效的流程和方法，航测卫星及遥感技术已广泛而深入地应用其中。

然而，现阶段航测工作一般安排在预可研阶段及以后，往往预可阶段之前没有航片、卫片或范围不足［6］。

所以铁路前期规划设计还得以1∶100 000、1∶50 000、1∶10 000等小比例尺扫描地形图为基础，进行线路方案设计和比选。

而实际应用中存在以下问题:(1)因为扫描、拼接和小比例尺等原因引起地形图误差;(2)地形图成图时间较早，实际地面地物变化较大，时效性较差;(3)需人工判读设计中线地面高，工作量很大，设计效率低;(4)由于没有影像等信息，部分地段地物、地质和环保等资料缺少或失真［2］;(5)对于资料匮乏区域，尤其是海外项目，小比例尺地形图的收集也极其困难，铁路前期规划设计工作难以进行。

随着Google Earth软件的发布，铁路前期规划设计中地形图问题得以解决。

Google Earth拥有全球的卫星图片和三维地形模型，其清晰度不断提高、图片不断更新，提供了丰富的功能，可对地形进行浏览，更重要的是该软件提供二次开发接口，允许第三方应用程序免费访问和使用其资源，因而Google Earth在铁路规划设计中的应用具有重要意义。

为此，中铁二院立项开发了基于Google Earth的
铁路三维选线设计软件GERail，并将其应用到成都至格尔木、昆明至厦门铁路通道、安康至张家界、郑州至万州线、中缅、中老、老泰铁路通道、泰国曼谷至缅甸土瓦港口铁路、泰国曼谷至马拉西亚铁路、委内瑞拉铁路等国内外数十条铁路的前期规划设计中。

2 Google Earth和GERail简介
Google Earth是Google公司推出的一款互联网三维数字地球软件，免费提供了
全球的三维数字地形和卫星图像。

经对比分析，Google Earth提供的三维数字地
形精度可满足铁路规划设计的需要。

Google Earth全球卫星图像的有效分辨率普
遍超过30 m，在中国大城市的分辨率甚至达到了0.15～2 m，大部分地级城市和主流县级以上城市达到辨认汽车的精度;其卫星图图像经常更新，大部分区域卫星
图片拍摄时间在2年以内，且分辨率在不断提高。

Google Earth还内置了国界线、省界线、地名、城市交通、公路、铁路、航空地标、三维建筑、海洋等大量有用图层，此外还提供开放的模式允许其全球用户添加地标、航迹，叠加地图、地貌景观图像等内容，共同组成了一个巨大的基于互联网的多维地理信息库。

Google Earth提供了KML(地理标记语言)、COM API、JavaScript API等开发接口，开
发者可调用其接口将三维地球窗口嵌入到自己的应用程序，调用地形、图片等数据，绘制多段线等，从而为构建一款基于Google Earth的铁路选线应用软件提供了可能。

GERail即是基于Google Earth的铁路三维空间选线系统，由中铁二院立项与中
南大学联合开发完成，2009年投入应用。

系统集成了Google Earth和Auto-CAD，利用Google Earth获取地形高程数据、影像数据及相关地理信息，直接在Google Earth中进行铁路线路规划设计、并进行方案综合展示及构建沿线铁路三
维场景，其设计成果可直接导入到AutoCAD中，从而实现了与其它基于AutoCAD开发的线路软件的互连，系统主要适用于铁路线路规划设计、方案比选
和线路方案的汇报演示。

3 GERail应用于铁路规划、方案比选和方案汇报中的优势
利用GERail系统进行铁路前期规划和方案比选，能自动快速提取定线区域地面高
程或线路纵横断面地面线，构建数字地表模型，生成并叠加等高线，并能在数字地球上实时审阅定线区域较新的卫星影像、地物及地理信息，提取的地面坐标满足铁路线路规划及方案比选对数据精度的要求，能大大提高铁路选线的效率及质量，具有明显的社会经济效益。

3.1 在资料匮乏地区进行线路方案研究
在我国西部南疆沙漠、青藏高原和横断山脉，由于气候、交通等原因，以及以往的测绘技术、装备水平的限制，尚有近200万km2的国土没有1∶50 000地形图，仅有1∶100 000地形图，在做铁路项目的规划和预可研阶段时精度得不到保证。

另外，近年来我国涉外铁路项目不断增加，多数项目集中在亚、非、拉美地区，大部分国家的社会经济十分落后，基础资料非常匮乏，收集资料十分困难，而且由于前期设计周期短、资金投入有限，没有条件和时间进行航测或外业调绘，在这种情况下应用Google Earth和GERail的效果尤为明显。

如中老铁路磨憨至万象段的规划设计项目，由于时间紧和跨国铁路等原因，缺乏老挝境内的相关资料，利用GERail软件进行方案研究，在极短的时间内完成了多个
方案的比选，最终推荐的磨憨经琅勃拉邦至万象的线路走向，与航测后可研阶段推荐的线路走向是一致的，对后面的设计工作起到了很好的指导作用。

3.2 弥补地形图资料陈旧的缺陷
由于我国的小比例地形图大部分为20世纪60年代和70年代测绘的，新的也多
为20年前的图，成图时间较长，更新速度较慢，近年来随着社会经济的发展，基础设施建设投入的加大，新增了很多的建筑物和交通路网，特别是城镇范围不断扩大，地物变化尤为明显，陈旧的地形图无法满足精确选线的要求。

Google Earth
提供的都是近年来的卫星或航测影像，比大多数的地形图更新，反映的信息更准确，更能满足选线的要求，得到价值较高的线路方案，(如图1所示)。

3.3 判识地质情况，绕避不良地质区域
通过浏览GE图片，能够更直观地判断泥石流、滑坡区域等不良地质，开矿后的山体可以明显识别，根据相关特征，结合其它资料，确定矿区的位置，进而分析采空区的大致范围，并予以绕避［1］。

渝昆铁路昭通至昆明段规划研究中，东川地区是泥石流爆发的重灾区，在GERail软件中进行线路方案研究，能够比较清晰地识别出发生过泥石流区域的痕迹，线路可以轻易地绕避这些区域，(如图2所示)。

3.4 快速提取铁路沿线地形数据，建立数字地面模型
以往的铁路前期选线工作是在地形图上完成，由于前期比选方案较多，涉及范围较大，难以全部进行航测制作数字地形图，也就无法建立数字地形模型。

纵断面高程只能靠手工点绘，需要投入大量的人力，而且效率不高。

从GERail系统可以提取纵横断面地面线数据和选线区域地面高程，建立项目区域内的数字地面模型，结合影像图，可以快速制作矢量地形图，也可用于数模选线，能够节省人力、物力资源，节约生产成本，而且能在短时间内进行多个有针对性的方案比选，(如图3所示)。

图1 同一区域不同时期的扫描图和卫片图显示地物变化较大
3.5 在三维交互模式下汇报、演示方案，为评审和决策提供直观平台
线路设计完成后，可通过如下2种方式汇报、演示线路方案:
(1)生成集成多设计方案、多专业信息的KML文件，进行方案汇报和演示。

图2 Google Earth上显示的云南省东川泥石流图片
图3 从Google Earth提取线路纵、横断面地面线和地面点用于数模选线GoogleEarth是一个三维多信息数字地球平台，铁路设计线和各专业数据可通过
生成KML文件方式叠加到三维环境中，构建多信息显示和查询的平台。

GERail系统实现了多个设计方案、多专业信息的KML文件快速生成、集成地演示，从而为
评审和决策提供直观依据。

(2)快速构建铁路三维模型，进行三维交互模式下的方案汇报和演示。

通过GERail提取地形高程数据和影像数据，结合设计线平、纵、横数据，进行三维场景建模。

利用三维可视化技术能够逼真地呈现铁路建成后的真实场景，给方案评审者以更直观的三维立体印象。

GERail提供了集成上述2种演示方式的解决方案。

在实际应用中，在同一图形界
面可动态交互地浏览线路所经过地区的地形地貌和地物情况，与周边路网的关系，以及设计线的三维模型，从而能全面细致地分析方案的优缺点，发现方案存在的不足，为方案的改进提供决策依据，(如图4所示)。

4 系统应用中需要注意的一些问题
4.1 坐标系的转换问题
Google Earth所采用的是WGS84坐标系，以大地坐标(经纬度)方式表达，而工
程实际应用中，如国内项目中通常采用北京54和国家80坐标系，以平面投影坐
标表达，因而存在 2种坐标转换关系［2］:(1)WGS84坐标系与北京54、国家80坐标系之间的转换。

(2)同一椭球坐标系下，大地坐标与平面投影坐标(国内通常采用高斯投影，国外有的采用墨卡托投影)的转换。

GERail内置了程序模块实现上述2种坐标的转换。

但对于不同椭球系的坐标转换，需要获取铁路所经过带状区域的七参数值。

由于铁路跨越区域很广，需要划分多个区域来转换，导致椭圆面之间必然存在一定的差异，仅靠2种参数很难精确转换［3］。

图4 GERail集成2种三维交互方式，联动地演示成贵铁路线路方案
4.2局部区域的地形高程失真
在一些峡谷深切的区域，Google Earth的地形高程和实际值有一些差异，谷底高
程与实际相差数十米，甚至百米之多。

据分析，这既有Google Earth数据源精度
问题，主要是由于现有形成数字地模的三角剖分功能还不能自动识别沟谷、河流，导致沟谷河流处等高线有许多穿越河流的封闭现象。

在这种情况下，一般可结合地表影像人工判读进行修正，对桥隧工程量影响不大。

如黔江至遵义铁路预可研的方案比选中，线路在跨越阿蓬江和乌江的部分地区，两岸悬崖绝壁，存在水面高程失真的情况，这时就需结合地形影像或其它相关资料进行判释。

因此在高差突变的峡谷地方需要特别注意Google Earth提供的数据的真实性。

5 结语
在进行铁路前期规划设计中，利用Google Earth丰富的数字地形和航空影像资料，可以方便、直观地进行方案研究和方案汇报演示，其精度满足前期规划设计的要求。

在方案研究中应重视坐标系转换问题，进行合理的区域划分，收集较多的控制点，可使坐标转换的精度满足铁路选线设计的要求。

另外。

Google Earth所提供的坐
标数据绝大部分区域与实际地面坐标差别很小，对于深切沟谷等部分区域，结合人工判读可纠正地形高程失真情况。

参考文献:
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