基于 GIS 的风沙地区铁路选线不良地质环境建模及线路优化设计研究

　　摘要：风沙地区铁路选线主要受制于地质因素、环境因素，实现沿线区域地质环境建模是减灾选线及线路优化设计的基础。为了提高沙害区线路方案设计的效率与水平，借助遥感技术实现铁路沿线风沙灾害信息识别与提取，设计多源异构地质数据的入库规则与存储方式，建立基于 GIS 的风沙地区铁路选线不良地质信息库，实现灾害数据的统一管理;利用获取的选线区域矢量、栅格、专题数据，基于 GIS 建模功能构建风沙区选线地质环境模型，实现不良地质信息的多维表达与空间分析，通过可视化的立体选线方法进行线路方案的优化设计。以格库铁路某沙害区选线为例，建立线路三维地质环境实体模型，通过分析风沙流对平面穿越和立体绕避 2 个线路方案的危害程度，得到了较为合理的设计结果。研究表明本方法能够为今后风沙地区铁路选线设计提供一定的技术支撑。

　　关键词：风沙地区;铁路选线;不良地质建模;GIS;优化设计

　　引言

　　地质问题一直是影响铁路选线设计的重要因素，不良地质的空间分布及危害程度决定了线路走向、构造物布设和工程投资等内容。风沙危害是一种由风沙流运动而引起的典型的不良地质灾害，铁路沙害的主要形式为风蚀路基、钢轨磨蚀和沙埋铁路，其贯穿沙区铁路建设、运营全过程[1-3]。

　　风沙地区铁路选线设计需要着重考虑沙害问题，采取合理的线路方案或沙害整治措施，尽可能减弱、降低风沙流对线路工程的影响。根据《国家综合立体交通网规划纲要》(2021)、《国家“十四五”发展规划》(2021)和《西部陆海新通道总体规划》(2019)，西北地区铁路在未来一段时期建设量仍然很大，而这些区域戈壁、沙漠广泛分布，拟修建的很多条线路都穿行于风沙危害频发区域，风沙地区铁路选线的技术水平、作业效率面临更大的挑战，如何利用先进的计算机信息建模技术为选线服务是风沙地区铁路选线急需解决的问题。

　　风沙灾害是一种发生于地表的地质危害，通过利用现代化勘测设计技术对选线范围内的沙害区进行识别、提取与表达，建立线路沿线的带状地理环境模型，进而分析线路与不良地质的空间关系来实现方案优化设计，是当前风沙地区铁路减灾选线设计的必然要求与发展趋势。易思蓉等[4]最早提出了虚拟环境选线系统的智能环境模型，通过研发虚拟选线系统模拟真实地理环境来辅助铁路选线设计。蒲浩等[5]采用 OSG 技术二次开发了人机交互式设计的铁路三维可视化设计平台，实现了铁路三维场景的快速构建。

　　吕希奎等[6]利用遥感技术提取线路沿线区域地质信息，对基于地质建模的复杂艰险山区铁路三维选线技术进行了研究。陈情等[7]利用Google Earth 影像数据和遥感技术动态解译了滇藏铁路选线范围内的不良地质，实现了高海拔大高差地区地质选线的方案比选。RS、GIS 技术在铁路选线领域中多被用来提取沿线的地质信息[8-9]，在风沙铁路中的应用主要是沙害区域的识别，且应用到风沙区铁路选线中主要以二维影像和文本为主，信息的利用率和直观程度不够[10]，适用于选线分析的信息多维表达研究也不深入，与地质环境可视化的空间立体选线目标还有一定的差距，已不能适应于新时期风沙地区铁路减灾选线的复杂性。

　　鉴于此，本文提出矢量数据、栅格数据、专题数据相集成的风沙地区铁路选线地质环境建模方法，首先通过遥感技术实现地物及不良地质的信息提取，利用多源数据和 GIS 技术建立风沙地区铁路选线地质环境数据库，基于 GIS 平台将数字地形数据和影像数据集成构建三维地形环境，然后叠加不良地质形成可用于风沙地区铁路选线的三维可视化地质环境，通过在三维地质环境中分析不良地质与线路的空间关系及风沙危害程度，实现线路方案的优化设计，可为提高风沙地区铁路选线设计水平和效率提供技术支持。

　　1 基于 GIS 的风沙地区铁路选线地质环境数据库构建

　　1.1 地形数据获取

　　三维地形环境是数字化铁路选线设计的环境基础，通过构建地形环境可对线路沿线地表信息特征进行三维可视化表达[11]。高程数据 DEM(DigitalElevation Model)和影像数据是建立三维虚拟地质环境的基础，高程数据的获取可利用互联网提供的免费数据服务，从国家地理空间数据云平台网站或美国地质调查局 UCGS网站进行数据下载，操作时通过上传矢量边界或选定行政区划来制定下载的范围。影像数据获取常用的方法是通过无人机、航测飞机等航测方式来获取影像或利用互联网获取免费影像资源。

　　1.2 不良地质数据

　　获取风沙危害作为一种发生于地表的地质灾害现象，具有明显的平面特征。解译遥感影像是识别地质信息的一种先进可靠技术，通过建立解译标志和参照物，对拟选线区域内的遥感影像进行解译可得到地物、水系、滑坡、泥石流、风沙区等信息[12]，还可以利用现有的地质调查数据对其进行补充。风速、风向决定着风沙运动的强度、路径，通过国家气象科学数据中心和架设移动式气象站获取区域气象数据。

　　风沙区选线的不良地质信息组成，基于 GIS 技术可进一步分析不良地质的分布规律、发展趋势和危害程度等。将线路沿线带状区域作为栅格数据操作的研究区，根据土地利用现状图、Landsat-5TM 遥感影像、中国沙漠分布图等数据，借助软件解译功能实现监督分类，判别选线区域的不良地质、地物、植被等，沿线地物识别结果。着重提取风沙区时，可对影像进行 7、4、2 波段的假彩色合成，这种波段组合可有效区分沙丘、沙地与其他地物类型。

　　(2)矢量地质信息获取不良地质分布及范围识别以后，使用 ENVI 软件的 AOI 模块提取地质对象的空间位置、边界点坐标、周长和范围等信息，还可用按腌膜提取工具实现不良地质栅格格式数据的提取。

　　为了更直观有效地进行三维可视化分析，将栅格数据、矢量数据叠加到一起实现不良地质的矢量栅格一体化表达。由于不同类型沙丘对线路设计的影响作用不同，在风沙区空间位置及范围确定后，需要在遥感解译的基础上借助 Google Earth 软件和现场监测、实地调研、既有研究成果数据对沙丘类型、移动特征、移动方向等信息进行补充完善。根据风沙地貌学相关知识[13-15]，并结合实地考察调研，分别建立流动沙丘/沙地、半固定沙丘/沙地、固定沙丘/沙地、戈壁风沙流、风蚀的解译标志，其中建立的流动沙丘解译标志。

　　利用 Google Earth 的添加路径工具，选取风沙区界线的起点，依次选取下一点直至沙害区地质界线绘制完成，设置不同的文件名后保存为相应的KML 文件，将 GE 的 WGS84 地理坐标系转换为需要的坐标系统后，基于 GIS 的点转栅格功能、Excel转表功能、TXT 文件构建矢量风沙区范围，转化为相应的面图层，在面 shp 的 Table 中将沙害类型、移动特征、危害程度等信息添加到进去，利用分类统计结果可研究各类型沙害的空间分布格局及组合关系。

　　格库铁路沿线主要的风沙危害类型空间分布。由矢量数据可知，沿线范围内风积沙地段 369.5km，戈壁风沙流地段 235.9km，风蚀地段 146.3km。根据风沙流对铁路的危害类型及作用机理，本文将风沙类型主要分为流动沙丘、流动沙地、半固定沙丘、半固定沙地、戈壁风沙流、风蚀、固定沙丘 7 种类型，其中，流动沙地主要分布在罗布庄至通古斯巴、琼吐尔至罗布庄、东柴山至大乌斯、茫崖湖东至茫崖湖等地段，是线路与防沙工程设计的重点区域。

　　(3)地形数据地面是风沙流运动的环境基础，地表的粗糙度、起伏度、坡度、坡向等影响着沙源的分布，对风沙流的形成以及运动发展有重要的决定作用。这些数据虽然也是栅格形式，却是不良地质区域平面表达分析的重要内容，需通过二次分析后得到，利用 GIS 的 Spatial Analyst 空间分析模块处理 DEM 可获得这类数据。

　　(4)风况数据风沙流是一种典型的气固两相流，只有当风速大于起沙风速时才会发生风沙流运动[16]，因此风况决定着区域内风沙流的危害程度，是风沙灾害分析的重要内容。这类数据获取的途径主要是利用国家气象站的监测数据和实地架设观测仪器实现数据获取，经规范化处理后可得到主导风向、平均风速、起沙风频率、风玫瑰、输沙势等。基于 GIS 的非空间数据空间化方法，利用沿线气象站点数据对格库铁路沿线风速数据空间化结果。

　　1.3 地质环境数据存储设计

　　铁路选线过程中使用的数据具有多源异构特性，基于 GIS 技术将选线区域不良地质体坐标位置作为各类型地质信息的组织框架，通过 GIS 建立的地质信息库可实现地形、地质、地物、正射影像、沙害类型、地下水深等空间数据、非空间数据的存储，将各种要素数据的特征信息以属性表的形式存储，并与矢量数据链接，进而利用分析模块实现风沙地区选线不良地质信息的提取与表达。

　　Arc GIS主要是用 Geo database 实现数据存储[17]，根据风沙地区铁路选线数据要素需求，对地貌类型、沙丘疏密度、植被类型及覆盖度和土壤类型等按要素特征分别存储在不同的 Feature dataset 中，沙丘、沙地、林地及草地、自然保护区等以 polygon 格式存储，褶皱、断层、线路设计方案、风沙区边界等以 line格式存储，城镇、工矿企业、居民点等以 point 格式存储。

　　2 风沙区选线地质环境建模

　　2.1 建立三维地形环境数字高程模型 DEM 是在一个区域内以密集地形模型点的坐标表达地面形态和描述地表起伏情况，也可利用其提取各种地形参数，被广泛应用于公路、铁路选线设计领域[18]。

　　DEM 最主要的三种表示模型是不规则三角网模型、规则格网模型和等高线模型，其中 TIN 模型在线路设计方面应用最多。根据获取的影像数据和高程数据，利用 GIS的表面模型将栅格数据转化为 TIN 网，然后叠加该区域的影像数据，即可快速建立选线区域的三维地形环境。不同颜色表示不同的高程范围，能比较直观地观察、分析风沙区的位置、范围、面积等信息，结合区域内不良地质的分布可实现线路方案的初步选定。

　　2.2 平面表达分析

　　风沙地区铁路选线设计更加强调了地质选线、环境选线、减灾选线的理念，对各种不良地质的准确表达有助于避免线路设计修建及运营过程中的一些重大地质问题，特别是局部不良地质的有效表达更为重要。沙丘是在地表沙粒在风力的作用下搬运、堆积形成的地貌形态，根据沙丘流动程度可将其划分为固定沙丘、半固定沙丘和流动沙丘[19]，其中流动沙丘会随着时间发展向一定方向移动，且流动沙丘区域内的沙粒极易被风吹起，故这类沙丘会淹没道路、村庄、农田等，对基础设施、社会经济的影响最大，而半固定、固定沙丘由于表面沙流相对稳定，发生风沙流危害现象的可能性较小，造成的破坏也较轻[20]。不同类型沙丘都具有特有的表面形态。

　　风沙区是一种具有典型平面特性的不良地质，利用遥感解译得到的影像数据将不良地质矢量信息在地理环境中进行叠加，可以得到不良地质的表面区域。利用 ENVI 软件获取的风沙区边界坐标文件和 GIS 地理数据库新建 polygon 要素，实现不同类型沙丘的空间范围勾绘。

　　沙丘地貌提取完成以后，按照沙丘的流动特征、形态特征对其分类，并将数字地貌类型转化为相应的矢量图。起伏度是指比较范围内最大高程与最小高程之间的差值，经反复试验，将起伏度的阈值设定为 16m 可较好地实现沙丘、沙地的类型区分。用 Arc Map 的点线面编辑工具勾画沙丘单元，并添加相应属性信息。由于部分区域存在非平滑的边界折线，还需对其进行平滑处理。

　　利用 GIS 空间分析可实现面积统计、空间分布特征分析，选线设计中当线路穿过风沙区时，对有交集的不良地质进行高亮显示，并根据 ID 调入已存储的不良地质属性信息，结合三维空间分析功能实现不良地质对线路影响程度的判别，另外将 2 期影像联合分析还可得到沙丘的移动规律、空间范围变化等。

　　2.3 立面表达分析

　　不良地质信息的立体表达主要是通过线路沿线的三维地形环境和钻孔数据，采用面向对象的表达方法，利用 GIS 平台将地质信息集成到三维环境中进行有效表达。将带有位置信息的钻孔数据转化为三维空间点，分层次提取每一层钻孔点，将独立保存的钻孔数据依次分别生成每一层的地质体，完成地质体的三维建模，立体表达结果见图 13(a)。线路作为一个带状的三维空间实体，在不良地质区域往往会穿越断层，而断层的存在破坏了地层连续性，其对桥梁、隧道的局部方案设计有很大影响。而断层区域的三维地质体建模就是通过分别存储断层两侧的钻孔数据，在建模后将地层分界点进行连接即可。

　　2.4 不良地质体与地形融合

　　铁路选线设计时，为了更好地分析对比线路方案，避免部分优秀方案的缺失，通过将生成的不良地质实体叠加到线路三维地形环境中，实现两者的融合[21]。首先要确定融合区域，不良地质体与地形融合影响区域确定的实质就是将不良地质体的边界投影到地形网格上，形成一个多边形区域。两者间的对应关系可以为一对多或者多对一，即多个融合区域对应一个地形网格。地质实体模型读入后，可通过分解模型的包围盒进行融合区域的确定。进行地质体的坐标转换后，通过求解融合区域与地形块网格，利用约束三角网删除内部的三角形，以融合区域的边界为特征边对剩余的三角形进行重构网，不良地质体循环构网后实现地质体与地形的融合。

　　3 风沙区线路方案优化设计

　　3.1 工程概况格库铁路是连接青海省格尔木市和新疆自治区库尔勒市的一条国铁Ⅰ级客货共线电气化铁路[22]，全长 1213.7km，设计速度 120km/h。某沙害段线路走行于山前冲洪积平原及低山丘陵区，地势略起伏，为线路穿越东柴山小越岭地段，附近发育有风蚀残丘、风蚀洼地、流动沙地、半固定沙地沙丘及戈壁风沙流等不良地质，局部段落风积沙严重。风沙地区铁路选线设计时，通过建立沿线三维地形环境和不良地质体模型，能够较为全面地考虑风沙危害对线路平面走向的影响。根据沙害类型及程度，不仅可以采用平面绕避、横穿的方法，当平面绕避对线路走向影响较大时，还可以对不良地质体和构造物进行空间立体化分析，通过设置桥隧采用立面绕避的方式，进而确定线路最优设计方案。

　　3.2 线路方案优化设计为绕避流动沙地、沙丘等不良地质，在保证工程设置安全性的前提下尽可能节约投资，利用获取的数据基于 GIS 建立选线区域三维地理环境及不良地质表达模型，在此基础上进行平、立面一体化的地质选线，多角度地寻求最优方案。设计的两个工程方案如图 15 所示，隧道方案对风沙危害采用立面避开设计，线路以短直方向设隧道穿越该垭口，出隧道后线路继续足坡而下至比较终点;路基方案则以路基结构形式通过该沙害地段，从比较起点引出后向西以路基绕东柴山足坡而下至比较终点，结合沿线地理环境条件，在线路两侧的沙害区域采用“远阻近固”的工程防沙体系。

　　4 结论

　　(1)根据铁路数字化减灾选线设计的目标，研究并建立了适用于风沙地区铁路选线不良地质信息的内容组成及其识别、获取方法，设计多源异构地质信息的组织框架与入库规则，构建了基于GIS 的风沙地区铁路选线不良地质信息库。(2)采用矢量-栅格-专题一体化的风沙区地质环境建模方法，基于 GIS 的三维建模、空间分析功能，实现了不良地质信息在选线环境中的多维表达与空间分析，进而能够在三维地质环境中进行线路方案的快速比选与优化设计。

　　(3)以格库铁路某沙害区选线为例，利用获取的数据构建地质环境模型，通过空间分析风沙危害对不同线路方案的影响程度，得到较为合理的设计方案，表明基于 GIS 的风沙地区不良地质环境建模方法能比较准确地实现线路方案的优化设计，可为今后风沙地区铁路选线提供一定的技术支持。

　　参考文献：

　　[1] XIE Shengbo, QU Jianjun, HAN Qingjie, etal. Experimental definition and its significance on theminimum safe distance of blown sand between theproposed Qinghai-Tibet Expressway and theexisting Qinghai-Tibet Railway[J]. ScienceChina(Technological Sciences), 2020, 63(12): 2664-2676.

　　[2] 贾燕.荒漠区铁路风沙防治关键技术[J].干旱区资源与环境，2021，35(12)：86-92.

　　[3] CHEN Boyu, CHENG Jianjun, XIN Lingui, et al.Effectiveness of hole plate-type sand barriers in reducingAeolian sediment flux: Evaluation of effect of hole size[J].Aeolian Research,2019,38：1-12.

　　[4] 易思蓉，聂良涛.基于虚拟地理环境的铁路数字化选线设计系统[J].西南交通大学学报，2016，51(2)：373-380.

　　[5] 蒲浩，罗诗潇，李伟，等.基于 OSG 的铁路站场三维场景层次细节建模研究[J].铁道工程学报，2017，34(3)：63-67.

　　[6] 吕希奎，陈进杰.铁路数字化选线三维地质环境建模方法[J].铁道学报，2015，37(8)：91-97

　　作者：高玉祥 1，程建军 2，董晓峰 3，李泽宇 4