多来源、多精度地形数据在三维地质建模中的应用

刘聪元, 张春芳, 刘小飞, 杨雪洲

(1.水利部 长江勘测技术研究所，湖北 武汉　430010; 2.长江三峡勘测研究院有限公司(武汉)，湖北 武汉　430074; 3.长江勘测规划设计研究院,湖北 武汉　430010)

0　引言

因工作需要,笔者参加了国外某水电站的三维地质建模工作。该水电站的特点之一就是坝址与厂房相距较远,发电厂房位于河流上一个天然水库的附近,沿河流水道约在坝址以下12 km处。勘察单位分别针对坝址区与厂房区进行了1∶500和1∶2 000地质测绘,并用GOCAD软件分别建立了坝址区和厂房区的三维地质模型。

为研究水电站整体布局,分析整体地形特征,需要把两个孤立的三维模型按空间坐标拼装,中间用地形面连接,形成该水电站从坝区至厂房的整体三维地质模型。解决这个问题需要覆盖坝址区和厂房区的整体地形数据,以及相应的坐标换算关系。在不增加额外投资的情况下,笔者借助从互联网免费下载的低精度地形数据,通过GOCAD和ArcGIS的联合应用,较为完美地解决了多来源、多精度地形数据的匹配和融合,顺利完成了整体模型的拼装。

1　整体地形模拟范围选取

由于该水电站坝址区与厂房区、引水发电系统距离较远,而地质勘查中地形资料收集有限,因此在不增加投资的情况下,覆盖厂房和坝址区地形只有通过网络下载得到。整体地形范围如图1所示。

2　整体地形资料搜索

范围确定后,到CGIAR-CSI网站(http://srtm.csi.cgiar.org/)下载工程区90 m精度的免费DEM数据及图形,输入要下载数据的经纬度范围,并选择GEO-TIFF格式,如图2,点击“Click here to Begin Searth>>”进入下载页面进行下载。

图1　建模区域地质范围示意图

解压下载的压缩包,得到四个文件,分别为readme.txt、srtm59_13.hdr、srtm59_13.tfw和srtm59_13.tif。其中srtm59_13.tif是一个GRID文件,用ArcGIS打开后如图3所示。它用灰度表示高程,高程越大,亮度越大,反之亦然;从图3左边可以看到,该区域高程最高为1 233 m,最低为226 m;该数据采用WGS84坐标系,当鼠标在图上划过时,下部状态栏会显示当前位置的经纬度。

3　坐标变换

现有1∶500以及1∶2 000地形图采用borneo坐标系,要使地形图和DEM正确叠加,必须知道borneo与WGS84的换算关系。目前国内北京54,西安80与WGS84换算的程序很多,但是borneo坐标系的换算关系相关资料非常少,致使该项工作一度陷入困境。后经反复研究和尝试,采用ArcGIS内置的borneo坐标系比较完美地解决了坐标变换问题。

图2　从CGIAR-CSI网站下载地形数据

图3　用ArcGIS 打开TIFF文件示意图

ArcGIS不能直接对GRID文件进行坐标变换。因此,需通过ArcToolbox->Convertion Tools->Raster to Point把GRID变换成矢量点[1]。变换后如图4所示。每个点对应栅格图的一个象素。为了看清点的分布,图中进行了放大,仅显示了部分点。

图4　GRID转换矢量点示意图

坐标变换采用ArcToolbox->Data Management Tools->Projetions and Tansformations->Feature->Project工具。输出坐标系应从投影坐标系的国家坐标系统(National Grids)中选择Malaysia的Borneo 坐标系(Timbalai 1948 RSO Borneo Meters.prj)。

转换完成后保存数据并重启ArcGIS,重新装载数据后再观察状态栏,可以看到数据已转换为直角坐标。

4　地形坐标数据获取与导出

为了用GOCAD[2]建立整体地形模型,尚需把ArcGIS中的点提取为GOCAD可以接受的XYZ坐标数据。具体做法是:首先打开属性表,增加X、Y两个字段。然后右键单击X字段标题,在弹出的菜单中选择Caculate Gemetry,将X coordinate of Point赋给X字段,同理将Y coordinate of Point赋给Y字段,然后导出成DBF或TXT格式即可。本文导出为dx.txt,其格式为编号,高程,X值,Y值。

将dx.txt导入GOCAD后表现为点集(pointset)如图5,由于工程区地形高差较小,为了便于观察,图中对Z轴进行了放大。

图5　GOCAD中点集示意图

5　 整体地形的建立与地形叠加的应用

利用上述地形点建立坝址区至引水系统三维地形面,坝址区和厂房区分别采用1∶500和1∶2 000的高精度地形数据进行拟合,如图6所示。

图6　整体地形面三维地质模型

为了增强模型的展示效果,笔者从Google earth上下载了工程区的卫片影像 ,经仔细比对后,根据找到的几个特征点对整体地形面进行了贴图,后经多点效验,贴图位置基本准确,效果见图7。

图7　三维地形贴图效果图

最后将坝区地层、断层、导流洞以及引水线路地层、引水隧洞等模型进行拼装,完成整个区域内三维地质整体模型。

6　结语

通过ARCGIS和GOCAD的综合运用,经坐标转换、坐标提取、数据叠加等,将免费低精度地形数据与已有高精度地形数据结合,成功建立了该水电站整体三维模型,大坝和厂房区达到了当前阶段要求的精度,圆满完成了建模任务。文中所述方法对于缺少数据的国外工程前期三维应用具有一定的借鉴意义。

参考文献:

[1]池建.精通ArcGIS地理信息系统[M].北京：清华大学出版社，2011.

[2]詹莉，刘聪元，张春芳，等.GOCAD及其在乌东德工程中的应用[J].资源环境与工程，2011,25(5):495-498.