铁路三维地质选线理论与方法

1）国内外首本专门以智能铁路选线作为主题的专著；
2）一次系统性呈现完整的智能选线解决方案，该方案基于GIS、知识工程，联合数值与知识推理方法，协调人机智能。
3）集理论、方法、实现、验证一体，介绍理论基础，展现解决方法，说明软件实现方法，*后给出试验验证案例。
4）内容新颖，本书内容主要讲述作者自己的研究成果，多数内容未曾发表。5）专业性与扩展性强，结构严谨、层次清晰，文字流畅、准确。 

      随着虚拟现实技术和空间信息技术的发展和应用，铁路数字化选线技术也日趋成熟。而铁路数字化选线技术达到实用的关键问题之一，是复杂地质区域的数字选线技术。本书面向复杂艰险山区的三维地质选线技术，围绕铁路工程三维设计领域的三维地质实体建模与选线关键技术及应用中的热点问题，系统的阐述了三维地质实体建模与铁路空间立体选线理论与方法，内容涵盖三维地理环境建模方法、地质多源空间信息集成技术、三维地质环境建模方法、基于遥感信息的工程地质虚拟环境建模方法和利用技术、选线地质知识库构建关键技术、三维地质实体建模方法、基于地质三维建模的空间立体选线方法与选线决策模型、空间立体地质选线平台及应用案例。

      朱颖：中国勘察设计大师，教授级高工。从事铁路勘察设计工作二十多年,先后担任过多个国家重点铁路建设项目的总体设计负责人,负责主持和参加了黔桂、福厦、厦深、合河、武广、郑西、海南东环等20多条新建、改建铁路干线的投标、勘测设计、科研和配合施工工作,解决了许多线路设计的技术难题。 吕希奎：博士，毕业于西南交通大学道路与铁道工程专业。主要从事道路勘测设计现代技术、城市轨道交通、选线设计理论、工程信息技术与虚拟环境仿真技术的研究，已发表及被录用论文近20篇，导师是第二届全国教学名师易思蓉教授。先后参与国家自然科学基金“基于GIS的虚拟环境选线系统智能环境建模方法及应用”（0278082）、铁道部“高速磁悬浮铁路线路平纵面技术参数初步研究”、 国家863“高速磁悬浮铁路线路设计参数研究”项目的研究。3年软件公司的工作经验，高级程序员，具有多年的OpenGL、Oracle数据库开发经验。目前正在主持“交通安全与控制”河北省重点实验室开放课题资助项目（城市轨道交通三维可视化规划与设计系统，211001）研究。 许佑顶：四川省勘察设计大师，教授级高工；从事铁路勘察设计工作二十多年,先后担任过多个国家重点铁路建设项目的总体设计负责人,在武(昌)—广(州)客运专线设计中,首次提出将计算机仿真模拟用于线路平、纵断面设计的新思路,得出线路平面曲线与线路纵断面变坡点之间最小长度的定量关系,补充了现有高速铁路设计规范中在该方面未明确的内容。
      谢毅：北方交通大学铁道工程专业毕业，现任中铁二院副总工程师，发表过《琼州海峡跨海通道建设的思考》等论文，主持了南宁至广州、贵阳至广州、海南东环、沈大客专、龙岩至厦门、赤峰至大阪至白音华、北京至集宁线、胶济线、浙赣、成都至九寨沟、成都至灌县、西安至成都等线的投标，以及柳州至南宁客专、泛亚铁路、襄渝、遂渝、蒙自至河口等线的预可研、初步设计等工作。荣获“第十二届詹天佑铁道科学技术奖–青年奖”。

1引言1

 11铁路数字化地质选线技术背景1

 12数字化选线技术发展概况2

 13三维地质体建模技术发展概况3

 14铁路勘测设计技术的发展趋势4

 2多源地质信息集成技术7

 21地质多源数据差异性分析7

 22地质信息多源数据一体化构建10

 23多源地质体数据的标准化13

 24空间数据存储结构设计21

 25地质多源空间数据集成24

 26基于GIS的地质多源信息空间数据管理系统28

 3三维地质环境可视化建模方法43

 31数字地质信息获取方法43

 32数字地质对象定义与存储46

 33矢量化建模方法49

 34栅格化建模方法52

 35工程地质虚拟环境建模57

 36选线地质超地图模型60

4三维地质实体建模理论与方法64

 41长大带状铁路区域地质建模数据的获取64

 42三维地质建模数据模型92

 43遗传—克里金地质数据插值103

 44三维地质体建模112

 5三维地质模型可视化及分析技术119

 51基于OSG的地质模型可视化技术119

 52钻孔可视化及查询124

 53工程地质剖面生成及可视化查询128

 54地质模型三维可视化表达133

 55地质体空间计算与分析137

 6选线地质知识库构建143

 61知识库设计143

 62地质知识的来源及获取方法149

 63地质知识的表示154

 64选线地质知识的推理160

 65选线地质知识库维护165

 66选线地质知识库系统167

 7基于地质三维建模的空间立体选线方法179

 71基于超地图模型的地质选线应用技术179

 72方案线实体自动化建模方法185

 73基于地质实体与线路实体空间冲突分析的选线应用技术196

 74基于地质实体的选线优化与决策模型208

 75基于遗传算法的线路优化217

 76复杂地质区域线路方案评价模型224

 8工程实例应用232

 81工程实例概况232

 82工程实例地质建模233

 83基于地质三维建模的空间立体选线241

参考文献2

铁路选线设计是在三维空间决定线路位置的决策优化过程，特别是山区，河谷深切、构造复杂，不良地质普遍发育，岩溶、顺层、滑坡、断层破碎带和崩塌等主要不良地质现象分布广泛，比选线路方案时对地质因素考虑得最多，更加注重“地质选线”，地质因素往往成为线路方案取舍的决定因素。合理的线位不仅能降低铁路施工中的风险，更能有效的减少后期线路维护成本，提高运营安全。

 随着计算机辅助设计技术特别是计算机三维图形处理技术的发展，铁路工程三维设计理念已得到铁路行业的普遍认同，而且成为近年来的热点研究与应用领域。一方面，在铁路选线设计研究领域，目前国内及国外已经基本完成了三维数字地形构建及线路三维可视化的研究工作，取得了很多有价值的成果，但普遍缺少对地质信息的集成应用和有效表达，对于山区的铁路侧重于地质选线而言并不能满足这种要求；另一方面，大面积、大比例的高精度遥感技术，已经为选线设计和线路方案工程地质条件评价提供了可靠的基础地质资料，如何根据这些可靠的基础地质资料与线路三维可视化技术统一集成，建立选线设计的真三维地质实体模型，并实现这一模型下的空间立体选线以满足山区地质选线要求显得尤为迫切，更直观的分析和应用地质信息为选线服务已成为实现铁路地质选线急需解决的问题。

 本书面向复杂艰险山区的三维地质选线技术，系统介绍了铁路三维地质选线理论和方法，主要内容包括：

 （1）多源地质信息集成技术

 针对地质信息多源性特点，从空间特征表现和属性表征两方面，分析地质灾害多源数据的差异性，建立地质空间数据标准化方法，实现地质信息多源数据的一体化构建与集成。采用Oracle Spatial的空间数据库技术，建立基于GIS的地质多源信息空间数据管理系统。

 （2）三维地质环境可视化建模方法

 针对复杂地质区域的数字选线技术的关键问题，采用插值n次Bézier曲线和三次参数样条曲线，实现不同类型地质对象在三维环境中的矢量化表达和定位；采用CDT方法建立地质对象约束TIN模型，基于纹理定位和影像纹理坐标计算方法，实现栅格解译影像的定位和表达，建立铁路数字化三维选线的矢量数据和栅格数据一体化的三维地质环境建模方法。在三维环境里，集成地质对象矢量和栅格数据、地质专题信息、遥感正射影像图、三维地形数据，建立更为直观的地质表达和识别模式，构建的三维地质环境较好的满足复杂地质区域的数字三维选线设计要求。

 （3）三维地质实体建模方法

 以铁路长大带状区域地质建模数据的获取为基础，基于网络地理影像资源获取长大带状选线区域的正射影像，实现铁路三维地质环境地表DTM、DOM的自动获取。基于地质勘察资料，提取数字化的地质体建模数据；通过分析铁路三维地质建模采用的数据模型，定义所采用的广义三棱柱数据模型的数据结构。采用遗传算法—克里金的地质数据插值算法，实现地质数据的插值处理。基于GTP体元模型，实现三维地质体建模，建立满足铁路选线设计要求的三维带状地质体模型。

 （4）三维地质模型可视化及分析技术

 基于OSG高阶渲染引擎，构建三维地质模型的场景树结构。基于“射线求交”场景对象拾取技术、虚拟钻探取芯算法、剖面自动相连算法和地质数据库，实现钻孔和工程地质剖面的可视化生成及查询、地质实体模型的多角度观察和多种可视化表达和地质体的空间计算与分析。这些操作为多角度、全方位的认识和理解地质实体模型提供了强有力的支持。研究建立地质对象提取技术，实现地质实体的体积、表面积，地层土方量的计算。基于GTP地质体剖切算法，实现三维地质模型的基坑开挖仿真以及地下隧道生成与三维虚拟漫游。

 （5）基于遥感信息的工程地质虚拟环境建模方法和利用技术

 集成三维地形模型、多源影像融地质遥感影像和工程地质属性库，构建工程地质超图模型。建立基于地质对象遥感解译影像和超图模型的铁路工程地质虚拟环境建模方法，实现在铁路数字化选线系统中的不良地质区域信息自动映射、显示和选线要点提示。在此基础上，实现对地质信息的空间查询、获取与分析，并以一种动态的交互式的三维影像形式表现出来，实现对地质条件更直观的分析，为三维地理环境中的地质选线提供了数据基础。

 （6）选线地质知识库构建关键技术

 针对选线地质知识的特点，建立选线知识库和知识可视化表达模型，实现三维地质选线应用。实现基于GIS三维空间信息的知识获取方法，通过对碰撞检测算法的研究，解决线路与地质对象的空间关系的判断问题，开发选线地质知识库管理系统。

 （7）基于地质三维建模的空间立体选线方法

 基于矢栅一体化地质环境中，通过对超地图模型的利用，获取地质对象信息，建立基于超地图模型的地质选线技术。通过对地质实体与线路实体的空间冲突关系计算，实现基于地质实体对象建模的选线应用和局部地段线路构造物方案的比选。基于改进的遗传算法，建立了基于三维地质实体的空间选线决策模型。

 （8）空间立体地质选线系统建立

 基于三维地质实体建模理论与方法，采用C .NET、OSG、Oracle数据库和计算机图形，建立了空间立体地质选线设计系统，实现了三维可视化地质选线设计和决策。

 基于国家自然科学基金项目“基于真三维地质实体大比例建模的空间立体选线方法研究（51278316）”、中铁二院“基于虚拟环境与列车运动仿真高速铁路线路设计方法研究”、中国铁路工程总公司重大课题“高速铁路虚拟环境与动力学选线设计平台研究（2014-重大-11）”等科研项目，中铁二院工程集团有限责任公司朱颖提出本书体系结构，并牵头组织撰写。全书由朱颖、石家庄铁道大学吕希奎和中铁二院工程集团有限责任公司许佑顶、谢毅共同创作完成。其中第1章、第2章、第3章和第4章由朱颖完成，第5章、第6章由吕希奎完成，第7章由许佑顶完成，第8章由谢毅完成，全书由朱颖统稿，中国地质大学（武汉）陈建平教授主审。本书在编写过程中得到了中铁二院工程集团有限责任公司胡新明、魏永幸、赖见国，石家庄铁道大学聂良涛、陈进杰、王明生等同志的大力支持，感谢他们为完成本书在素材提供、案例准备等方面提供的帮助。

 本书在编写过程中，引用了相关的参考文献，在此向原作者单位和个人表示衷心的感谢。日新月异发展的信息技术、计算机技术、三维建模技术、地质勘察技术在选线设计中的应用，必将使线路三维设计的新理论、新方法和新技术不断向前发展。由于作者学识和水平有限，书中错漏和不足之处在所难免，敬请读者批评指正！