地形三维可视化在川藏公路典型路段中的应用.doc

摘要：本文利用地形平面图的数据和有关区域地质资料的数字化方法实现川藏公路典型路段三维地形的显示和实时浏览，为进一步利用地理信息系统进行研究区地层岩性、地质构造和地质灾害分布的叠加分析进行地质灾害研究提供了矢量化的地形底图。川藏公路典型路段的三维地形可视化工作对于川藏铁路的选线、绕避不良地质灾害的发生和开凿铁路隧道的位置选择等将会有一定的参考价值。
关键词：地形三维可视化 工程地质 地质灾害 川藏铁路

1 前言
川藏公路东起成都，西止拉萨，全长2155km ，它不但是西部大开发战略的重要组成部分，而且也是我国重要的国防干线。帕隆藏布流域位于西藏东南部，雅鲁藏布江大拐弯东北侧川藏公路自安久拉山口（海拔4668 m）进入该流域，沿江右岸通行，从拉月曲上游鲁郎翻色季拉山口（海拔4556 m）出流域，全段长271.4 km。由于地质地貌、水文气候等自然环境复杂，导致流域内沿公路线分布的地质灾害成为整个川藏公路灾害类型最多、分布最密、频率最高的路段。频繁的泥石流和滑坡崩塌活动，使沿江线路路况日趋恶化，车毁人亡事件频繁发生，阻车断道现象十分的严重。因此吸引了许多科研工作者对迫隆藏布流域的地质灾害进行研究[1,2]。
利用测绘学、现代数学和计算机图形学等学科理论，利用地形平面图的数据和有关资料在通用计算机上实现研究区三维地形的显示和实时浏览，不仅可对研究区的独特地形地貌有一个直观的认识，而且为进一步利用地理信息系统进行研究区地层岩性、地质构造和地质灾害分布的叠加分析进行地质灾害的研究提供了部分矢量化的地形底图。
2 研究区地貌特征
研究区林芝－八宿路段位于雅鲁藏布江大拐弯北段，地处板块缝合带及其南北侧的喜马拉雅山、冈底斯山和念青唐古拉山等著名的年轻活动造山带。因地壳迅速抬升，河流深切，地表遭受强烈剥蚀风化作用，区内残积、坡积、重力堆积、泥石流和冰川较为发育。冲积和洪积多分布在较大河流及主干支流的宽谷和支沟沟口地带，而在“V”形峡谷内则发育极差，且难于保存。帕隆藏布流域距印度洋的最短距离为750～800 Km，正对雅鲁藏布下游和察隅河水汽通道，又是地质构造上的板块碰撞带。这一特定位置导致流域地貌的特殊性。流域地貌特征有[1,2]：（1）格子状水系发育；（2）绝对和相对高度大，河流深切，山坡陡峻；（3）古冰川发育；（4）现代海洋性冰川发育，面积大；（5）冰湖发育；（6）河谷宽窄相间，有多个宽谷盆地。
3 研究区地质灾害类型特征
川藏公路西藏境内林芝－八宿路段处在板块碰撞挤压接触带和强烈隆升的青藏高原的特殊的地理位置，不仅自然条件恶劣，地质构造复杂，灾害种类繁多，灾害密度大，发生频率高，规模大，灾害严重。该区地表受雅鲁藏布江及帕隆藏布江等主要河流的快速下切和强烈侵蚀，沿线地形地貌复杂，线路穿越地区以高山峡谷为主，地形陡峻险要，复杂的地形地貌条件为地质灾害的发生创造了有利条件。地层岩性变化大，由于强烈的构造运动，岩层和褶皱轴部近于直立，岩体破碎，软弱结构面发育，并伴有岩浆岩、喷出岩活动，岩性软硬相间，岩体的工程地质性质特殊，是形成地质灾害的内在因素。地震地质构造十分复杂，断裂带发育，分布密度大，并分布有第四纪以来活动性断裂，新构造活动强烈；地震很活跃，线路经通麦－林芝地震带，地震烈度高达Ⅷ－Ⅸ度，是地质灾害形成和诱发的重要因素。沿线气候条件复杂，高原天气变化剧烈，昼夜温差大，寒冻风化强烈。由于强烈的寒冻物理风化作用和卸荷节理裂隙的联合作用，造成斜坡表面岩石风化严重，破裂成碎块状，崩塌、滑坡、滚石和线状、面状固体碎屑流灾害发育，为地质灾害的大规模发生准备了大量的固体碎屑物质来源。气候的垂直分带明显，降雨分配不均，主要集中在夏秋两季，暴雨集中，雨量较大，对暴雨型泥石流的形成很有利。高原、高山区海拔4200～5000 m以上是冰雪覆盖和现代冰川发育区，冰雪害、寒冻物理风化作用盛行，第四纪冰碛物发育厚度和含量巨大。冰雪和冰川融化水资源丰富，形成的冰川泥石流和冰湖溃决型泥石流是青藏高原泥石流的特殊产物。研究区山高谷深，地形陡峻，为一强烈深切地区，其地理自然环境、地质构造、水文地质条件极为复杂，断裂构造、特别是韧、脆性断裂十分发育，岩石类型繁多，冰川分布广泛。由于这些多期次的构造运动及岩浆侵入、变质变形，冰川作用及水文网的侵蚀作用影响，导致沿线的山地灾害成为整个川藏公路西藏境内中类型最多、分布最密、频率最高的路段。
4 研究区地形图矢量数字化与DEM数据获取
为对研究区地形的三维显示，需准备好矢量化的地形底图，即从地形图上获取研究区DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型）数据。从地图上采集DEM通常有两种方法：手扶跟踪方法和地形图扫描矢量化方法[3]。由于手扶跟踪方法作业劳动强度大、效率低、所采用的数据精度难以保证（特别是遇到线划稠密地区，几乎无法进行）等固有缺点，采用该方法来完成大面积DEM数据的采集任务是不现实的。
随着高性能计算机的发展、扫描技术的成熟以及数字图像处理技术的不断发展和应用，目前利用地图扫描后的数字图像，进行DEM数据采集的技术已基本成熟，相应的软件也不断涌现。目前，它已逐渐取代传统的手扶跟踪数字化方式，成为DEM和其他GIS数据采集的主导方法。研究区DEM数据的获取就是采用地图扫描矢量化方法，其原理和主要过程[4]如图1所示。

5 研究区三维地形可视化及其工程地质意义
研究区地形图分幅接图表（据中国人民解放军总参谋部测绘局，1983年第一版，1:10万地形图）示意如下（图2），图中曲线代表川藏公路。
本次工作截取地形图中公路两侧的带状区域进行矢量化，经过数字化的地形图幅和地质图幅包括：六个路段公路沿线带状区域的地形图，它们是松宗、波密县、加萨热区、通麦、鲁郎乡、林芝县；波密地质图（据西藏自治区地质矿产局. 1:20 万区域地质调查报告：

通麦幅、波密幅 (附图2张)，1994）中的断层带展布。输出的DEM数据总量达187,061个数据点，大地坐标数据（包括道路和断层的大地坐标）有1524个数据点。

错高
易贡
通麦
倾多区
康玉区
八宿县
八一新村
鲁郎乡
加萨热区
波密县
松宗
仲沙公社
林芝县
红旗区
邦辛
格当
密密
然乌

通过编制程序，能够显示研究区六个路段的三维地形、公路展线和波密路段的断层带分布情况，而且能够在三维地形场景中实时浏览。以图9的波密路段为代表，图中显示了波密路段的三维地形，公路展线和断层带发育情况，从图中可清楚地看到有几条断层就从公路附近不远的地方通过。运用研究区分路段的地形三维可视化叠加断层，能够对川藏公路沿线地形和断层发育情况有一个直观的了解，也在某种程度上说明了地质灾害的发育和发生与地形地貌和构造运动（主要是断裂活动）有一定的关系。

研究区公路沿线的地形三维可视化的工程地质意义在于：
(1) 为进一步利用地理信息系统进行地形之上的岩性构造等叠加分析和地质灾害的工程地质分区研究提供了三维数字地形图底图；
(2) 地质灾害，尤其是滑坡和泥石流的发生和发展，都依赖于特定的自然环境，其中地形地貌条件和构造地质条件是地质灾害发生的重要影响因素之一，公路沿线的地形切割强烈、山坡陡峻、高差显著和断层带发育等对地质灾害的发生有积极作用的特点能够在三维地形场景中得到良好的反映；
(3) 公路和铁路的选线，以及沿线桥梁、道班、车站等工程设施的布置，都明显受地形地貌条件的限制，川藏公路典型路段的三维地形可视化工作为川藏铁路的选线、绕避不良地质灾害的发生和开凿铁路隧道的位置选择等无疑会有一定的参考价值。

6 结论
利用测绘学、现代数学和计算机图形学等学科理论，利用地形平面图的数据和有关资料在通用计算机上实现研究区三维地形的显示和实时浏览，不仅可对研究区的独特地形地貌有一个直观的认识，而且为进一步利用地理信息系统进行研究区地层岩性、地质构造和地质灾害分布的叠加分析进行地质灾害的研究提供了部分矢量化的地形底图。研究区公路沿线的地形切割强烈、山坡陡峻、高差显著和断层带发育等对地质灾害的发生有积极作用的特点能够在三维地形场景中得到良好的反映，并且川藏公路典型路段的三维地形可视化工作为川藏铁路的选线、绕避不良地质灾害的发生和开凿铁路隧道的位置选择等将会有一定的参考价值。 
参考文献
1.     中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，中国科学院兰州冰川冻土研究所，西藏自治区交通科学研究所. 川藏公路南线（西藏境内）山地灾害及防治对策. 北京：科学出版社，1995. 1-250.
2.     中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，西藏自治区交通科学研究所. 川藏公路典型山地灾害研究. 成都：:成都科技大学出版社，1999. 1-210.
3.     徐青. 地形三维可视化技术. 第一版. 北京：测绘科技出版社，2000. 28-29，12-13.
4.     Titan GIS ScanIn 使用手册. 加拿大阿波罗科技集团北京办事处，1999.