鐵路專業(yè)公用地理信息數(shù)據(jù)獲取及關(guān)鍵技術(shù)研究

程智博，史天運(yùn)，王英杰

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院?研究生部，北京?100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院?電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京?100081）

鐵路專業(yè)公用地理信息數(shù)據(jù)獲取及關(guān)鍵技術(shù)研究

Study on Data Acquisition of Railway-Dedicated Public Geographic Information and Its Key Technologies

程智博1，史天運(yùn)2，王英杰2

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院?研究生部，北京?100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院?電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京?100081）

鐵路地理信息平臺(tái)是鐵路信息化最重要的支撐平臺(tái)之一，能夠直觀展示鐵路地理要素。鐵路地理信息數(shù)據(jù)是鐵路地理信息平臺(tái)的核心基礎(chǔ)，在深入研究鐵路業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)空間數(shù)據(jù)需求的基礎(chǔ)上，根據(jù)鐵路呈線狀分布的特點(diǎn)提出基于數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)更新的鐵路專業(yè)公用地理信息數(shù)據(jù)獲取流程，并對(duì)空間數(shù)據(jù)分類與表達(dá)、線性參考模型應(yīng)用、采集方法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，使得平臺(tái)能夠正確、完整展現(xiàn)全路專業(yè)公用地理信息數(shù)據(jù)。

鐵路地理信息平臺(tái)；地理信息數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)獲??；關(guān)鍵技術(shù)

1概述

鐵路地理信息平臺(tái) (Railway Geographical Information Platform) 是將國(guó)家基礎(chǔ)地理信息與鐵路專業(yè)地理信息完整集成，以形成“全國(guó)全路一張圖”，向全路用戶和專業(yè)系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的鐵路地理信息數(shù)據(jù)和服務(wù)的基礎(chǔ)平臺(tái)，它以鐵路空間數(shù)據(jù)庫(kù)為載體，以 GIS 技術(shù)為核心，以實(shí)現(xiàn)鐵路空間信息服務(wù)和共享為目標(biāo)[1]。鐵路地理信息平臺(tái)通過展現(xiàn)設(shè)備信息促進(jìn)鐵路地理信息維護(hù)和共享。GIS 系統(tǒng)建設(shè)過程中，70% 以上的人力和物力花費(fèi)在空間數(shù)據(jù)獲取方面，鐵路地理信息數(shù)據(jù)是鐵路地理信息平臺(tái)的核心基礎(chǔ)。根據(jù)《鐵路地理信息平臺(tái)總體方案》，鐵路地理信息數(shù)據(jù)從內(nèi)容上分為國(guó)家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、鐵路專業(yè)公用地理信息數(shù)據(jù)和鐵路專業(yè)專用地理信息數(shù)據(jù)[2]。其中，鐵路專業(yè)公用地理信息根據(jù)鐵路專業(yè)進(jìn)行分類，包括鐵路基礎(chǔ)設(shè)施信息、鐵路管理類信息 (工務(wù)、電務(wù)、供電、給水、房建等)；根據(jù)數(shù)據(jù)類型分為矢量數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、web 圖片、臺(tái)賬數(shù)據(jù)等[3]。當(dāng)前各管理部門主要通過屬性信息和紙質(zhì)圖紙查閱、管理鐵路數(shù)據(jù)，如果將鐵路各專業(yè)設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)賦予空間信息的特性，目前數(shù)據(jù)普遍存在以下問題。

（1）數(shù)據(jù)分布較為分散，沒有專門管理所有數(shù)據(jù)的部門。

（2）空間矢量數(shù)據(jù)較少，并且空間分辨率較低。

（3）有些數(shù)據(jù)只具有屬性信息，缺乏坐標(biāo)系等空間信息。

（5）多源異構(gòu)數(shù)據(jù)導(dǎo)致數(shù)據(jù)格式、坐標(biāo)系等不統(tǒng)一。

（6）位置精度、屬性正確性、邏輯一致性、完備性和現(xiàn)勢(shì)性等達(dá)不到數(shù)據(jù)使用、共享的要求。

為滿足不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)和用戶對(duì)鐵路地理信息的需求，從梳理鐵路專業(yè)公用數(shù)據(jù)獲取方法的源頭出發(fā)，通過控制數(shù)據(jù)來源、采集方法和數(shù)據(jù)質(zhì)量 3 個(gè)因素，降低整個(gè)平臺(tái)的建設(shè)成本并提高應(yīng)用潛力。

2鐵路專業(yè)公用地理信息數(shù)據(jù)獲取流程

鐵路專業(yè)公用地理信息數(shù)據(jù)涉及不同比例尺、不同類型的空間數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源包括各管理部門、業(yè)務(wù)系統(tǒng)、設(shè)計(jì)院、施工單位等。建立一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的鐵路空間數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取完整、高精度的地理信息數(shù)據(jù)，需要從數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)更新等方面逐一實(shí)施，如圖1所示。

圖1　數(shù)據(jù)獲取流程

（1）數(shù)據(jù)分類。目前鐵路各專業(yè)地理信息以紙質(zhì)圖紙、電子地圖和臺(tái)賬等形式存在。在細(xì)化數(shù)據(jù)分類時(shí)，依據(jù)鐵路各專業(yè)現(xiàn)有的地理信息數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，采用地理本體方法建立鐵路領(lǐng)域本體，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)充細(xì)化內(nèi)容，明確地理概念上下位和同位關(guān)系等，以便于檢索和管理地理數(shù)據(jù)分類信息[4]。同時(shí)使用 2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系 (CGCS2000) 地理坐標(biāo)系統(tǒng)，擬定統(tǒng)一通用的數(shù)據(jù)交換格式標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等。對(duì)于鐵路地理實(shí)體分類標(biāo)準(zhǔn)而言，目前有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路地理信息分類與標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)明確中小比例尺地圖(1 ∶ 1 萬—1 ∶ 100 萬) 展現(xiàn)內(nèi)容及類別，對(duì)于大比例尺地圖(大于 1 ∶ 1 萬)需要在該標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化和補(bǔ)充地理信息內(nèi)容[3]。例如，路基本體需要細(xì)化成路堤和路塹，房建附屬設(shè)備中應(yīng)該添加客服設(shè)備等。

（2）數(shù)據(jù)收集。確定現(xiàn)有鐵路空間信息相關(guān)數(shù)據(jù)資料的歸屬管理部門，并將收集資料的存儲(chǔ)形式進(jìn)行歸類，依據(jù)數(shù)據(jù)的屬性信息、參考坐標(biāo)系和數(shù)據(jù)完整度等對(duì)每種資料的地圖參數(shù)進(jìn)行歸納，針對(duì)不同數(shù)據(jù)格式將數(shù)據(jù)收集機(jī)制進(jìn)行分類，以擬定不同的數(shù)據(jù)處理方式。具有空間信息數(shù)據(jù)的鐵路地理要素，如工務(wù)專業(yè)路基、軌道、隧道、橋涵等部分?jǐn)?shù)據(jù)，電務(wù)專業(yè)通信和信號(hào)部分?jǐn)?shù)據(jù)，供電專業(yè)接觸網(wǎng)部分?jǐn)?shù)據(jù)等，這部分?jǐn)?shù)據(jù)主要包括紙質(zhì)圖紙、電子地圖等形式；只具有屬性信息而沒有空間信息的鐵路線路，如標(biāo)準(zhǔn)軌鐵路數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)源主要包括設(shè)備臺(tái)賬、設(shè)備履歷、綜合檢測(cè)列車 GPS 軌跡數(shù)據(jù)等；因歷史久遠(yuǎn)導(dǎo)致資料不全或精度較差的數(shù)據(jù)，如既有線、駐地及管界、給水專業(yè)等部分?jǐn)?shù)據(jù)。前 2 類數(shù)據(jù)僅需進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，而缺失或質(zhì)量較差的數(shù)據(jù)需要通過數(shù)據(jù)采集來獲取。

（3）數(shù)據(jù)采集。目前國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)采集方法已不再局限于傳統(tǒng)的野外測(cè)量，而是呈現(xiàn)多樣化、智能化的特點(diǎn)。針對(duì)呈線狀分布的鐵路地理空間數(shù)據(jù)，可以采用衛(wèi)星定位測(cè)量、無人機(jī)航拍、三維激光掃描和移動(dòng)攝影測(cè)量等方法。根據(jù)鐵路線路環(huán)境情況擬定不同的采集方法，以提高數(shù)據(jù)的采集效率并保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

（4）數(shù)據(jù)處理。結(jié)合鐵路地理信息數(shù)據(jù)使用和服務(wù)的需求，根據(jù)上述不同數(shù)據(jù)收集機(jī)制、采集方法，制訂相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法。處理方法包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、線性參考模型建立、采集數(shù)據(jù)提取等；處理內(nèi)容包括數(shù)據(jù)去重、數(shù)據(jù)糾錯(cuò)、坐標(biāo)變換、檢查拓?fù)潢P(guān)系等。

（5）數(shù)據(jù)更新。鐵路空間數(shù)據(jù)庫(kù)建成后，需要對(duì)空間數(shù)據(jù)提供更新維護(hù)服務(wù)，以提高鐵路地理信息平臺(tái)的使用價(jià)值。根據(jù)鐵路專業(yè)公用數(shù)據(jù)的不同來源建立相應(yīng)維護(hù)管理方法，以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及現(xiàn)勢(shì)性。

本文的提出的頁面去噪模塊沒有整合在主題爬蟲模塊的信息抓取部分，其主要原因是防止與主題爬蟲模塊中設(shè)定的信息抓取條件相互影響。另外，該模塊只作用于本地計(jì)算機(jī)，基本不與互聯(lián)網(wǎng)建立聯(lián)系，可減輕主題爬蟲在互聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)行運(yùn)算的強(qiáng)度，同時(shí)，設(shè)計(jì)對(duì)不需要的信息進(jìn)行刪除操作，減輕本地?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)壓力。

圖2　標(biāo)準(zhǔn)軌鐵路分類

3鐵路專業(yè)公用地理信息數(shù)據(jù)獲取的關(guān)鍵技術(shù)

3.1空間數(shù)據(jù)分類與表達(dá)

鐵路空間數(shù)據(jù)分類作為數(shù)據(jù)組織與表達(dá)的基礎(chǔ)，要從實(shí)際需求出發(fā)，將信息按照某種屬性或特征進(jìn)行邏輯分類，按照一定次序?qū)⑿畔⒎诸惒⑴帕谐捎袡C(jī)的體系，以此來規(guī)范空間信息結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，同時(shí)便于計(jì)算機(jī)有效處理信息和管理數(shù)據(jù)。根據(jù)《鐵路地理信息分類與編碼》，從先驗(yàn)知識(shí)的角度，基于線分類法繼續(xù)深化鐵路專業(yè)公用地理信息數(shù)據(jù)分類[5]。如鐵路地理要素中“鐵路”類下的一級(jí)小類“標(biāo)準(zhǔn)軌鐵路”沒有二級(jí)小類，僅按此方法組織數(shù)據(jù)會(huì)造成數(shù)據(jù)冗余，并且難以管理。標(biāo)準(zhǔn)軌鐵路分類如圖2所示，根據(jù)不同需求向下細(xì)化分類，不僅便于空間數(shù)據(jù)的組織與表達(dá)，而且便于制作不同應(yīng)用目的的專題圖。

在管理多源分類時(shí)，利用地理本體模型描述對(duì)象之間的關(guān)系，包括同位關(guān)系、上下位關(guān)系、整體—部分關(guān)系等，添加語義約束規(guī)則，建立鐵路本體分類體系，滿足鐵路要素多尺度表達(dá)的需求，使同一鐵路地理實(shí)體在不同分類體系中處于相同分類位置，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一和知識(shí)共享的目的[6-7]。利用本體方法建立的路堤本體結(jié)構(gòu)實(shí)例如圖 3 所示，路堤的上位是路基本體，同位是路塹。

圖3　路堤本體結(jié)構(gòu)實(shí)例

從表達(dá)內(nèi)容的角度，鐵路專業(yè)公用地理信息需要建成 1 ∶ 100 萬—1 ∶ 2 000 的多級(jí)比例尺電子地圖，同一地理實(shí)體在不同比例尺下表現(xiàn)形式不盡相同。在制訂數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)過程中，明確不同比例尺下數(shù)據(jù)組成、內(nèi)容、圖形符號(hào)展現(xiàn)形式，為數(shù)據(jù)獲取提供策略。供電專業(yè)下二級(jí)小類“牽引變電”在不同比例尺下的要素顯示方式如表1所示，“牽引變電所”在 1 ∶ 100 萬—1 ∶ 2 000 比例尺下均顯示地理實(shí)體，在 1 ∶ 100 萬—1 ∶ 1 萬比例尺下表現(xiàn)為點(diǎn)要素，在 1 ∶ 2 000 比例尺下表現(xiàn)為面要素。表1中“√”表示該比例尺下地理實(shí)體需要進(jìn)行顯示，PT 表示顯示為點(diǎn)要素，PG 表示顯示為面要素。

表1　牽引變電類信息在各比例尺下顯示內(nèi)容

3.2線性參考模型應(yīng)用

鐵路線路具有線性地理分布特征數(shù)據(jù)量大、范圍跨度廣、新線建設(shè)多、更新速度快等特點(diǎn)，其數(shù)量占鐵路專業(yè)公用地理信息數(shù)據(jù) 80% 以上。基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)中心的綜合檢測(cè)列車借助裝備的高精度差分定位 GPS 和沿線每隔 5 km 接觸網(wǎng)桿安裝的電子標(biāo)簽及編碼器獲取列車運(yùn)行軌跡，并且與設(shè)備臺(tái)賬結(jié)合，根據(jù)臺(tái)賬上的線路編號(hào)、起始里程、終止里程等字段建立鐵路線性要素，通過制圖軟件提供的線性參考工具創(chuàng)建鐵路路徑，使得每條鐵路路徑具有惟一的標(biāo)識(shí)符[8]；同時(shí)校準(zhǔn)路徑，添加鐵路路徑事件圖層，通過動(dòng)態(tài)分段技術(shù)生成具有空間信息的鐵路線路數(shù)據(jù)，線性參考流程如圖4所示。

圖4　線性參考流程圖

3.3數(shù)據(jù)采集技術(shù)

傳統(tǒng)野外測(cè)量采集工作量大，并且對(duì)于線狀分布的鐵路而言，工作效率低，干擾列車正常運(yùn)行。目前大多采用新型測(cè)繪方法，如衛(wèi)星定位測(cè)量技術(shù)，利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，使用終端接收數(shù)據(jù)，具有精度高、速度快的特點(diǎn)。利用車載式、站點(diǎn)式、便攜式三維激光掃描機(jī)對(duì)鐵路空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確、完整地提取鐵路軌道、橫斷面、兩側(cè)地形地貌的幾何信息[9]。無人機(jī)航拍方式無需專用機(jī)場(chǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)低空數(shù)碼影像獲取，適合鐵路線狀區(qū)域測(cè)量。移動(dòng)測(cè)量方法可集成慣性導(dǎo)航等技術(shù)，在車輛高速行進(jìn)中快速采集道路及兩旁地物的空間數(shù)據(jù)信息。利用綜合檢測(cè)列車GPS 軌跡獲取線路的方式可以避開影響列車運(yùn)行、無上道權(quán)、受到天氣及地域影響等因素，能夠達(dá)到建設(shè)周期短、建設(shè)費(fèi)用低、更新快的目的，因而是目前獲取鐵路線路數(shù)據(jù)的最優(yōu)方式[10]。鐵路線路數(shù)據(jù)獲取方法對(duì)比如表2所示。

表2　鐵路線路數(shù)據(jù)獲取方法對(duì)比

不同測(cè)量方法具有不同優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)鐵路區(qū)域地形地貌采用經(jīng)濟(jì)、便捷方法進(jìn)行采集。鐵路長(zhǎng)隧道區(qū)域受到巖石、混凝土等影響，接收衛(wèi)星信號(hào)較為微弱，光線較暗甚至全無，攝影測(cè)量等方法受到限制，且地形起伏較大，洞內(nèi)洞外測(cè)量人員聯(lián)系溝通較為困難，鑒于這些受限因素，利用移動(dòng)測(cè)量技術(shù)采集隧道部分區(qū)域空間數(shù)據(jù)最為適合。鐵路編組站不在鐵路綜合檢測(cè)列車檢測(cè)范圍內(nèi)，這種占地面積較大且設(shè)備間位置較為復(fù)雜的區(qū)域，可采用無人機(jī)航拍測(cè)量手段。

3.4數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)獲取的多源性決定數(shù)據(jù)處理方法不同，對(duì)于已有空間信息的數(shù)據(jù)，可通過直接轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)換方法生成地理信息數(shù)據(jù)。對(duì)于采集后的數(shù)據(jù)根據(jù)不同數(shù)據(jù)格式采用不同處理手段，三維激光掃描技術(shù)獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過配準(zhǔn)、合并，利用格網(wǎng)建立、數(shù)據(jù)縮減、數(shù)據(jù)分割、曲面擬合等技術(shù)進(jìn)行特征提取，形成三維模型。數(shù)據(jù)處理流程如圖5 所示。

圖5　數(shù)據(jù)處理流程

4結(jié)束語

鐵路專業(yè)公用地理信息數(shù)據(jù)獲取是鐵路地理信息平臺(tái)建設(shè)的基礎(chǔ)，由于鐵路空間數(shù)據(jù)具有管理部門多、數(shù)據(jù)來源多、數(shù)據(jù)類型多、表達(dá)形式多等特征，通過優(yōu)化的鐵路空間數(shù)據(jù)獲取流程及先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集和處理方法，可以高效便捷地建立鐵路空間數(shù)據(jù)庫(kù)，為用戶和業(yè)務(wù)系統(tǒng)正確、完整地展現(xiàn)全路專業(yè)公用地理信息數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的利用和共享，滿足鐵路地理信息平臺(tái)展示管理的需要，提高鐵路運(yùn)營(yíng)管理水平。

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責(zé)任編輯：呂向茹

CHENG Zhi-bo1, SHI Tian-yun2, WANG Ying-jie2

(1.Postgraduate Department, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 2.Institute of Computing Technology, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

Railway Geographic Information Platform is one of the most important supporting platforms of railway informatization, which can directly show the railway geographical elements. The railway geographic information data are the core and foundation of railway geographic information platform. Based on deeply researching the demand of railway operation system to spatial data and according to the characteristics of railways distributed linearly, this paper puts forward the that data acquisition process of railway-dedicated public geographic information are based on data classification, data collection, data acquisition, data processing and data updating, and studies some key technologies like classification and expression of spatial data, application of linear reference model and acquisition method, which enable the platform to show the railwaydedicated public geographic information data correctly and completely.

Railway Geographic Information Platform; Geographic Information Data; Data Acquisition; Key Technologies

1003-1421(2016)09-0082-06

U29；TP315

A

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2016-05-10

鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心科研項(xiàng)目(2015YJ086)