實(shí)景量測(cè)技術(shù)在鐵路中的應(yīng)用

趙紅濤

（中國(guó)鐵路鄭州局集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000）

1 引言

以往鐵路數(shù)據(jù)建模時(shí)，數(shù)據(jù)一般來(lái)源于實(shí)地采集。鐵路設(shè)備比較集中，在不同設(shè)備建模時(shí)，重復(fù)采集會(huì)對(duì)人力、物力造成極大浪費(fèi)。中國(guó)鐵路鄭州局采用實(shí)景量測(cè)技術(shù)，采集鐵路建模軌道近景數(shù)據(jù)，降低了采集難度，節(jié)省了人力物力，避免了上道作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)景量測(cè)技術(shù)是一種全新的地理信息技術(shù)，其特點(diǎn)是可在實(shí)景圖上直接量測(cè)。要在鐵路實(shí)景圖像上直接量測(cè)，需要解決兩個(gè)問(wèn)題：（1）實(shí)景圖像的空間信息獲取；（2）實(shí)景圖像中鐵路設(shè)備的空間數(shù)據(jù)獲取。

2 基本原理

2.1 實(shí)景量測(cè)基本原理

實(shí)景量測(cè)技術(shù)在不同的位置和方向獲取同一物體的兩幅以上的數(shù)字圖像，經(jīng)過(guò)捆綁調(diào)整、圖像匹配等處理及相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算后得到待測(cè)點(diǎn)的精準(zhǔn)坐標(biāo)[1]。實(shí)景測(cè)量的范圍一般小于100m，采用2臺(tái)相機(jī)組成一個(gè)攝像對(duì)，然后在不同方向同時(shí)獲取同一物體的數(shù)字圖像。

根據(jù)實(shí)景攝影的技術(shù)原理，需要兩幅不同角度同時(shí)拍攝的同一物體的圖像進(jìn)行坐標(biāo)解算，這兩幅圖像稱作“像對(duì)”。圖像中一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)解算需要在像對(duì)中確定正確的同名控制點(diǎn)，同名控制點(diǎn)選取合理準(zhǔn)確是坐標(biāo)解算正確的前提。同名控制點(diǎn)選取如圖1所示。

2.2 實(shí)景量測(cè)技術(shù)路線

鐵路實(shí)景圖像數(shù)據(jù)通過(guò)火車(chē)搭載拍攝設(shè)備連續(xù)自動(dòng)拍攝獲取，間隔時(shí)間為5秒。車(chē)輛軌跡數(shù)據(jù)包含影像圖片、空間坐標(biāo)和姿態(tài)角等數(shù)據(jù)，如圖2、圖3所示。

在采集鐵路實(shí)景圖像前，需要經(jīng)過(guò)相機(jī)標(biāo)定，得到相機(jī)攝影參數(shù)及立體圖像對(duì)關(guān)系參數(shù)，這樣才能獲取圖像上鐵路設(shè)備的大小、距離和坐標(biāo)等幾何信息。

圖1 同名控制點(diǎn)

圖2 實(shí)景圖像拍攝序列

根據(jù)設(shè)定的相機(jī)標(biāo)定參數(shù)、D-GPS和IMU聯(lián)合解算的車(chē)載平臺(tái)位置，與實(shí)景圖像進(jìn)行匹配，構(gòu)建目標(biāo)絕對(duì)空間定位方程，可計(jì)算出實(shí)景圖像上任意目標(biāo)的絕對(duì)空間坐標(biāo)[2]。空間坐標(biāo)解算算法如圖4所示。

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

利用實(shí)景量測(cè)技術(shù)對(duì)鐵路設(shè)備進(jìn)行實(shí)景展示和設(shè)備量測(cè)，具有以下特點(diǎn)：

（1）反映設(shè)備周邊真實(shí)情況。實(shí)景量測(cè)技術(shù)是一種瞬間獲取被測(cè)物體大量物理信息和幾何信息的測(cè)量手段。作為信息載體的像片或影像包含被測(cè)目標(biāo)最大的信息，特別適用于測(cè)量點(diǎn)眾多的目標(biāo)。

（2）可生成實(shí)景地圖。實(shí)景量測(cè)技術(shù)可提供基于三維空間坐標(biāo)的各種產(chǎn)品，包括各類(lèi)數(shù)據(jù)、圖形、圖像、數(shù)字表面模型以及三維動(dòng)態(tài)序列影像等[3]。

（3）對(duì)量測(cè)人員要求低。在鐵路實(shí)景圖中量測(cè)設(shè)備位置時(shí)，技術(shù)人員只需要掌握實(shí)景圖像量測(cè)的操作方法，通過(guò)電腦即可進(jìn)行鐵路設(shè)備設(shè)施的數(shù)據(jù)采集。

圖3 車(chē)輛軌跡數(shù)據(jù)

圖4 空間坐標(biāo)解算算法

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 測(cè)區(qū)概況

中國(guó)鐵路鄭州局的管轄范圍涵蓋河南大部分地區(qū)，同時(shí)覆蓋山西省、陜西省、湖北省、山東省和安徽省部分地區(qū)，地處北緯29°35′～36°26′、東經(jīng)105°34′～115°40′之間，占地面積 460.08平方千米，線路營(yíng)業(yè)里程3939.2千米。

3.2 外業(yè)獲取

實(shí)景攝影圖像主要用于鐵路沿線設(shè)備數(shù)據(jù)采集和展示，因此，采用檢修車(chē)輛搭載設(shè)備，在車(chē)頂加裝支架，固定設(shè)備GPS天線，采集鐵路沿線的實(shí)景圖像。為了提高數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，根據(jù)鐵路的上、下行分開(kāi)采集。

利用春季和秋季行車(chē)設(shè)備動(dòng)態(tài)檢查的時(shí)機(jī)采集實(shí)景圖像數(shù)據(jù)，可減少數(shù)據(jù)采集費(fèi)用。同時(shí)，一年采集兩次，可及時(shí)更新實(shí)景地圖，保證實(shí)景圖像的時(shí)效性。在采集實(shí)景圖像時(shí)，讓火車(chē)保持勻速行駛，每隔5s拍攝一張圖像。安裝有采集設(shè)備的檢修機(jī)車(chē)如圖5所示。

圖5 實(shí)景圖像數(shù)據(jù)采集

3.3 實(shí)景數(shù)據(jù)量測(cè)

由于實(shí)景量測(cè)采取近景攝影測(cè)量原理，在實(shí)景圖像中，離鏡頭越近的位置量測(cè)結(jié)果越準(zhǔn)確，反之誤差越大。在鐵路實(shí)景圖像中，采集設(shè)備一般采取距離設(shè)備最近的兩景照片進(jìn)行目標(biāo)的同名控制點(diǎn)提取。首先選取最近的一張實(shí)景圖像放大，點(diǎn)擊選取設(shè)備；然后切換到相鄰的一景圖片，進(jìn)行相同設(shè)備的選??；最終，確定該設(shè)備的空間位置。通過(guò)錄入采集設(shè)備的名稱、公里標(biāo)等屬性，將鐵路專用的公里標(biāo)量算與通用的經(jīng)緯度進(jìn)行關(guān)聯(lián)，便于鐵路的公里標(biāo)與經(jīng)緯度換算。

圖6為在鐵路實(shí)景圖像中，采集接觸網(wǎng)支柱的位置。在衛(wèi)星影像圖或矢量地圖上，疊加鐵路實(shí)景的軌跡線，點(diǎn)擊軌跡線可以查看實(shí)景圖像。在量測(cè)支柱位置，點(diǎn)擊“Ctrl”鍵，可以局部放大圖像，提高量測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。

圖6 接觸網(wǎng)支柱采集

3.4 鐵路實(shí)景展示

根據(jù)實(shí)景攝影獲取圖像的坐標(biāo)，可將圖像與衛(wèi)星影像圖結(jié)合，生成鐵路的實(shí)景圖。在實(shí)景圖中，可清晰地展示鐵路沿線的設(shè)備分布狀況，工作人員在室內(nèi)就能詳細(xì)了解設(shè)備分布，減少人員上道作業(yè)次數(shù)，降低上道作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。鐵路實(shí)景圖如圖7所示。

圖7 鐵路實(shí)景圖

3.5 量測(cè)數(shù)據(jù)建模成果

（1）鐵路分布：在實(shí)景攝影測(cè)量時(shí)，通過(guò)設(shè)備檢修車(chē)采集實(shí)景圖像獲得路線軌跡，即鐵路線分布圖。鐵路隧道內(nèi)無(wú)法接收GPS信號(hào)，故無(wú)法單獨(dú)使用GPS設(shè)備采集隧道內(nèi)的線路走向。在實(shí)景圖像采集時(shí)，設(shè)備獲得火車(chē)的慣性軌跡，可真實(shí)展示隧道內(nèi)鐵路軌跡。

（2）接觸網(wǎng)設(shè)備建模：在實(shí)景圖像進(jìn)行接觸網(wǎng)設(shè)備的量測(cè)后，可獲得接觸網(wǎng)支柱的編號(hào)、區(qū)站和經(jīng)緯度。然后，根據(jù)接觸網(wǎng)現(xiàn)有的圖紙和實(shí)景圖像展示的實(shí)地情況，進(jìn)行量測(cè)數(shù)據(jù)的建模，實(shí)現(xiàn)區(qū)間、站場(chǎng)的拓?fù)湄炌?，?gòu)建站段“一張網(wǎng)”；將鄭州供電段、洛陽(yáng)供電段和新鄉(xiāng)供電段的牽引供電網(wǎng)合并，實(shí)現(xiàn)站段之間的拓?fù)湄炌ǎ瑢?shí)現(xiàn)全局牽引供電“一張網(wǎng)”拓?fù)湄炌ā?/p>

（3）電力設(shè)備建模：對(duì)電力的電桿進(jìn)行采集，然后根據(jù)拐點(diǎn)的地理環(huán)境，確定電力拐點(diǎn)的位置。根據(jù)現(xiàn)有CAD圖紙，進(jìn)行電力設(shè)備的建模，形成電力“一張網(wǎng)”拓?fù)湄炌ā?/p>

（4）站場(chǎng)設(shè)備分布圖：根據(jù)實(shí)景圖像量測(cè)站場(chǎng)設(shè)備，收集道岔、信號(hào)機(jī)、燈塔等位置。然后根據(jù)采集數(shù)據(jù)，繪制站場(chǎng)的詳細(xì)股道和道岔的關(guān)系圖，并展示在衛(wèi)星影像圖上。

4 結(jié)論

基于實(shí)景攝影圖像的三維技術(shù)是未來(lái)GIS發(fā)展的方向，交通鐵路的信息化管理與GIS結(jié)合得越來(lái)越緊密，將實(shí)景量測(cè)技術(shù)應(yīng)用在鐵路信息化建設(shè)上前景廣闊。本文對(duì)鐵路實(shí)景圖像的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行了研究，證明實(shí)景圖像不僅可以直觀地表達(dá)鐵路設(shè)備的真實(shí)情況，而且可以輔助鐵路設(shè)備建模上圖。實(shí)景量測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，讓技術(shù)人員不需要掌握專業(yè)的測(cè)繪地理信息知識(shí)，通過(guò)電腦即可進(jìn)行鐵路設(shè)備設(shè)施的數(shù)據(jù)采集，減少了數(shù)據(jù)采集難度，節(jié)省了人力物力，避免了上道作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。