可量測全景檢測成果展示平臺設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：基于對時空數(shù)據(jù)和鐵路各專業(yè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性聚合的研究，結(jié)合地理信息系統(tǒng)和全景可量測技術(shù)，將鐵路檢測數(shù)據(jù)展示在一個三維GIS可視化系統(tǒng)上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合展示與實時聯(lián)動。同時，該平臺解決了多源數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、全景數(shù)據(jù)可視化、鐵路檢測數(shù)據(jù)實時量算等關(guān)鍵技術(shù)，為鐵路檢測數(shù)據(jù)的可視化展示和分析提供了新的思路和方法，實現(xiàn)了鐵路軌道檢測數(shù)據(jù)的多維融合與動態(tài)聯(lián)動，為鐵路檢測數(shù)據(jù)分析和展示提供了有效的工具，以滿足鐵路檢測數(shù)據(jù)共享利用、深度挖掘、輔助決策方面的需求。

關(guān)鍵詞：鐵路；可量測全景；檢測數(shù)據(jù)；展示平臺

中圖分類號：TP311；P208 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）08-0015-05

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.08.004

收稿日期：2023-09-10

基金項目：中國神華能源股份有限公司科技項目（SHGF-21-02）

0 引 言

目前，傳統(tǒng)的基于表格和文檔的檢測數(shù)據(jù)的展示方式已不能夠適應(yīng)當(dāng)前發(fā)展的需要，信息管理缺乏智能化關(guān)聯(lián)性。隨著地理信息技術(shù)、數(shù)據(jù)獲取手段與數(shù)據(jù)綜合展示技術(shù)的發(fā)展，可量測實景地理信息技術(shù)融合了三維實景數(shù)據(jù)快速采集技術(shù)、空間位置實時獲取技術(shù)、快速視頻實景影像解算技術(shù)、視頻實景地理信息綜合處理和展示技術(shù)、基于地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System， GIS）的時空綜合統(tǒng)計分析技術(shù)等技術(shù)手段[1-3]，已在智慧城市、公路交通、數(shù)字市政、城市安全應(yīng)急等領(lǐng)域得到應(yīng)用并取得了較好的結(jié)果[4-6]，但在鐵路檢測領(lǐng)域還未得到廣泛應(yīng)用。

本平臺基于獲取的地理空間數(shù)據(jù)、點云三維數(shù)據(jù)、可量測影像、以及檢測成果數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，研究多源數(shù)據(jù)的可視化綜合展示技術(shù)，對整個線路中的各類數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，將鐵路線路環(huán)境相關(guān)的地理空間數(shù)據(jù)、點云三維數(shù)據(jù)與鐵路檢測成果和現(xiàn)狀以及歷史數(shù)據(jù)集成到系統(tǒng)平臺上，為用戶提供直觀、生動的視覺展示效果，實現(xiàn)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測、維修和管理各環(huán)節(jié)信息的一體化管理及可視化展示。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 平臺架構(gòu)設(shè)計

可量測全景檢測成果展示平臺在對地理底圖數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)、可量測全景數(shù)據(jù)以及檢測成果等數(shù)據(jù)集成融合的基礎(chǔ)上，通過GIS地圖服務(wù)、三維可視化引擎服務(wù)、全景顯示引擎服務(wù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)等服務(wù)來訪問有關(guān)數(shù)據(jù)，通過服務(wù)接口和后臺管理實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，為用戶提供一個可量測的鐵路檢測數(shù)據(jù)的展示平臺，詳細的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 邏輯架構(gòu)

可量測全景平臺系統(tǒng)架構(gòu)是對多種地理時空數(shù)據(jù)與檢測數(shù)據(jù)的融合展示與應(yīng)用，可量測全景展示平臺從邏輯上劃分為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、支撐層與表現(xiàn)層。各層的主要功能如下。

1.2.1 基礎(chǔ)層

基礎(chǔ)設(shè)施層起著基礎(chǔ)性和支持性的作用。它為上層的應(yīng)用層提供必要的計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲資源，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和高效性能，為系統(tǒng)提供安全可靠的運行環(huán)境和數(shù)據(jù)支持。

1.2.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層在平臺中負責(zé)存儲和管理有關(guān)數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)的調(diào)用、查詢和導(dǎo)出功能。通過數(shù)據(jù)層，系統(tǒng)可以有效地組織和利用不同類型的數(shù)據(jù)，滿足用戶對地理空間數(shù)據(jù)、三維點云數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)集和全景視圖的需求，支持系統(tǒng)的各種功能和應(yīng)用。

基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要包含基礎(chǔ)地理要素和鐵路基礎(chǔ)設(shè)施要素數(shù)據(jù)，該部分數(shù)據(jù)主要是為檢測數(shù)據(jù)的可視化提供基礎(chǔ)底圖，作為信息統(tǒng)一的空間位置確定、顯示的基礎(chǔ)載體。

點云數(shù)據(jù)包括高精度的軌道點云及鐵路沿線環(huán)境點云（接觸網(wǎng)支柱、接觸線、柵欄等）。

全景影像數(shù)據(jù)包括五鏡頭全景相機采集的鐵路沿線的全景像片。

檢測數(shù)據(jù)包括軌道幾何檢測結(jié)果與接觸網(wǎng)幾何檢測結(jié)果，表型形式有數(shù)值和波形圖兩種形式。

1.2.3 支撐層

支持層在系統(tǒng)中起到關(guān)鍵的作用，它們?yōu)樯蠈拥膽?yīng)用層提供了關(guān)鍵的功能和服務(wù)。GIS地圖服務(wù)提供了地圖數(shù)據(jù)的管理和地圖服務(wù)的提供，使系統(tǒng)能夠提供地圖顯示和地圖分析的功能。三維顯示引擎實現(xiàn)了對三維場景的渲染和交互，為用戶提供逼真的三維可視化體驗。全景顯示引擎則負責(zé)全景圖像的渲染和交互，使用戶能夠沉浸式地瀏覽和探索全景內(nèi)容。

1.2.4 表現(xiàn)層

表現(xiàn)層在系統(tǒng)中承擔(dān)著向用戶呈現(xiàn)數(shù)據(jù)和功能的重要任務(wù)。通過二維、三維與全景聯(lián)動功能，用戶可以獲取多維度的信息，更加全面地了解系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。鐵路檢測數(shù)據(jù)的表達功能將鐵路檢測結(jié)果更加直觀地展示給用戶，使用戶能夠直觀地了解鐵路的狀態(tài)。幾何檢測報告功能則提供了詳細的檢測結(jié)果展示和解讀，幫助用戶理解問題的性質(zhì)和位置。這些功能共同提升了系統(tǒng)的可視化能力和用戶的交互體驗。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多源數(shù)據(jù)庫構(gòu)建技術(shù)

針對現(xiàn)有平臺中數(shù)據(jù)規(guī)模較大、類型較多的情況，利用PostgreSQL、MySQL等數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對鐵路數(shù)據(jù)的存儲和管理，并使用WGS84下的3度帶高斯投影，完成對鐵路線劃數(shù)據(jù)、全景軌跡等空間數(shù)據(jù)的存儲，同時采用QGIS實時更新數(shù)據(jù)、實現(xiàn)多用戶并發(fā)使用、編輯等；利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫PostgreSQL實現(xiàn)全景影像索引表、深度圖像索引表、天地圖服務(wù)、系統(tǒng)配置等非空間數(shù)據(jù)存儲與管理[7]。

3DTiles是用于流式傳輸大規(guī)模異構(gòu)3D地理空間數(shù)據(jù)集的開放規(guī)范。3DTiles將用于流式傳輸3D內(nèi)容，包括建筑物、樹木、點云和矢量數(shù)據(jù)。本研究涉及點云數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)以3DTile格式存儲到數(shù)據(jù)庫，以HTTP服務(wù)方式對外發(fā)布。

2.2 全景與檢測數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

本平臺通過將激光掃描或立體攝影等方式獲取的點云數(shù)據(jù)與全景圖像進行精確配準和融合，實現(xiàn)了點云數(shù)據(jù)在全景展示中的無縫整合[8]，有效提高了數(shù)據(jù)的準確性和完整性，使得用戶能夠以真實感且具有空間感的方式觀察和分析場景，從而獲得更豐富的信息。

為更好地展示檢測成果和提供全面的數(shù)據(jù)可視化，本平臺采用了可量測全景疊加檢測結(jié)果技術(shù)[9]。通過精確的圖像配準和疊加算法，平臺能夠?qū)z測結(jié)果與全景圖像進行精準疊加，使用戶能夠直觀地觀察到檢測目標或異常情況。這一技術(shù)的應(yīng)用使得用戶能夠全面理解和評估鐵路線路的狀況，支持決策制定和問題解決[10]。

2.3 鐵路檢測數(shù)據(jù)實時量算的技術(shù)

為滿足用戶對鐵路線路參數(shù)實時量算的需求，本平臺采用先進的數(shù)據(jù)處理和計算機視覺技術(shù)，通過優(yōu)化算法能夠提取鐵路線路的特征，匹配幾何模型，并利用幾何計算方法快速計算計算軌道幾何參數(shù)、接觸網(wǎng)幾何參數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，實現(xiàn)對鐵路線路狀態(tài)的實時監(jiān)測和分析。

通過實時量算，平臺特征提取與識別、幾何參數(shù)計算以及實時監(jiān)測與分析等關(guān)鍵步驟，達到對鐵路線路狀態(tài)的實時監(jiān)測和分析，實時更新的數(shù)據(jù)可供用戶直觀地了解鐵路線路的幾何特征，從而及時發(fā)現(xiàn)異常情況和變化趨勢。

3 系統(tǒng)功能

可量測實景檢測成果展示平臺以連續(xù)的地面可量測的影像、三維激光點云以及鐵路檢測數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，通過專門的數(shù)據(jù)開發(fā)平臺，從而提供直觀、易用、可量測的實景可視化環(huán)境，實現(xiàn)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測、養(yǎng)護和維護各環(huán)節(jié)信息的一體化管理及可視化展示。

調(diào)研用戶在地圖導(dǎo)航、鐵路服務(wù)、實景測量等方面的使用情況，對可量測實景平臺進行功能需求分析。該平臺的主要功能包括電子地圖顯示、幾何量測與空間量測、檢測數(shù)據(jù)波形圖展示、二三維一體化聯(lián)動、標注管理等。

3.1 電子地圖顯示

利用電子地圖可以顯示已經(jīng)發(fā)布的地圖服務(wù)圖層。該模塊包括各種矢量圖層、影像圖層的相互切換、地圖的放大、縮小、移動及幾何量測等功能，同時可使用開關(guān)圖層實現(xiàn)對不同地圖的顯示、隱藏，根據(jù)地圖縮放功能可以同時顯示多種類型的專題要素圖，并可實時查看所選擇要素的屬性信息，如鐵路名稱、所屬單位等基本信息。

3.2 空間量測與幾何量測

根據(jù)相關(guān)計算模塊可以實現(xiàn)三維場景的空間量測，主要包括如下工具：

1）水平距離測量：可計算任意段折線鐵路段距離，并顯示結(jié)果，如任意兩點間距離及多點間距離。

2）空間距離測量：計算空間中任意點之間的三維距離，并顯示出結(jié)果。

3）垂直距離測量：計算空間中任意兩點間的垂直距離，并顯示出結(jié)果。

4）面積測量：計算空間中不少于三個點所形成的面，并顯示結(jié)果。

幾何量測可以模擬相應(yīng)的測量工具來對軌道幾何參數(shù)、接觸網(wǎng)幾何參數(shù)進行測量。例如軌道幾何測量中的三角坑量測（圖2（a））與接觸網(wǎng)幾何量測（圖2（b）），可以對每個點位的幾何狀態(tài)進行查看。同時，地理量測功能主要量測地圖上的距離，面積，或者線要素的長度，面要素周長和面積。

3.3 檢測數(shù)據(jù)波形圖展示

檢測數(shù)據(jù)波形圖包括軌道幾何參數(shù)波形圖與接觸網(wǎng)幾何參數(shù)波形圖，如圖3所示。根據(jù)波形圖可以反映出各檢測項目超限幅值的大小、位置及病害分布情況。同時，基于點云數(shù)據(jù)計算的波形資料的位置精度很高，通過波形圖不僅可以定位病害位置，同時還可以反映某一點的幾何狀態(tài)信息，如高低、水平、軌距等，還可以實現(xiàn)軌道幾何波形圖與接觸網(wǎng)幾何波形圖之間的切換。

建立動態(tài)波形和軌檢小車波形的對應(yīng)關(guān)系，其中動態(tài)波形是動態(tài)的、軌檢小車是靜態(tài)的。將二者相結(jié)合，可以極大地增強對鋼軌與接觸網(wǎng)狀態(tài)的檢測與分析能力。

3.4 二三維一體化聯(lián)動

系統(tǒng)基于GIS的顯示技術(shù)和全景顯示技術(shù)，將二維平面地圖、檢測數(shù)據(jù)波形圖和全景三維顯示功能集成到一個可視化界面中，通過里程信息對二維地圖場景、檢測數(shù)據(jù)波形圖和三維場景坐標系的關(guān)聯(lián)和轉(zhuǎn)換，能夠?qū)崿F(xiàn)二維地圖、波形圖和三維全景影像的聯(lián)動響應(yīng)和保持態(tài)勢一致，如圖4所示。該平臺不僅可以通過里程查看相應(yīng)的軌道幾何參數(shù)信息，而且可以通過影像和全景身臨其境的觀察周圍環(huán)境，能夠指導(dǎo)工務(wù)快速定位病害的準確位置，實現(xiàn)精準維修。

3.5 專題圖顯示

用戶根據(jù)專題圖的形式將數(shù)據(jù)以圖形的方式展示出來。專題圖分為軌道幾何專題圖（TQI統(tǒng)計分析與幾何尺寸超限統(tǒng)計）、接觸網(wǎng)幾何專題圖（定位點、吊弦和跨中偏移的缺陷統(tǒng)計）和限界入侵專題圖，如圖5所示。

3.6 標注管理模塊

為用戶提供對關(guān)注區(qū)域標記功能，用戶可以在全景圖像中添加標注，標注內(nèi)容可以是文字、圖標或其他形式的注釋。在添加標注時，用戶可以選擇標注的類型、位置和描述信息，并可以對已有標注進行編輯或刪除。用戶可以通過模糊搜索、準確搜索等方式查找已標記的內(nèi)容，并使用全景功能查看全景照片，可以更加清晰、直觀地顯示標注物，同時可與波形圖聯(lián)動查看，發(fā)現(xiàn)軌道病害處所，例如鐵路出現(xiàn)了裂縫病害，需及時上報并派專人進行維修保養(yǎng)。

標注功能可以幫助用戶更好地理解和管理鐵路線路的設(shè)備檢測信息。同時，標注功能也可以用于用戶之間的交流和共享，提高了用戶的合作效率和信息共享能力。

4 結(jié) 論

鐵路檢測數(shù)據(jù)具有內(nèi)容多、數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜的特點，目前仍采用傳統(tǒng)的展示方式缺乏直觀的展示效果，針對這個問題，本文設(shè)計和開發(fā)了可量測的全景檢測成果展示平臺，研究了多源數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、全景數(shù)據(jù)可視化、鐵路檢測數(shù)據(jù)實時量算等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了二三維數(shù)據(jù)融合顯示、二維、三維與全景數(shù)據(jù)聯(lián)動、實時量算、檢測數(shù)據(jù)展示與分析等功能。檢測數(shù)據(jù)的多維展示，為鐵路檢測數(shù)據(jù)綜合分析提供了新的工具，對鐵路基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施運維管理、輔助決策具有一定的參考價值。

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作者簡介：柳紅利（1979.01—），女，漢族，河北唐山人，助理工程師，研究方向：鐵路數(shù)字孿生；通訊作者：曾杉（1971.07—），男，漢族，四川成都人，副研究員，博士研究生，研究方向：測繪地理信息在軌道交通的應(yīng)用。

Design and Implementation of Measurable Panoramic Inspection Results Display Platform

LIU Hongli1， SONG Zongying2， LIU Yancai1， WANG Wenbin2， ZHANG Haishan2， ZENG Shan3

（1.Digitwinology International Co.， Ltd.， Qinhuangdao 066000， China; 2.China Shenhua Energy Co.， Ltd.， Beijing 100011， China; 3.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research， Chinese Academy of Science， Beijing 100101， China）

Abstract： Based on the research on the aggregation of various professional data correlation between time and space and railway， this paper combines the Geographic Information System （GIS） and panoramic measurement technology to display railway detection data on a 3D GIS visualization system to achieve the integration display and real-time linkage of data. At the same time， this paper solves key technologies such as the construction of multi-source databases， panoramic data visualization， and real-time calculation of railway detection data. It provides new ideas and methods for the visual display and analysis of railway detection data. It achieves multi-dimensional integration and dynamic linkage of railway track detection data， and provides effective tools for the analysis and display of railway detection data， so as to meet the needs of railway detection data sharing， deep mining， and auxiliary decision-making.

Keywords： railway; measurable panoramic; inspection data; display platform