實景量測技術在鐵路中的應用

趙紅濤

（中國鐵路鄭州局集團有限公司，河南 鄭州 450000）

1 引言

以往鐵路數據建模時，數據一般來源于實地采集。鐵路設備比較集中，在不同設備建模時，重復采集會對人力、物力造成極大浪費。中國鐵路鄭州局采用實景量測技術，采集鐵路建模軌道近景數據，降低了采集難度，節省了人力物力，避免了上道作業風險。

實景量測技術是一種全新的地理信息技術，其特點是可在實景圖上直接量測。要在鐵路實景圖像上直接量測，需要解決兩個問題：（1）實景圖像的空間信息獲取；（2）實景圖像中鐵路設備的空間數據獲取。

2 基本原理

2.1 實景量測基本原理

實景量測技術在不同的位置和方向獲取同一物體的兩幅以上的數字圖像，經過捆綁調整、圖像匹配等處理及相關數學計算后得到待測點的精準坐標[1]。實景測量的范圍一般小于100m，采用2臺相機組成一個攝像對，然后在不同方向同時獲取同一物體的數字圖像。

根據實景攝影的技術原理，需要兩幅不同角度同時拍攝的同一物體的圖像進行坐標解算，這兩幅圖像稱作“像對”。圖像中一個點的坐標解算需要在像對中確定正確的同名控制點，同名控制點選取合理準確是坐標解算正確的前提。同名控制點選取如圖1所示。

2.2 實景量測技術路線

鐵路實景圖像數據通過火車搭載拍攝設備連續自動拍攝獲取，間隔時間為5秒。車輛軌跡數據包含影像圖片、空間坐標和姿態角等數據，如圖2、圖3所示。

在采集鐵路實景圖像前，需要經過相機標定，得到相機攝影參數及立體圖像對關系參數，這樣才能獲取圖像上鐵路設備的大小、距離和坐標等幾何信息。

圖1 同名控制點

圖2 實景圖像拍攝序列

根據設定的相機標定參數、D-GPS和IMU聯合解算的車載平臺位置，與實景圖像進行匹配，構建目標絕對空間定位方程，可計算出實景圖像上任意目標的絕對空間坐標[2]。空間坐標解算算法如圖4所示。

2.3 技術特點

利用實景量測技術對鐵路設備進行實景展示和設備量測，具有以下特點：

（1）反映設備周邊真實情況。實景量測技術是一種瞬間獲取被測物體大量物理信息和幾何信息的測量手段。作為信息載體的像片或影像包含被測目標最大的信息，特別適用于測量點眾多的目標。

（2）可生成實景地圖。實景量測技術可提供基于三維空間坐標的各種產品，包括各類數據、圖形、圖像、數字表面模型以及三維動態序列影像等[3]。

（3）對量測人員要求低。在鐵路實景圖中量測設備位置時，技術人員只需要掌握實景圖像量測的操作方法，通過電腦即可進行鐵路設備設施的數據采集。

圖3 車輛軌跡數據

圖4 空間坐標解算算法

3 應用實例

3.1 測區概況

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

3.2 外業獲取

實景攝影圖像主要用于鐵路沿線設備數據采集和展示，因此，采用檢修車輛搭載設備，在車頂加裝支架，固定設備GPS天線，采集鐵路沿線的實景圖像。為了提高數據的精準度，根據鐵路的上、下行分開采集。

利用春季和秋季行車設備動態檢查的時機采集實景圖像數據，可減少數據采集費用。同時，一年采集兩次，可及時更新實景地圖，保證實景圖像的時效性。在采集實景圖像時，讓火車保持勻速行駛，每隔5s拍攝一張圖像。安裝有采集設備的檢修機車如圖5所示。

圖5 實景圖像數據采集

3.3 實景數據量測

由于實景量測采取近景攝影測量原理，在實景圖像中，離鏡頭越近的位置量測結果越準確，反之誤差越大。在鐵路實景圖像中，采集設備一般采取距離設備最近的兩景照片進行目標的同名控制點提取。首先選取最近的一張實景圖像放大，點擊選取設備；然后切換到相鄰的一景圖片，進行相同設備的選取；最終，確定該設備的空間位置。通過錄入采集設備的名稱、公里標等屬性，將鐵路專用的公里標量算與通用的經緯度進行關聯，便于鐵路的公里標與經緯度換算。

圖6為在鐵路實景圖像中，采集接觸網支柱的位置。在衛星影像圖或矢量地圖上，疊加鐵路實景的軌跡線，點擊軌跡線可以查看實景圖像。在量測支柱位置，點擊“Ctrl”鍵，可以局部放大圖像，提高量測數據的精準性。

圖6 接觸網支柱采集

3.4 鐵路實景展示

根據實景攝影獲取圖像的坐標，可將圖像與衛星影像圖結合，生成鐵路的實景圖。在實景圖中，可清晰地展示鐵路沿線的設備分布狀況，工作人員在室內就能詳細了解設備分布，減少人員上道作業次數，降低上道作業風險。鐵路實景圖如圖7所示。

圖7 鐵路實景圖

3.5 量測數據建模成果

（1）鐵路分布：在實景攝影測量時，通過設備檢修車采集實景圖像獲得路線軌跡，即鐵路線分布圖。鐵路隧道內無法接收GPS信號，故無法單獨使用GPS設備采集隧道內的線路走向。在實景圖像采集時，設備獲得火車的慣性軌跡，可真實展示隧道內鐵路軌跡。

（2）接觸網設備建模：在實景圖像進行接觸網設備的量測后，可獲得接觸網支柱的編號、區站和經緯度。然后，根據接觸網現有的圖紙和實景圖像展示的實地情況，進行量測數據的建模，實現區間、站場的拓撲貫通，構建站段“一張網”；將鄭州供電段、洛陽供電段和新鄉供電段的牽引供電網合并，實現站段之間的拓撲貫通，實現全局牽引供電“一張網”拓撲貫通。

（3）電力設備建模：對電力的電桿進行采集，然后根據拐點的地理環境，確定電力拐點的位置。根據現有CAD圖紙，進行電力設備的建模，形成電力“一張網”拓撲貫通。

（4）站場設備分布圖：根據實景圖像量測站場設備，收集道岔、信號機、燈塔等位置。然后根據采集數據，繪制站場的詳細股道和道岔的關系圖，并展示在衛星影像圖上。

4 結論

基于實景攝影圖像的三維技術是未來GIS發展的方向，交通鐵路的信息化管理與GIS結合得越來越緊密，將實景量測技術應用在鐵路信息化建設上前景廣闊。本文對鐵路實景圖像的數據采集進行了研究，證明實景圖像不僅可以直觀地表達鐵路設備的真實情況，而且可以輔助鐵路設備建模上圖。實景量測技術的實現，讓技術人員不需要掌握專業的測繪地理信息知識，通過電腦即可進行鐵路設備設施的數據采集，減少了數據采集難度，節省了人力物力，避免了上道作業風險。