高速鐵路全域范圍全要素時空信息組織模型設計研究

王遙遙，李聰旭，封博卿，崔夢真

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

我國在高速鐵路安全運營保障方面已構建了較為完備的體系，如運營管理、風險防控和隱患排查治理等，為高速鐵路的安全性提供保障[1]。隨著我國高速鐵路規模的不斷擴大，對運營安全也提出了更高的要求。衛星導航定位、遙感、網絡地理信息等技術的蓬勃發展，產生了類型多樣且豐富的鐵路時空信息，具有多源、海量、多時相等特點。研究如何有效組織這些時空信息，對高速鐵路運營安全保障和智能高速鐵路發展[2]具有促進作用。

封博卿等人[3]基于時空大數據，利用地理信息技術、時空聚合方法等，構建一種基于地理信息的全維度、多層次的鳥巢病害分析流程，補強接觸網巡檢，為提高接觸網鳥巢病害處理能力和預測手段提供新的技術和方法；張孝勇等人[4]提出了動態時空數據模型服務化共享方案，在地面沉降時空數據模型和鐵路應急時空數據模型之間建立服務化共享聯系，并實現鐵路應急救援。

但這些多模態時空信息尚缺乏綜合分析，而以空間分析和三維可視化為核心技術的地理信息系統（GIS，Geographic Information System）提供了研究地理實體要素的手段[5]。因此，本文從時間關系和空間關系出發，實現對高速鐵路多模態時空信息的高效組織[6]。以唯一時空基準為主線，將不同時空信息進行關聯，結合時空大數據分析與可視化展示技術[7]，實現安全態勢的自主預測，為我國高速鐵路的智能、自主維修提供理論依據。

1 高速鐵路時空信息

時空信息指具有時間和空間維度的屬性數據，現實世界中，80%以上的數據與地理位置有關，包括時間、空間、專題屬性三維信息，具有多源、海量、更新快速的綜合特點。高速鐵路時空信息主要包括地理信息、高分辨率遙感影像、高精度衛星導航定位信息、鐵路專業檢測監測數據。

1.1 地理信息

主要指國家發布的基礎地理信息、鐵路專業公用地理信息、鐵路專業專用地理信息，可獲取各省市的行政區邊界信息，高速鐵路的線路、軌道、橋梁、隧道、車站等基礎設備設施的空間位置、里程及屬性信息。

1.2 高分辨率遙感影像

高分辨率遙感影像的數據分辨率可達米級或亞米級，目前國內已投入使用的高分辨率衛星有高分1～6 號系統衛星、資源系列衛星、環境系列衛星、高景1 號、天繪衛星、實踐9 號等。國外的高分辨率衛星有Worldview[8]系列衛星、GeoEye[9]系列衛星、Quickbird 衛星、Ikonos 衛星、Planet 系列衛星等。利用高分辨率遙感影像可以監測高速鐵路全線周邊地物狀態及安全隱患，為排除高速鐵路沿線周邊地物安全隱患提供有效的時空信息。

1.3 高精度衛星導航定位信息

目前，我國北斗高精度衛星導航系統[10]已全面建成，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施。北斗高精度衛星導航系統可為鐵路行業領域應用提供高精度定位、短報文、授時等應用，獲取車輛、人員與設備的高精度空間位置信息。通過從高速鐵路沿線安裝的高精度衛星導航定位終端獲取差分數據，經過高精度解算算法獲取定位終端的高精度位置信息，并對高速鐵路各專業系統設備進行時間源的統一，確保高精度實時動態位置數據獲取的精準度。實時動態位置數據主要指高速鐵路作業人、運行車輛等實時動態的位置信息，包括經緯度、里程信息、線路行別等。

1.4 鐵路專業檢測監測數據

鐵路專業檢測監測數據主要有基礎設施的動態檢測數據、靜態檢測數據、養護維修數據等，可提供高速鐵路沿線的軌道、道岔、橋梁、鋼軌等基礎設施的空間位置、幾何形狀變化、養護維修等信息，及基礎設施的安全狀態、對列車安全行車的影響程度，是關聯高鐵運營安全分析的基礎。

2 時空信息與高速鐵路運營安全的關聯分析

2.1 病害位置的精確定位

將高速鐵路檢測監測數據與地理信息之間建立關系，可實現對鐵路沿線病害位置在地圖上的快速、準確、精確定位。建立高速鐵路檢測監測數據與遙感影像的空間關系，查看病害位置周邊的環境情況，分析鐵路外部環境變化對病害發生位置的影響。

2.2 周邊環境安全監控

通過對多時相、高分辨率遙感影像進行變化檢測，可對鐵路用地范圍內地物的變化情況進行大范圍監測，從而降低周邊環境對列車安全行車的威脅。

2.3 列車位置在線監控

通過高精度衛星導航定位信息可獲取列車的空間位置，將列車的空間位置疊加在地理信息上，可對列車在地圖中的位置進行實時監控。將列車的空間位置疊加在遙感影像上，可在列車運行過程中，查看列車所處位置的鐵路外部環境情況。

3 模型設計

基于統一時空基準，建立高速鐵路基礎地理信息、高分辨率遙感影像、高精度衛星導航定位信息和基礎設施檢測監測數據內部及數據之間的關聯關系。將基礎地理信息作為底圖，疊加高分辨率遙感影像變化檢測結果、高精度列車位置、基礎設施安全狀態數據，形成高速鐵路時空信息安全“一張圖”。在這“一張圖”上進行高速鐵路時空信息安全分析。通過高分辨率遙感影像變化檢測對高速鐵路沿線周邊大范圍的安全隱患地物進行分析，通過基礎設施檢測監測數據分析基礎設施幾何形狀大小和空間位置變化與其安全狀態、養護維修之間的關系，進而分析基礎設施的幾何形狀和空間位置變化對高速鐵路運營安全的影響范圍。通過對高速鐵路沿線外部環境安全隱患與內部基礎設施安全狀態進行直觀、可視化展示，為列車安全運營提供基礎保障。

3.1 多模態時空信息預處理

在對高速鐵路沿線的基礎地理信息、高分辨率遙感影像、高精度衛星導航定位信息、鐵路專業檢測監測數據等多模態時空信息進行分析之前，需對其進行一些預處理操作，具體流程如圖1 所示。

圖1 多模態時空信息預處理流程

（1）整理、清洗數據

將原始數據按照空間數據標準格式進行整理，數據須包含里程信息。隨后清洗數據，即糾正錯誤數據，補全不完整數據，去除重復數據等。

（2）制作矢量數據庫

利用ArcGIS 軟件生成點線面矢量數據，將點線面數據圖層進行合并，導出gdb 或mdb 格式的數據庫文件，從而形成矢量數據庫。

（3）完善數據庫屬性

完善矢量數據庫內圖層的屬性信息，包括名稱、長度、面積等。

（4）時空基準統一

通過投影變換將原圖投影下的矢量數據轉換為地理坐標或指定投影下的數據，利用地圖配準，將存在偏差的坐標位置配準到準確位置，從而確保多源時空信息的時空基準統一。

3.2 時空信息組織方式與展現

基于統一的時空基準，將鐵路地理信息地圖、遙感影像、列車位置、檢測監測數據進行有效組織。實現地圖在線定位、周邊環境監測、關聯關系分析功能，如圖2 所示。

（1）地圖在線定位

在地圖上直觀展示病害位置與列車位置。針對每條病害數據均可快速定位其在地圖上的位置；將列車的實時位置在地圖上進行直觀展示，可在線監控列車行駛位置與行駛路線。

（2）周邊環境監測

針對鐵路沿線的每個病害位置與列車位置，均可快速查找并定位其在遙感影像上所對應的點，展示病害點及列車所處位置周邊的建筑物、植被、廢棄物等地物情況。

（3）關聯關系分析

根據時空信息之間的空間關系和時間關系，進行鐵路基礎設施內部及各設施之間的關聯與變化分析。在基礎設施內部，分析設施的歷史數據與變化特征，進而得出變化趨勢；在基礎設施之間，篩選設施影響范圍內的其他設施，分析設施與設施間的拓撲關系，包括包含關系、鄰接關系、關聯關系。同時，也可設置某一緩沖區，對緩沖區內的基礎設施進行分析。

4 結束語

本文通過分析高速鐵路全域范圍的基礎地理信息、高分辨率遙感影像、高精度衛星導航定位信息、鐵路專業檢測監測數據的多模態時空信息之間的空間、時間關系，建立多模態時空信息數據組織模型。同時，在“一張圖”上實現高速鐵路多模態時空信息的一體化集成展示，可為高速鐵路運營安全保障提供直觀、可視化的在線監控手段，為高速鐵路運營安全提供技術支撐。