機載LiDAR支持下的鐵路地目二三維一體化管理系統(tǒng)

盧小平，陳曦東，武永斌，2，李國清，2，錢小龍，2

(1.河南理工大學礦山空間信息技術國家測繪地理信息局重點實驗室，河南焦作454003;2.河南省遙感測繪院，河南鄭州450003)

一、引 言

機載LiDAR能夠直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，已廣泛應用于數(shù)字城市、三維建模、地理信息快速更新等領域［1－3］。隨著高速鐵路的快速發(fā)展及未來“數(shù)字鐵路”的建設［4］，需要準確的鐵路沿線的地形信息，可利用機載LiDAR獲取的數(shù)字高程模型(DEM)與數(shù)字正射影像(DOM)等信息，建立三維可視化數(shù)字鐵路信息平臺，推進鐵路運營管理的信息化建設。利用三維GIS技術建立數(shù)字鐵路地目二三維信息管理平臺，是基于三維 GIS 技術的功能特點［5－7］，綜合利用機載LiDAR、航空影像、CORS 3種數(shù)據(jù)疊加獲得1∶2000鐵路地目基礎地理信息數(shù)據(jù)，經圖形編輯、權屬轉繪(界址點經檢核校正、坐標系統(tǒng)轉換)、鐵路附屬設施信息標注，制作各線路車站、區(qū)間、獨立地塊鐵路用地圖，并進行數(shù)據(jù)建庫。雖然三維GIS的可視化效果可以直觀形象描述真實的地形地貌，但二維GIS則具有豐富的地圖制圖功能、多種多樣的查詢與分析決策方法、成熟的業(yè)務流程應用等優(yōu)勢。因此，在相當一段時間內，可視化的三維GIS難以完全取代二維 GIS［8］。

本文利用機載LiDAR激光點云數(shù)據(jù)、綜合二維GIS和三維GIS的各自優(yōu)勢，通過建立二三維對照動態(tài)符號模型庫，采用面向對象和組件化的設計思想，構建數(shù)字鐵路地目信息二三維一體化管理系統(tǒng)，具有指定區(qū)域斷面自動生成和土方量計算、鐵路地目二三維數(shù)據(jù)編輯和符號化、鐵路宗地與地籍檔案管理與查詢、統(tǒng)計與分析等功能，為鐵路勘測、資產清查、選線設計、應急搶險指揮決策提供技術支持和服務保障。本系統(tǒng)在鄭州鐵路局鐵路地目信息管理工作中，實現(xiàn)了二三維一體化的GIS應用，既充分利用了現(xiàn)有大量的數(shù)據(jù)信息，又以良好的顯示效果提高了工作效率，因而具有良好的應用前景。

二、研究方案

綜合利用機載LiDAR點云數(shù)據(jù)和航空影像(分辨率為0.2 m)提取鐵路沿線的鐵路附屬建(構)筑物、地表覆被等數(shù)據(jù)，并對這些成果進行補測和核實。采用GPS RTK實測鐵路附屬設施要素，并調查相關屬性，形成利用機載LiDAR航攝作業(yè)成圖生產的DOM與DEM數(shù)據(jù)和鐵路專題數(shù)據(jù)。在此基礎上，以DEM構建地形模型并疊加DOM紋理構建鐵路沿線的三維地形，使用3ds Max軟件進行鐵路地物三維建模，形成鐵路真三維場景。利用ArcGIS Globe平臺基于面向對象和組件化的設計思想，通過LOD技術［9－10］流暢支持TB級的地形和影像數(shù)據(jù)，開發(fā)三維數(shù)字鐵路管理系統(tǒng)，系統(tǒng)研究的技術方案如下:

1)鐵路地目數(shù)據(jù)集構建。綜合利用機載LiDAR點云數(shù)據(jù)和航空影像提取軌道與路基、站場、區(qū)間、鐵路附屬建筑物、植被等鐵路專題信息，通過實地調查獲取鐵路附屬設施專題要素和鐵路用地界址及地目數(shù)據(jù)，制作出DLG、DOM和DEM數(shù)據(jù)及鐵路地目數(shù)據(jù)集。

2)鐵路沿線三維建模。利用點云數(shù)據(jù)構建的高精度DEM與DOM紋理進行疊加，建立鐵路沿線三維真實地形地貌?；?ds Max軟件結合DLG數(shù)據(jù)進行鐵路附屬物三維建模，構建鐵路沿線大范圍真實三維場景，自動根據(jù)瀏覽場景進行切換顯示，對二維數(shù)據(jù)進行實時編輯可自動同步更新到三維場景。

3)鐵路地目二三維一體化管理系統(tǒng)。基于面向對象和組件化的設計思想，建立二三維對照動態(tài)符號模型庫，構建鐵路地目二三維一體化管理系統(tǒng)。

三、系統(tǒng)總體設計

數(shù)字鐵路地目信息二三維一體化管理系統(tǒng)設計為多層架構體系的結構體系。

1.系統(tǒng)體系結構

利用Oracle管理數(shù)據(jù)庫并作為系統(tǒng)底層，系統(tǒng)的參數(shù)文件存于該層，用戶可方便地對其進行動態(tài)配置。數(shù)據(jù)訪問層利用 ArcSDE、ADO.net與 ADO(或OLE/DB)分別對空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)進行高效率操作。二次開發(fā)組件及封裝組件位于業(yè)務邏輯層，可通過用戶界面層進行調用，并可利用數(shù)據(jù)訪問層對數(shù)據(jù)庫中的信息進行存取。用戶界面層利用ArcGIS Engine組件進行二次開發(fā)，涵蓋三維GIS和二維GIS的各種編輯功能。

2.鐵路專題數(shù)據(jù)標準及符號庫設計

由于全國目前尚未形成統(tǒng)一的鐵路數(shù)據(jù)標準，本文制定了提取的鐵路專題數(shù)據(jù)類型與數(shù)據(jù)標準，設計建立了鐵路二三維符號庫。

(1)數(shù)據(jù)類型

針對鐵路專題數(shù)據(jù)專業(yè)性強等特點，本文制定了鐵路專題數(shù)據(jù)類型、字段定義及內容要求，確保數(shù)據(jù)的唯一性，并可與以后出臺的國家或行業(yè)標準進行對接或引用。

(2)數(shù)據(jù)標準

為滿足標準化、規(guī)范化的鐵路信息化管理需要，針對鐵路部門數(shù)據(jù)表示方法和數(shù)據(jù)分類各異，缺少統(tǒng)一標準等問題，制定了涉及數(shù)據(jù)內容和格式、數(shù)據(jù)分層和結構、地目分類等內容的鐵路數(shù)據(jù)標準，并建立了鐵路要素屬性表。

為保持制圖、建庫數(shù)據(jù)的一致性，設計并建立了符號庫，明確了要素的類型、符號、線型及尺寸，滿足了制圖和數(shù)據(jù)建庫需求。部分鐵路專題數(shù)據(jù)標準制定情況見表1。

表1 鐵路專題要素數(shù)據(jù)標準

3.數(shù)據(jù)庫設計

系統(tǒng)由空間數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫、業(yè)務信息數(shù)據(jù)庫和元數(shù)據(jù)庫4個子數(shù)據(jù)庫構成，利用LOD(levels of detail)模型、空間索引、分塊裝載等數(shù)據(jù)存取和組織方式，確保數(shù)據(jù)的瀏覽順暢和高效存取，實現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)的動態(tài)操作和展示。

(1)空間數(shù)據(jù)庫

空間數(shù)據(jù)庫主要包括以下3種類型的數(shù)據(jù)。

①鐵路線路地理實體數(shù)據(jù)

鐵路線路地理實體包括車站、鐵路附屬建(構)筑設施、站內客貨運輸設備、軌道、橋梁和隧道、鐵路沿線電力設施、信號燈及通信設備等數(shù)據(jù)，是數(shù)字三維鐵路空間數(shù)據(jù)庫的基礎信息。

鐵路線路各種地理實體間關系錯綜復雜，本文采用一種拓撲關系模型(網絡模型)進行三維建模，以車站、橋梁和隧道、道岔等作為鐵路線路地理空間網絡的結點，以軌道特征作為網絡邊(鏈)構建幾何網絡，不僅能夠真實表達鐵路線路地理實體間的連接關系，而且還可為數(shù)據(jù)底層開發(fā)、線路規(guī)劃、優(yōu)化及資源調配等網絡分析功能提供數(shù)據(jù)模型基礎。

②鐵路要素數(shù)據(jù)

鐵路要素數(shù)據(jù)是指與鐵路線路覆蓋地理區(qū)域相關的各種空間數(shù)據(jù)，包括各種地理實體數(shù)據(jù)，如行政區(qū)劃邊界、界址點、居民點、道路、水系等，采用矢量數(shù)據(jù)模型進行組織;利用柵格數(shù)據(jù)模型對土地分類/利用、地質類型、鐵路規(guī)劃等空間數(shù)據(jù)進行組織。

③基礎地形數(shù)據(jù)

鐵路沿線地表覆被類型與地形起伏狀況構成了基礎地形數(shù)據(jù)，是三維場景重建的主要數(shù)據(jù)源。本文利用機載LiDAR激光點云作為三維場景的主要紋理數(shù)據(jù)源，采用生成金字塔索引方式降低柵格數(shù)據(jù)的分辨率，以提高數(shù)據(jù)的存取速度。將圖幅劃分成若干大小相同的圖塊存儲數(shù)據(jù)庫，以提高數(shù)據(jù)的檢索效率。

(2)元數(shù)據(jù)

對鐵路信息的標識、結構、內容、狀況、規(guī)范及相關特征的描述即為鐵路元數(shù)據(jù)。本文參照國家基礎地理信息中心提供的元數(shù)據(jù)標準，針對鐵路信息特點對鐵路元數(shù)據(jù)標準進行組織，按層狀結構定義數(shù)據(jù)元素和復合元素，包括標準部分和引用部分。標準部分為標識信息、數(shù)據(jù)質量信息、空間數(shù)據(jù)表示信息、空間參考信息、實體和屬性信息、發(fā)行信息、元數(shù)據(jù)參考信息7個復合元素。復合元素由導出規(guī)則確定，由其他復合元素和元素組成，其引用信息、時間信息、聯(lián)系信息不能獨立存在，需由其他復合元素引用。

4.系統(tǒng)功能設計

(1)三維可視化

三維可視化功能由三維地物模型配置模塊實現(xiàn)，從而建立三維地物模型與空間數(shù)據(jù)中地理實體的關聯(lián)關系，可將整個圖層的所有數(shù)據(jù)配置為相同的三維模型，也可依據(jù)某一屬性的子類型配置為不同的三維模型。本文基于LiDAR點云進行三維建模，利用3ds Max、MicroStation等技術實現(xiàn)三維展示。

(2)數(shù)據(jù)編輯

系統(tǒng)可在三維和二維之間切換顯示，并提供數(shù)據(jù)增、刪、改、移動和復制等各種編輯功能。三維可視化分析功能通過讀取空間數(shù)據(jù)庫，可實時展示地理要素的三維可視化，并可同步反映數(shù)據(jù)的編輯狀態(tài)。

(3)查詢統(tǒng)計

系統(tǒng)可根據(jù)屬性信息和地理信息在數(shù)據(jù)庫中進行查詢和統(tǒng)計(包括對屬性和關系的條件查詢)，以樹狀列表形式顯示查詢結果，并在三維場景居中高亮顯示所關注的地理實體;系統(tǒng)還可以通過空間地理位置的經緯度坐標實現(xiàn)精確定位，同時三維GIS可自動轉換為以查詢點為中心的三維空間場景。

(4)業(yè)務信息管理

系統(tǒng)可對業(yè)務數(shù)據(jù)進行增刪、修改、查詢、統(tǒng)計報表生成等各種編輯功能，支持對工作流的管理，系統(tǒng)還為應用程序提供訪問其他業(yè)務信息管理系統(tǒng)的接口，并將其與三維GIS系統(tǒng)進行融合與集成。

(5)系統(tǒng)設置

包括數(shù)據(jù)庫連接參數(shù)和連接池配置、用戶權限與總體選項設置、地圖投影和地理坐標范圍設置等，是對系統(tǒng)工作環(huán)境和相關參數(shù)進行的設置。系統(tǒng)的三維可視化分析模塊可以顯示設置的背景風格、經緯度、指北針等輔助信息，以及對顯示細節(jié)和緩存的控制，并可根據(jù)系統(tǒng)設置進行動態(tài)配置，實時反映設置的參數(shù)信息。

(6)成果輸出

系統(tǒng)可按地圖分幅和編號規(guī)則生成車站用地圖、區(qū)間用地圖和獨立地塊用地圖等，并可根據(jù)需要輸出相應的格式或打印輸出。此外，業(yè)務信息管理或查詢統(tǒng)計生成的報表，也可根據(jù)需要保存為電子表格或打印輸出。

四、系統(tǒng)實現(xiàn)及應用

1.鐵路地目信息二三維一體化管理系統(tǒng)關鍵技術

(1)統(tǒng)一坐標系和數(shù)據(jù)標準

現(xiàn)有的鐵路界址點大部分采用里程+支距的方法表示。經實際調查與核實，發(fā)現(xiàn)目前鐵路沿線埋設的公里樁誤差達幾米、甚至十幾米，無法滿足轉標界址點的精度要求。本文提出以鐵路設施特征目標測量與數(shù)據(jù)糾正、坐標系統(tǒng)變換相結合的綜合處理方法，以鐵路沿線編輯的1∶2000鐵路基礎地理信息數(shù)據(jù)為基礎，區(qū)間里程經橋涵、隧道及車站里程控制后，分配誤差、計算線路沿線理論公里樁、百米樁，作為轉標界址點、界址線的依據(jù)，統(tǒng)一了坐標系統(tǒng)和數(shù)據(jù)標準，實現(xiàn)了鐵路數(shù)據(jù)的統(tǒng)一和無縫銜接。

(2)界址點轉繪

鐵路用地界址點轉繪采用里程+支距方法確定其位置，即以鐵路下行或上行線的里程為依據(jù)，向外作其垂直支距，獲得界址點平面坐標及里程+支距的兩種表示界址點位置的坐標。轉繪后的界址線和土地證上的相同，與相關地物位置保持一致。

(3)鐵路里程坐標系

系統(tǒng)提出采用里程坐標系對鐵路線路進行描述。由于鐵路線路拐點多，算法在遍歷時耗時多，且效率低下。因此，本文在折半查詢算法基礎上發(fā)展了一種適用于點集合遍歷查詢的多點折半查詢算法，滿足了實際應用的需求。同時在三維GIS可視化系統(tǒng)中，讀取并依據(jù)鐵路的線性距離計算里程，通過文字注記的方式實時顯示三維文本。

2.系統(tǒng)應用

本文基于點云和航空影像提取的鐵路專題要素與基礎地理信息進行重組、整合及服務發(fā)布，構建了權威、統(tǒng)一和通用的鐵路地理信息公共平臺(如圖1所示)。系統(tǒng)在鄭州鐵路局推廣應用以來，為鐵路勘測設計、線路改造、資產清查、應急搶險指揮決策等提供了可靠的技術支持和服務保障，并為鐵路信息化建設提供了網絡地理信息服務。

圖1 數(shù)字鐵路地理信息公共平臺

(1)在鐵路搶險救災中的應用

系統(tǒng)具有的三維GIS空間分析和查詢統(tǒng)計功能，可為線路勘測設計、鐵路應急搶險指揮等提供輔助決策。利用系統(tǒng)的空間分析與統(tǒng)計功能，能夠自動準確快速地計算出選定區(qū)域斷面的土方填挖量。圖2為山體滑坡塌方造成隴海線鐵路中斷情況，利用本系統(tǒng)迅速制作了滑坡區(qū)段1∶2000地形圖，從圖上統(tǒng)計出受災范圍、存在的隱患等信息及受災建筑物的數(shù)量及面積，為制訂搶險救災方案提供了準確的依據(jù)。

圖2 應急搶險應用

(2)鐵路選線應用

鐵路選線設計可根據(jù)沿線地質及地形數(shù)據(jù)資料，利用系統(tǒng)的三維可視化模塊初步設計出線路走向，然后在數(shù)據(jù)庫中通過編輯模塊增加線路地物要素，根據(jù)構建的三維模型作為三維可視化環(huán)境中的地物符號進行展示，并根據(jù)DEM數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的地形和地貌狀況，合理調整、優(yōu)化線路設計方案。系統(tǒng)還可以根據(jù)實際工程要求，通過建模補充鐵路橋涵、隧道、路堤等地理要素，將所有數(shù)據(jù)整合并對工程量進行匯總，對各種施工方案進行對比分析后，確定出最優(yōu)線路設計方案，如圖3所示。

圖3 鐵路選線設計

五、結束語

本文基于點云和航空影像提取的鐵路專題要素與基礎地理信息進行重組、整合及服務發(fā)布，通過建立鐵路沿線大范圍真實三維場景，在構建的“數(shù)字鐵路地理信息公共服務平臺”基礎上，研發(fā)了鐵路地目二三維一體化管理應用示范系統(tǒng)，為鐵路勘測設計、線路改造、資產清查、應急搶險等提供了技術支持和服務保障，為實現(xiàn)數(shù)字鐵路信息的一體化管理奠定了堅實的基礎。

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