多源地理信息數(shù)據(jù)在高速鐵路運(yùn)營管理中的應(yīng)用研究

■ 陳斌 郭琦 楊鋒 趙亮亮

多源地理信息數(shù)據(jù)在高速鐵路運(yùn)營管理中的應(yīng)用研究

■ 陳斌 郭琦 楊鋒 趙亮亮

通過機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)建立高速鐵路沿線三維地形，同時結(jié)合地面激光掃描數(shù)據(jù)、無人機(jī)航測數(shù)據(jù)、野外調(diào)繪數(shù)據(jù)，對高速鐵路重要設(shè)施設(shè)備進(jìn)行精細(xì)三維建模，通過顧及語義信息實(shí)現(xiàn)模型在三維GIS平臺中高效索引和集成，并與管理單位后臺臺賬數(shù)據(jù)庫進(jìn)行一一對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)鐵路路基、橋梁、隧道、道岔、接觸網(wǎng)、防洪備料點(diǎn)等固定設(shè)施設(shè)備可視化管理和查詢，并且在平臺中集成鐵路重點(diǎn)設(shè)施設(shè)備上的監(jiān)控設(shè)備和監(jiān)測數(shù)據(jù)，對高速鐵路災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警預(yù)報，確保高速鐵路安全運(yùn)營。

機(jī)載LiDAR；三維GIS；鐵路固定設(shè)施；預(yù)警預(yù)報；安全運(yùn)營

到2015年底，我國高鐵運(yùn)營里程已經(jīng)達(dá)到1.9萬km，居世界第一，占世界高鐵總里程的60%以上，預(yù)計(jì)到2020年高鐵營業(yè)里程將達(dá)到3萬km［1］、覆蓋80%以上大城市。當(dāng)今高速鐵路的快速增長，為鐵路安全運(yùn)營提出了非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，亟需尋求新的、更加有效的管理手段。以多源地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合鐵路管理單位后臺設(shè)備臺賬數(shù)據(jù)，借助三維GIS平臺的海量數(shù)據(jù)的管理和分析能力，能夠逼真地展現(xiàn)鐵路沿線地形地貌情況、設(shè)施設(shè)備的運(yùn)營狀況，同時通過集成鐵路重點(diǎn)設(shè)施設(shè)備上的監(jiān)控設(shè)備和監(jiān)測數(shù)據(jù)，可對高速鐵路災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警預(yù)報，確保高速鐵路安全運(yùn)營。

1 多源地理信息數(shù)據(jù)獲取

要實(shí)現(xiàn)多源地理信息數(shù)據(jù)在高速鐵路運(yùn)營管理中的應(yīng)用，首要工作即獲取高速鐵路沿線的地理信息數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)獲取時需注意以下原則：第一，能夠清晰直觀反映高速鐵路沿線的地形地貌及地質(zhì)災(zāi)害情況；第二，需精確反映出高速鐵路周邊水系、交通道路等與高速鐵路的相對位置關(guān)系；第三，能夠體現(xiàn)鐵路設(shè)施設(shè)備的形狀、尺寸、紋理和位置，以便于三維建模。基于以上原則，數(shù)據(jù)獲取流程如下：

（1）高速鐵路沿線大比例尺地形地貌數(shù)據(jù)獲取。實(shí)現(xiàn)高速鐵路運(yùn)營的高效管理，獲取其沿線的大比例尺地形地貌數(shù)據(jù)非常必要，大比例尺數(shù)據(jù)主要作用為展現(xiàn)鐵路沿線高精度地形地貌數(shù)據(jù)，能夠直觀反映鐵路設(shè)施設(shè)備包括橋梁、隧道、路基、站房等的位置及尺寸，建議范圍最小為鐵路左右各500 m。目前，大比例尺地形地貌數(shù)據(jù)的獲取方式很多，包括人工現(xiàn)場實(shí)測、有人駕駛航測、無人駕駛航測等。由于高速鐵路線路較長，采用人工現(xiàn)場實(shí)測方式工作量非常大，且數(shù)據(jù)成果單一，建議采用有人駕駛航測和無人機(jī)航測相結(jié)合的方式進(jìn)行。有人駕駛航測包括數(shù)碼相機(jī)航測和機(jī)載LiDAR航測等方式，該方式為主要的采集方式，以獲取高速鐵路沿線大范圍的帶狀地表數(shù)據(jù)；無人駕駛航測主要用以獲取小范圍的地表數(shù)據(jù)，如地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)、小范圍地形數(shù)據(jù)更新等［2］。主要的數(shù)據(jù)成果包括DEM、DOM、DSM 3種，其中DEM、DOM主要用于生成鐵路沿線三維地形，DSM主要用于獲取部分鐵路設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)的尺寸、形狀等（見圖1）。

圖1 航測數(shù)據(jù)成果

（2）大范圍小比例尺地形地貌數(shù)據(jù)獲取。要展現(xiàn)高速鐵路與沿線的河流、水系、交通設(shè)施的相對位置關(guān)系還需要獲取沿線大范圍小比例尺的地理信息數(shù)據(jù)。此區(qū)域地形一般采用免費(fèi)的的SRTM數(shù)據(jù)，鐵路沿線（建議左右各20 km范圍）采用2 m分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，外部區(qū)域采用免費(fèi)的LandSAT數(shù)據(jù)［2］。大范圍小比例尺數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 大范圍小比例尺數(shù)據(jù)

（3）設(shè)施設(shè)備、河流、水系、居民點(diǎn)等重要地物矢量及標(biāo)注獲取。設(shè)施設(shè)備標(biāo)注數(shù)據(jù)包括橋梁、隧道、站房、變電所、里程標(biāo)等，該數(shù)據(jù)可從鐵路相關(guān)圖紙中查詢；河流、水系、居民點(diǎn)等矢量數(shù)據(jù)可從相關(guān)測繪管理單位購買，部分未能購買數(shù)據(jù)通過外業(yè)調(diào)繪的手段獲取。

（4）設(shè)施設(shè)備尺寸、形狀、紋理數(shù)據(jù)獲取。高速鐵路設(shè)施設(shè)備尺寸、形狀、紋理數(shù)據(jù)主要用于后期的設(shè)施設(shè)備三維建模，其尺寸形狀可以從鐵路設(shè)計(jì)施工圖、DOM、DSM等數(shù)據(jù)中獲取，而紋理則需要人員現(xiàn)場拍攝。

2 模型建立與數(shù)據(jù)建庫

2.1 模型建立

模型是設(shè)施設(shè)備管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，模型按照其類型可以分為鐵路設(shè)施設(shè)備模型、鐵路沿線周邊附屬設(shè)施模型。鐵路沿線模型若全部進(jìn)行精細(xì)化建模，則工作量非常龐大，但若全部進(jìn)行簡要建模，一方面會影響三維場景的可視化效果，另一方面，也無法滿足設(shè)施設(shè)備管理的需求。因此，模型建立工作采用以下方式開展：第一，鐵路沿線周邊附屬設(shè)施可簡略建模，能夠表達(dá)其外觀、展現(xiàn)與高速鐵路的相對位置關(guān)系（需在真實(shí)位置上建模）；第二，部分可復(fù)用的設(shè)施設(shè)備模型只需建立相應(yīng)的模型庫（模型底面中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)），如部分橋梁、隧道洞身、鋼軌、扣件、道砟、信號機(jī)等；第三，部分重點(diǎn)設(shè)施設(shè)備模型需精細(xì)化建模（需基于真實(shí)位置建模），如站房、部分橋梁、變電所等。

2.2 數(shù)據(jù)建庫

2.2.1 地形數(shù)據(jù)建庫

多源地理信息數(shù)據(jù)包括多種分辨的地形地貌數(shù)據(jù)，將這些多分辨率數(shù)據(jù)融合展現(xiàn)，則需要進(jìn)行地形數(shù)據(jù)的建庫。該項(xiàng)工作包括高程數(shù)據(jù)建庫和影像數(shù)據(jù)建庫兩個部分，而這兩項(xiàng)工作基本一致，因此僅介紹影像數(shù)據(jù)建庫的過程。

（1）借助相關(guān)投影算法，將多源地理信息影像投影變換到同一空間參考坐標(biāo)系下。不同源的地理信息數(shù)據(jù)可能會具有不同坐標(biāo)系，如地理坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系、城市獨(dú)立坐標(biāo)系等，若將這些數(shù)據(jù)直接拼接到一起，則相差甚遠(yuǎn)［3］。因此需將這些數(shù)據(jù)投影到同一坐標(biāo)下，保證其空間相對位置的正確性。

（2）針對不同源數(shù)據(jù)分別建立影像金字塔。影像金字塔指在同一的空間參照下，根據(jù)用戶需要以不同分辨率進(jìn)行存儲與顯示，形成分辨率由粗到細(xì)、數(shù)據(jù)量由小到大的金字塔結(jié)構(gòu)［4］。影像金字塔是一種基于四叉樹空間索引的分層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式，適合于柵格數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的多分辨率組織［5］（見圖3）。

圖3 影像金字塔

（3）多源影像數(shù)據(jù)融合切片。為了提升地形數(shù)據(jù)的顯示效果，避免影像接邊處出現(xiàn)黑邊，需要將多源影像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。其流程包括：①根據(jù)多源影像范圍（一般為最大外包范圍）建立切片策略，包括格網(wǎng)（格網(wǎng)大小一般為256×256）分布及層數(shù)，建立每一層與影像分辨率的關(guān)系；②針對每一層數(shù)據(jù)，對格網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行填充，其填充的基本原則為取最大影像分辨率的像素（該像素為有效像素）進(jìn)行填充。

（4）鐵路沿線三維地形實(shí)時分級顯示。每一層的影像和高程金字塔都有其分辨率，比如放大、縮小計(jì)算出進(jìn)行該操作后所需的影像分辨率及在當(dāng)前視圖范圍內(nèi)會顯示的地理坐標(biāo)范圍，然后根據(jù)這個分辨率和已經(jīng)建好的影像金字塔分辨率匹配，搜索出最接近的影像金字塔層和地形金字塔層進(jìn)行顯示，并且根據(jù)操作后當(dāng)前視圖應(yīng)該顯示的范圍，來求取在該層影像和高程金字塔上對應(yīng)的切片，然后取出進(jìn)行繪制（見圖4）。

圖4 多源地形數(shù)據(jù)展示

2.2.2 模型數(shù)據(jù)建庫

模型數(shù)據(jù)建庫即將模型放入到三維真實(shí)坐標(biāo)位置上，并建立模型金字塔。如前所述，模型數(shù)據(jù)分為兩種類型，一種為真實(shí)坐標(biāo)模型，如站房、變電所、部分橋梁等；另一種為歸零坐標(biāo)模型，如道砟、鋼軌、扣件以及部分橋梁等。其中真實(shí)坐標(biāo)模型直接導(dǎo)入平臺建庫即可，而歸零模型則需要通過模型坐標(biāo)及姿態(tài)序列批量導(dǎo)入。三維場景不同于二維地圖，在二維地圖中，幾厘米的誤差并非顯而易見，而在三維場景中，數(shù)據(jù)的誤差被表現(xiàn)得淋漓盡致［6］。因此，為了保證模型的無縫拼接，必須要保證每一個模型的位置和姿態(tài)非常準(zhǔn)確，從而不至于造成拼接的錯位，這類模型主要包括路基、橋梁等。

（1）模型位置計(jì)算。在采用同一模型建模時，由于模型是唯一的，因此，模型之間的間距應(yīng)該保持完全一致。模型位置的計(jì)算方法主要是根據(jù)模型間距，從線路上等間距的截取點(diǎn)位，根據(jù)插值的方式最終得到每一個點(diǎn)位的空間坐標(biāo)［7］。

（2）模型姿態(tài)計(jì)算。模型姿態(tài)的計(jì)算依據(jù)相鄰模型的位置數(shù)據(jù)［8］，采用的坐標(biāo)系統(tǒng)為地理坐標(biāo)系，以正北方向?yàn)閄軸，東方向?yàn)閅軸。因此，模型的姿態(tài)計(jì)算公式如下：

其中，

式中，（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）為相鄰兩點(diǎn)的大地坐標(biāo)；pitch為俯仰角；yaw為旋偏角；roll為翻滾角；ΔZ為相鄰點(diǎn)位的高程差；ΔX為相鄰點(diǎn)位的X坐標(biāo)差；ΔY為相鄰點(diǎn)位的Y坐標(biāo)差；ΔS為相鄰兩點(diǎn)的距離。

2.2.3 場景生成

結(jié)合建庫的地形模型和設(shè)施設(shè)備模型生成初步的三維場景，但針對部分設(shè)施設(shè)備可能會出現(xiàn)地形與模型相對位置關(guān)系錯誤的情況，如隧道涵洞模型被地形覆蓋等，因此需要進(jìn)行模型與地形融合。在此采用的主要方法為通過模型斷面對地形進(jìn)行開挖，以隧道口地形開挖為例，其融合流程如下：

（1）獲取隧道襯砌外表面斷面和隧道口的鐵路中線。（2）平移鐵路中線到襯砌斷面的每個節(jié)點(diǎn)上。

（3）求取平移后的中線與地形的交點(diǎn)。

（4）將此交點(diǎn)連接為多邊形對地形進(jìn)行開挖。

隧道與地形關(guān)系示意圖及開挖區(qū)域計(jì)算見圖5。

圖5 隧道與地形關(guān)系示意圖及開挖區(qū)域計(jì)算

完成模型與地形融合后，還需要添加各種標(biāo)注才能完成三維場景的搭建，包括地名、水系、河流等矢量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要展現(xiàn)高速鐵路與周邊重要地物的相對位置關(guān)系。場景集成見圖6。

圖6 場景集成

3 地理信息數(shù)據(jù)在高速鐵路運(yùn)營管理中的應(yīng)用

3.1 設(shè)施設(shè)備管理

設(shè)施設(shè)備管理的首要工作即對模型進(jìn)行分類分層分組，并通過擴(kuò)展字段建立與后臺臺賬數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如名稱、ID等［9］。在用戶點(diǎn)擊模型時，通過獲取該擴(kuò)展字段值查詢后臺數(shù)據(jù)庫，并推送到前臺展現(xiàn)；同時，也可通過三維平臺提供的空間查詢接口，用戶僅劃定一個區(qū)域就可查詢此區(qū)域的所有設(shè)施設(shè)備。管理的設(shè)備類型包括線路設(shè)備、橋隧設(shè)備、信號設(shè)備、牽引變電設(shè)備、接觸網(wǎng)設(shè)備等。設(shè)施設(shè)備分類分層情況見表1，設(shè)施設(shè)備查詢見圖7，空間查詢見圖8。

3.2 作業(yè)管理

作業(yè)管理即將作業(yè)的任務(wù)計(jì)劃、作業(yè)結(jié)果通過三維形式在平臺中展現(xiàn)，其管理內(nèi)容包括2種。

（1）維修計(jì)劃管理。其管理內(nèi)容包括計(jì)劃類型（年計(jì)劃、月計(jì)劃、周計(jì)劃、日計(jì)劃、日寫實(shí)等）及對各批次進(jìn)行維修、保養(yǎng)查詢。系統(tǒng)在三維場景中顯示查詢結(jié)果，并高亮查詢區(qū)域，用戶可根據(jù)需要查看當(dāng)前維修里程段周邊場景信息以及維修計(jì)劃詳細(xì)信息、線路技術(shù)圖等［9］（見圖9）。

表1 設(shè)施設(shè)備分類分層

圖7 設(shè)施設(shè)備查詢

圖8 空間查詢

圖9 維修計(jì)劃查詢

（2）軌道車作業(yè)管理?？赏ㄟ^單位和軌道車編號進(jìn)行查詢，查詢結(jié)果包括軌道車的出發(fā)時間、到達(dá)時間、出發(fā)地點(diǎn)、到達(dá)地點(diǎn)、作業(yè)地點(diǎn)、作業(yè)項(xiàng)目等，與此同時系統(tǒng)動態(tài)定位跳轉(zhuǎn)至當(dāng)前軌道車運(yùn)行區(qū)段里程中心位置，并閃爍軌道車運(yùn)行里程區(qū)段進(jìn)行標(biāo)識（見圖10）。

圖10 軌道車作業(yè)管理

3.3 高速鐵路安全監(jiān)測和預(yù)警預(yù)報

在精細(xì)三維地理空間框架基礎(chǔ)上，利用三維GIS技術(shù)，提供了一種比傳統(tǒng)方法更加直觀、高效、科學(xué)的安全監(jiān)測和應(yīng)急搶險手段，實(shí)現(xiàn)水位監(jiān)測、邊坡監(jiān)測、橋梁變形等重點(diǎn)工程的自動量測、上報、匯總和預(yù)警功能。例如，將特殊工點(diǎn)的沉降、水位、位移、收斂等監(jiān)測傳感設(shè)備三維模型化或在三維場景中進(jìn)行標(biāo)注，實(shí)現(xiàn)可視化管理、監(jiān)測點(diǎn)精確定位、實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢與預(yù)警預(yù)報功能。當(dāng)發(fā)生安全事故時，可利用平臺的分析和數(shù)據(jù)管理功能，提供諸如查詢、定位、物資分布等信息，為決策者提供最直觀科學(xué)的依據(jù)［10］。變形監(jiān)測管理見圖11。

4 結(jié)束語

以海南東環(huán)高鐵博鰲—萬寧段為試點(diǎn)進(jìn)行了示范應(yīng)用。首先，借助機(jī)載LiDAR、無人機(jī)、衛(wèi)星遙感等手段獲取了鐵路沿線高低分辨率的地形地貌數(shù)據(jù)；然后，借助地面激光掃描設(shè)備、外業(yè)調(diào)繪手段對鐵路沿線的重要地名、地物進(jìn)行了調(diào)查；最后，將上述數(shù)據(jù)進(jìn)行建模（地形、設(shè)施設(shè)備）入庫，并提供了一系列鐵路運(yùn)營管理工具和手段，并受到用戶好評。通過上述方法使鐵路信息以更直觀真實(shí)的形式表達(dá)，以立體造型技術(shù)給用戶展現(xiàn)地理空間現(xiàn)象，將三維模型和鐵路應(yīng)用系統(tǒng)相結(jié)合，提出一種準(zhǔn)確、精細(xì)、完整的全數(shù)字化鐵路地理信息系統(tǒng)架構(gòu)，適合我國高速鐵路的綜合設(shè)施設(shè)備安全管理要求，可為鐵路綜合設(shè)施安全生產(chǎn)及鐵路日常運(yùn)行管理與監(jiān)測提供決策支持。

圖11 變形監(jiān)測管理

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陳 斌：海南高速鐵路有限公司，工程師，海南 海口，570125
郭 琦：海南高速鐵路有限公司，工程師，海南 ?？?，570125
楊 鋒：中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，教授級高級工程師，四川 成都，610031
趙亮亮：中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，工程師，四川 成都，610031

責(zé)任編輯 盧敏

U298；TP391

A

1672-061X（2016）03-0052-06

中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司課題項(xiàng)目（14126211（14-15））。