实景量测技术在铁路中的应用

赵红涛

（中国铁路郑州局集团有限公司，河南 郑州 450000）

1 引言

以往铁路数据建模时，数据一般来源于实地采集。铁路设备比较集中，在不同设备建模时，重复采集会对人力、物力造成极大浪费。中国铁路郑州局采用实景量测技术，采集铁路建模轨道近景数据，降低了采集难度，节省了人力物力，避免了上道作业风险。

实景量测技术是一种全新的地理信息技术，其特点是可在实景图上直接量测。要在铁路实景图像上直接量测，需要解决两个问题：（1）实景图像的空间信息获取；（2）实景图像中铁路设备的空间数据获取。

2 基本原理

2.1 实景量测基本原理

实景量测技术在不同的位置和方向获取同一物体的两幅以上的数字图像，经过捆绑调整、图像匹配等处理及相关数学计算后得到待测点的精准坐标[1]。实景测量的范围一般小于100m，采用2台相机组成一个摄像对，然后在不同方向同时获取同一物体的数字图像。

根据实景摄影的技术原理，需要两幅不同角度同时拍摄的同一物体的图像进行坐标解算，这两幅图像称作“像对”。图像中一个点的坐标解算需要在像对中确定正确的同名控制点，同名控制点选取合理准确是坐标解算正确的前提。同名控制点选取如图1所示。

2.2 实景量测技术路线

铁路实景图像数据通过火车搭载拍摄设备连续自动拍摄获取，间隔时间为5秒。车辆轨迹数据包含影像图片、空间坐标和姿态角等数据，如图2、图3所示。

在采集铁路实景图像前，需要经过相机标定，得到相机摄影参数及立体图像对关系参数，这样才能获取图像上铁路设备的大小、距离和坐标等几何信息。

图1 同名控制点

图2 实景图像拍摄序列

根据设定的相机标定参数、D-GPS和IMU联合解算的车载平台位置，与实景图像进行匹配，构建目标绝对空间定位方程，可计算出实景图像上任意目标的绝对空间坐标[2]。空间坐标解算算法如图4所示。

2.3 技术特点

利用实景量测技术对铁路设备进行实景展示和设备量测，具有以下特点：

（1）反映设备周边真实情况。实景量测技术是一种瞬间获取被测物体大量物理信息和几何信息的测量手段。作为信息载体的像片或影像包含被测目标最大的信息，特别适用于测量点众多的目标。

（2）可生成实景地图。实景量测技术可提供基于三维空间坐标的各种产品，包括各类数据、图形、图像、数字表面模型以及三维动态序列影像等[3]。

（3）对量测人员要求低。在铁路实景图中量测设备位置时，技术人员只需要掌握实景图像量测的操作方法，通过电脑即可进行铁路设备设施的数据采集。

图3 车辆轨迹数据

图4 空间坐标解算算法

3 应用实例

3.1 测区概况

中国铁路郑州局的管辖范围涵盖河南大部分地区，同时覆盖山西省、陕西省、湖北省、山东省和安徽省部分地区，地处北纬29°35′～36°26′、东经105°34′～115°40′之间，占地面积 460.08平方千米，线路营业里程3939.2千米。

3.2 外业获取

实景摄影图像主要用于铁路沿线设备数据采集和展示，因此，采用检修车辆搭载设备，在车顶加装支架，固定设备GPS天线，采集铁路沿线的实景图像。为了提高数据的精准度，根据铁路的上、下行分开采集。

利用春季和秋季行车设备动态检查的时机采集实景图像数据，可减少数据采集费用。同时，一年采集两次，可及时更新实景地图，保证实景图像的时效性。在采集实景图像时，让火车保持匀速行驶，每隔5s拍摄一张图像。安装有采集设备的检修机车如图5所示。

图5 实景图像数据采集

3.3 实景数据量测

由于实景量测采取近景摄影测量原理，在实景图像中，离镜头越近的位置量测结果越准确，反之误差越大。在铁路实景图像中，采集设备一般采取距离设备最近的两景照片进行目标的同名控制点提取。首先选取最近的一张实景图像放大，点击选取设备；然后切换到相邻的一景图片，进行相同设备的选取；最终，确定该设备的空间位置。通过录入采集设备的名称、公里标等属性，将铁路专用的公里标量算与通用的经纬度进行关联，便于铁路的公里标与经纬度换算。

图6为在铁路实景图像中，采集接触网支柱的位置。在卫星影像图或矢量地图上，叠加铁路实景的轨迹线，点击轨迹线可以查看实景图像。在量测支柱位置，点击“Ctrl”键，可以局部放大图像，提高量测数据的精准性。

图6 接触网支柱采集

3.4 铁路实景展示

根据实景摄影获取图像的坐标，可将图像与卫星影像图结合，生成铁路的实景图。在实景图中，可清晰地展示铁路沿线的设备分布状况，工作人员在室内就能详细了解设备分布，减少人员上道作业次数，降低上道作业风险。铁路实景图如图7所示。

图7 铁路实景图

3.5 量测数据建模成果

（1）铁路分布：在实景摄影测量时，通过设备检修车采集实景图像获得路线轨迹，即铁路线分布图。铁路隧道内无法接收GPS信号，故无法单独使用GPS设备采集隧道内的线路走向。在实景图像采集时，设备获得火车的惯性轨迹，可真实展示隧道内铁路轨迹。

（2）接触网设备建模：在实景图像进行接触网设备的量测后，可获得接触网支柱的编号、区站和经纬度。然后，根据接触网现有的图纸和实景图像展示的实地情况，进行量测数据的建模，实现区间、站场的拓扑贯通，构建站段“一张网”；将郑州供电段、洛阳供电段和新乡供电段的牵引供电网合并，实现站段之间的拓扑贯通，实现全局牵引供电“一张网”拓扑贯通。

（3）电力设备建模：对电力的电杆进行采集，然后根据拐点的地理环境，确定电力拐点的位置。根据现有CAD图纸，进行电力设备的建模，形成电力“一张网”拓扑贯通。

（4）站场设备分布图：根据实景图像量测站场设备，收集道岔、信号机、灯塔等位置。然后根据采集数据，绘制站场的详细股道和道岔的关系图，并展示在卫星影像图上。

4 结论

基于实景摄影图像的三维技术是未来GIS发展的方向，交通铁路的信息化管理与GIS结合得越来越紧密，将实景量测技术应用在铁路信息化建设上前景广阔。本文对铁路实景图像的数据采集进行了研究，证明实景图像不仅可以直观地表达铁路设备的真实情况，而且可以辅助铁路设备建模上图。实景量测技术的实现，让技术人员不需要掌握专业的测绘地理信息知识，通过电脑即可进行铁路设备设施的数据采集，减少了数据采集难度，节省了人力物力，避免了上道作业风险。