机载LiDAR支持下的铁路地目二三维一体化管理系统

2015-12-11卢小平陈曦东武永斌李国清钱小龙

测绘通报 2015年8期

卢小平，陈曦东，武永斌，2，李国清，2，钱小龙，2

(1.河南理工大学矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室，河南焦作454003;2.河南省遥感测绘院，河南郑州450003)

一、引言

机载LiDAR能够直接获取高精度三维数据，已广泛应用于数字城市、三维建模、地理信息快速更新等领域［1－3］。随着高速铁路的快速发展及未来“数字铁路”的建设［4］，需要准确的铁路沿线的地形信息，可利用机载LiDAR获取的数字高程模型(DEM)与数字正射影像(DOM)等信息，建立三维可视化数字铁路信息平台，推进铁路运营管理的信息化建设。利用三维GIS技术建立数字铁路地目二三维信息管理平台，是基于三维 GIS 技术的功能特点［5－7］，综合利用机载LiDAR、航空影像、CORS 3种数据叠加获得1∶2000铁路地目基础地理信息数据，经图形编辑、权属转绘(界址点经检核校正、坐标系统转换)、铁路附属设施信息标注，制作各线路车站、区间、独立地块铁路用地图，并进行数据建库。虽然三维GIS的可视化效果可以直观形象描述真实的地形地貌，但二维GIS则具有丰富的地图制图功能、多种多样的查询与分析决策方法、成熟的业务流程应用等优势。因此，在相当一段时间内，可视化的三维GIS难以完全取代二维 GIS［8］。

本文利用机载LiDAR激光点云数据、综合二维GIS和三维GIS的各自优势，通过建立二三维对照动态符号模型库，采用面向对象和组件化的设计思想，构建数字铁路地目信息二三维一体化管理系统，具有指定区域断面自动生成和土方量计算、铁路地目二三维数据编辑和符号化、铁路宗地与地籍档案管理与查询、统计与分析等功能，为铁路勘测、资产清查、选线设计、应急抢险指挥决策提供技术支持和服务保障。本系统在郑州铁路局铁路地目信息管理工作中，实现了二三维一体化的GIS应用，既充分利用了现有大量的数据信息，又以良好的显示效果提高了工作效率，因而具有良好的应用前景。

二、研究方案

综合利用机载LiDAR点云数据和航空影像(分辨率为0.2 m)提取铁路沿线的铁路附属建(构)筑物、地表覆被等数据，并对这些成果进行补测和核实。采用GPS RTK实测铁路附属设施要素，并调查相关属性，形成利用机载LiDAR航摄作业成图生产的DOM与DEM数据和铁路专题数据。在此基础上，以DEM构建地形模型并叠加DOM纹理构建铁路沿线的三维地形，使用3ds Max软件进行铁路地物三维建模，形成铁路真三维场景。利用ArcGIS Globe平台基于面向对象和组件化的设计思想，通过LOD技术［9－10］流畅支持TB级的地形和影像数据，开发三维数字铁路管理系统，系统研究的技术方案如下:

1)铁路地目数据集构建。综合利用机载LiDAR点云数据和航空影像提取轨道与路基、站场、区间、铁路附属建筑物、植被等铁路专题信息，通过实地调查获取铁路附属设施专题要素和铁路用地界址及地目数据，制作出DLG、DOM和DEM数据及铁路地目数据集。

2)铁路沿线三维建模。利用点云数据构建的高精度DEM与DOM纹理进行叠加，建立铁路沿线三维真实地形地貌。基于3ds Max软件结合DLG数据进行铁路附属物三维建模，构建铁路沿线大范围真实三维场景，自动根据浏览场景进行切换显示，对二维数据进行实时编辑可自动同步更新到三维场景。

3)铁路地目二三维一体化管理系统。基于面向对象和组件化的设计思想，建立二三维对照动态符号模型库，构建铁路地目二三维一体化管理系统。

三、系统总体设计

数字铁路地目信息二三维一体化管理系统设计为多层架构体系的结构体系。

1.系统体系结构

利用Oracle管理数据库并作为系统底层，系统的参数文件存于该层，用户可方便地对其进行动态配置。数据访问层利用 ArcSDE、ADO.net与 ADO(或OLE/DB)分别对空间数据和非空间数据进行高效率操作。二次开发组件及封装组件位于业务逻辑层，可通过用户界面层进行调用，并可利用数据访问层对数据库中的信息进行存取。用户界面层利用ArcGIS Engine组件进行二次开发，涵盖三维GIS和二维GIS的各种编辑功能。

2.铁路专题数据标准及符号库设计

由于全国目前尚未形成统一的铁路数据标准，本文制定了提取的铁路专题数据类型与数据标准，设计建立了铁路二三维符号库。

(1)数据类型

针对铁路专题数据专业性强等特点，本文制定了铁路专题数据类型、字段定义及内容要求，确保数据的唯一性，并可与以后出台的国家或行业标准进行对接或引用。

(2)数据标准

为满足标准化、规范化的铁路信息化管理需要，针对铁路部门数据表示方法和数据分类各异，缺少统一标准等问题，制定了涉及数据内容和格式、数据分层和结构、地目分类等内容的铁路数据标准，并建立了铁路要素属性表。

为保持制图、建库数据的一致性，设计并建立了符号库，明确了要素的类型、符号、线型及尺寸，满足了制图和数据建库需求。部分铁路专题数据标准制定情况见表1。

表1 铁路专题要素数据标准

3.数据库设计

系统由空间数据库、属性数据库、业务信息数据库和元数据库4个子数据库构成，利用LOD(levels of detail)模型、空间索引、分块装载等数据存取和组织方式，确保数据的浏览顺畅和高效存取，实现海量空间数据的动态操作和展示。

(1)空间数据库

空间数据库主要包括以下3种类型的数据。

①铁路线路地理实体数据

铁路线路地理实体包括车站、铁路附属建(构)筑设施、站内客货运输设备、轨道、桥梁和隧道、铁路沿线电力设施、信号灯及通信设备等数据，是数字三维铁路空间数据库的基础信息。

铁路线路各种地理实体间关系错综复杂，本文采用一种拓扑关系模型(网络模型)进行三维建模，以车站、桥梁和隧道、道岔等作为铁路线路地理空间网络的结点，以轨道特征作为网络边(链)构建几何网络，不仅能够真实表达铁路线路地理实体间的连接关系，而且还可为数据底层开发、线路规划、优化及资源调配等网络分析功能提供数据模型基础。

②铁路要素数据

铁路要素数据是指与铁路线路覆盖地理区域相关的各种空间数据，包括各种地理实体数据，如行政区划边界、界址点、居民点、道路、水系等，采用矢量数据模型进行组织;利用栅格数据模型对土地分类/利用、地质类型、铁路规划等空间数据进行组织。

③基础地形数据

铁路沿线地表覆被类型与地形起伏状况构成了基础地形数据，是三维场景重建的主要数据源。本文利用机载LiDAR激光点云作为三维场景的主要纹理数据源，采用生成金字塔索引方式降低栅格数据的分辨率，以提高数据的存取速度。将图幅划分成若干大小相同的图块存储数据库，以提高数据的检索效率。

(2)元数据

对铁路信息的标识、结构、内容、状况、规范及相关特征的描述即为铁路元数据。本文参照国家基础地理信息中心提供的元数据标准，针对铁路信息特点对铁路元数据标准进行组织，按层状结构定义数据元素和复合元素，包括标准部分和引用部分。标准部分为标识信息、数据质量信息、空间数据表示信息、空间参考信息、实体和属性信息、发行信息、元数据参考信息7个复合元素。复合元素由导出规则确定，由其他复合元素和元素组成，其引用信息、时间信息、联系信息不能独立存在，需由其他复合元素引用。

4.系统功能设计

(1)三维可视化

三维可视化功能由三维地物模型配置模块实现，从而建立三维地物模型与空间数据中地理实体的关联关系，可将整个图层的所有数据配置为相同的三维模型，也可依据某一属性的子类型配置为不同的三维模型。本文基于LiDAR点云进行三维建模，利用3ds Max、MicroStation等技术实现三维展示。

(2)数据编辑

系统可在三维和二维之间切换显示，并提供数据增、删、改、移动和复制等各种编辑功能。三维可视化分析功能通过读取空间数据库，可实时展示地理要素的三维可视化，并可同步反映数据的编辑状态。

(3)查询统计

系统可根据属性信息和地理信息在数据库中进行查询和统计(包括对属性和关系的条件查询)，以树状列表形式显示查询结果，并在三维场景居中高亮显示所关注的地理实体;系统还可以通过空间地理位置的经纬度坐标实现精确定位，同时三维GIS可自动转换为以查询点为中心的三维空间场景。

(4)业务信息管理

系统可对业务数据进行增删、修改、查询、统计报表生成等各种编辑功能，支持对工作流的管理，系统还为应用程序提供访问其他业务信息管理系统的接口，并将其与三维GIS系统进行融合与集成。

(5)系统设置

包括数据库连接参数和连接池配置、用户权限与总体选项设置、地图投影和地理坐标范围设置等，是对系统工作环境和相关参数进行的设置。系统的三维可视化分析模块可以显示设置的背景风格、经纬度、指北针等辅助信息，以及对显示细节和缓存的控制，并可根据系统设置进行动态配置，实时反映设置的参数信息。

(6)成果输出

系统可按地图分幅和编号规则生成车站用地图、区间用地图和独立地块用地图等，并可根据需要输出相应的格式或打印输出。此外，业务信息管理或查询统计生成的报表，也可根据需要保存为电子表格或打印输出。

四、系统实现及应用

1.铁路地目信息二三维一体化管理系统关键技术

(1)统一坐标系和数据标准

现有的铁路界址点大部分采用里程+支距的方法表示。经实际调查与核实，发现目前铁路沿线埋设的公里桩误差达几米、甚至十几米，无法满足转标界址点的精度要求。本文提出以铁路设施特征目标测量与数据纠正、坐标系统变换相结合的综合处理方法，以铁路沿线编辑的1∶2000铁路基础地理信息数据为基础，区间里程经桥涵、隧道及车站里程控制后，分配误差、计算线路沿线理论公里桩、百米桩，作为转标界址点、界址线的依据，统一了坐标系统和数据标准，实现了铁路数据的统一和无缝衔接。

(2)界址点转绘

铁路用地界址点转绘采用里程+支距方法确定其位置，即以铁路下行或上行线的里程为依据，向外作其垂直支距，获得界址点平面坐标及里程+支距的两种表示界址点位置的坐标。转绘后的界址线和土地证上的相同，与相关地物位置保持一致。

(3)铁路里程坐标系

系统提出采用里程坐标系对铁路线路进行描述。由于铁路线路拐点多，算法在遍历时耗时多，且效率低下。因此，本文在折半查询算法基础上发展了一种适用于点集合遍历查询的多点折半查询算法，满足了实际应用的需求。同时在三维GIS可视化系统中，读取并依据铁路的线性距离计算里程，通过文字注记的方式实时显示三维文本。

2.系统应用

本文基于点云和航空影像提取的铁路专题要素与基础地理信息进行重组、整合及服务发布，构建了权威、统一和通用的铁路地理信息公共平台(如图1所示)。系统在郑州铁路局推广应用以来，为铁路勘测设计、线路改造、资产清查、应急抢险指挥决策等提供了可靠的技术支持和服务保障，并为铁路信息化建设提供了网络地理信息服务。

图1 数字铁路地理信息公共平台

(1)在铁路抢险救灾中的应用

系统具有的三维GIS空间分析和查询统计功能，可为线路勘测设计、铁路应急抢险指挥等提供辅助决策。利用系统的空间分析与统计功能，能够自动准确快速地计算出选定区域断面的土方填挖量。图2为山体滑坡塌方造成陇海线铁路中断情况，利用本系统迅速制作了滑坡区段1∶2000地形图，从图上统计出受灾范围、存在的隐患等信息及受灾建筑物的数量及面积，为制订抢险救灾方案提供了准确的依据。

图2 应急抢险应用

(2)铁路选线应用

铁路选线设计可根据沿线地质及地形数据资料，利用系统的三维可视化模块初步设计出线路走向，然后在数据库中通过编辑模块增加线路地物要素，根据构建的三维模型作为三维可视化环境中的地物符号进行展示，并根据DEM数据所呈现的地形和地貌状况，合理调整、优化线路设计方案。系统还可以根据实际工程要求，通过建模补充铁路桥涵、隧道、路堤等地理要素，将所有数据整合并对工程量进行汇总，对各种施工方案进行对比分析后，确定出最优线路设计方案，如图3所示。

图3 铁路选线设计

五、结束语

本文基于点云和航空影像提取的铁路专题要素与基础地理信息进行重组、整合及服务发布，通过建立铁路沿线大范围真实三维场景，在构建的“数字铁路地理信息公共服务平台”基础上，研发了铁路地目二三维一体化管理应用示范系统，为铁路勘测设计、线路改造、资产清查、应急抢险等提供了技术支持和服务保障，为实现数字铁路信息的一体化管理奠定了坚实的基础。

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