铁路三维实景系统开发与应用
于进江1，刘文斌2，刘国梁2，封博卿2
（1.京张城际铁路有限公司精品工程办公室，北京100071；
2.中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京100081）
摘要：针对铁路沿线分布区域较广、地质环境复杂、无法及时获取沿线环境及违建物信息等情况，综合利用倾斜摄影等新技术手段，设计开发京张高铁三维实景系统。与传统的遥感卫星影像等展示方式相比，该系统能准确、完整地表达铁路沿线及周边各类建筑物，并将铁路建设期、竣工验收期及运营期的资料、数据进行集中式管理。该系统的应用实现了运维人员对高铁沿线设备设施及防灾监测数据的调取查看、违建物的智能提取，有效降低日常巡检的工作强度。关键词：高速铁路；倾斜摄影；地理信息技术；三维实景；智能提取
中图分类号：U238；TP391；P231文献标识码：A文章编号：1001-683X（2021）01-0111-06 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.01.111
0引言
高速铁路建设项目跨区域分布，具有点多面广、地形复杂、自然环境恶劣等特点。传统的巡查管理方式不仅工作量大、人力成本高、效率低，而且受观察视角等条件制约，运维人员无法及时对周边安全保护区的违建物进行有效控制和预警，很难全面直观地巡查管理，严重影响铁路运输安全。倾斜摄影技术是一项伴随无人机、计算机技术等发展起来的综合性学科技术［1］，其突破了遥感图像只能从顶部查看的局限，通过无人机等飞行平台，利用搭载的多镜头（一般为5个镜头，包括1个垂直镜头和4个倾斜镜头），在同一水平面上拍摄采
集不同角度的遥感影像，经后期制作处理，得到逼真的三维场景［2］。倾斜摄影技术构建的三维场景能有效反映地物、设施全貌；同时，利用三维实景可进行铁路建设期大数据管理和运营期日常巡检，显著提升铁路地理信息数据的管理维护效率。
基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划项目（P2018G051）；
上市公司发行债券中国工程院重大咨询研究项目（2019-ZD-39）
第一作者：于进江（1964—），男，正高级工程师，博士。
E-mail：****************
通信作者：刘文斌（1993—），男，研究实习员，硕士。
E-mail：******************
基于倾斜摄影技术的铁路三维实景系统开发与应用于进江等
目前，在铁路工程中利用倾斜摄影技术进行三维实景空间分析的研究较少，而其他领域对倾斜摄影技术进行了深入研究。陈飞等［3］基于倾斜摄影技术，结合警用行业的专题应用及需求，设计开发三维警用地理信息系统，在大规模场景中提升了公共安全防护及应急反恐作战效率；刘腾飞等［4］利用倾斜摄影技术开发了建筑物三维实景档案管理系统，对某区域建筑物进行档案管理，有效提升了建筑物档案管理的直观效果；黄文钰等［5］通过倾斜摄影建立三维实景模型，搭建水电站三维GIS平台，对水电站选址、智能选线、最优路径计算等进行分析，夯实了倾斜摄影技术在水利方面的技术研究。
基于倾斜摄影成果数据，详细介绍倾斜摄影数据生产发布流程、模型修复技术，并结合京张高铁设备设施管理、维护等实际业务需求，设计开发京张高铁三维实景系统，探索倾斜摄影技术在铁路三维实景展示及空间分析中的应用，为智能铁路信息化建设提供技术支撑。
1关键技术
1.1数据采集
2019年10月，利用多旋翼无人机搭载微型5镜头倾斜相机对京张高铁线路进行航空拍摄。拍摄范围始于北京北站（N39°56'39.81″，E116°21'12.44″），止于张家口站（N40°48'48.92″，E114°53'18.92″），全线174km、崇礼支线53km，摄影精度优于0.1m。其中，京张高铁沿线两侧拍摄宽度约230m，基本覆盖沿线违建物。同时，对站场等设施根据实际情况适当加宽拍摄。此次拍摄获得京张高铁沿线大量原始照片，并针对倾斜摄影在智能铁路的应用及关键技术方面进行实践，积累了大量经验。
1.2数据生产及发布
目前，一般采用行业顶尖的Smart3D软件进行倾斜摄影三维模型生产，该软件利用计算机图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU）进行运算，具有速度快、模型质量高、全自动化等优势［6-8］。Smart3D生产的倾斜摄影模型数据格式为Open Scene Gragh Binaty （OSGB），该格式具有多细节层次特性，可进行分层加载，模型渲染速度较快［9］。倾斜摄影三维模型生产的模型数据不能直接使用，需要共享为空间数据服务后才能供程序使用。因此，采用ArcGIS系列软件作为处理倾斜摄影模型数据的客户端与服务端［10-12］。倾斜摄影生产与发布流程示意见图1。
1.3精细化修复
高铁线路通常会跨越水库、河流等水域，由于水面上特征点较少，倾斜摄影生产计算时很难匹配，导
胡歌车祸原因致水面部分模型质量较差。因此，提出几种模型精细化修复方法（见表1）。
2系统设计
根据倾斜摄影三维模型数据的特点及京张高铁三维展示的实际应用需求，在Windows环境下，采用B/S 架构，基于Arcgis Enterprise开发组件，充分利用Arcgis产品在三维场景的展示效果和空间分析计算能力，设计、开发京张高铁三维实景系统。系统总体架构见图2。
系统总体架构包括4个层次：
（1）基础设施层。包括数据存储资源及支撑系统
表1
模型精细化修复方法对比
图1倾斜摄影生产与发布流程示意图
基于倾斜摄影技术的铁路三维实景系统开发与应用于进江等
运行的所有网络设备、服务器、GIS空间引擎等软硬件设备。
（2）数据处理层。包括倾斜摄影数据、点云数据、DEM及DOM数据、矢量数据及京张高铁三维展示的专题数据等。
（3）技术支撑层。即系统开发所需的各类环境及软件，包括ContextCapture软件、Arcgis客户端与服务端软件，以及形成的可视化展示技术方案。
（4）应用展示层。即基于倾斜摄影技术的京张高铁三维实景系统，包括京张高铁沿线设备设施的可视化展示、空间分析、资料调取、违建物智能提取、事故应急救援等功能。
3关键技术
3.1基于海量数据可视化的优化提升
京张高铁数据来源包括倾斜摄影、点云、正射影像、DEM地形、三维建模数据模型及矢量数据等，数据量达几百GB。在可视化展示时，如何将海量数据进行流畅加载与快速检索是一个难点。依据多源数据格式分别作优化提升，主要分为缓存优化和模型优化。
（1）缓存优化。利用制作的空间数据缓存，分级（比例尺）、分层次进行网格数据调取，在不同比例尺下调取不同类型的数据。在小比例尺下，只展示全国影像、注记；随着比例尺不断放大，将地形、倾斜摄影、矢量数据等路线在不同比例尺下加载处理，有效避免数据带来的渲染压力。网格数据调取示意见图3。
常用空间数据地图比例尺范围为“1∶（2×108）～1∶800”，图像分辨率为72dpi或96dpi。在展示时，多源数据可根据不同比例尺分类加载数据服务（见表2）。
对于存储至空间数据库的空间数据，应根据展示级别分层制作缓存，同时构建分级索引。L N（N=1， (20)
表示地图中倾斜摄影模型的级别；S E表示网格区域面积，E值范围为经度、纬度的最小值和最大值，
分别为-20026376.39、-20048966.10、20026376.39、20048966.10（坐标系编码EPSG：3857）；Y表示当前范围内获取的缓存数量，最小的缓存数据为Y min。参数L N、S E和Y
存在固定关联关系：
（a）分级加载
（b）分层加载
图3网格数据调取示意图
表2
液晶电视的选购多源数据网格分级展示表
图2系统总体架构
基于倾斜摄影技术的铁路三维实景系统开发与应用于进江等
Y=S
E
L
N
，（1）
式中：当Y≤Y min时，缓存达到最优状态。
（2）模型优化。重点是对倾斜摄影模型数据和三维建模型数据进行轻量化优化。用Smart3D对倾斜摄影模型数据生产时，设定切块范围的大小及切块规则。其中，切块范围越小、块状数据量越小、总体生产的块状数量越多，可使倾斜摄影加载效率提高，但生产时间减慢。因此，设置合理的参数可有效提高加载效率、降低生产时间。三维建模数据格式为OBJ（3D模型文件），该数据在3DMax建模时通过降低贴图文件数量和纹理达到模型数据优化效果。
3.2多源、多格式数据类型一体化展示
京张高铁沿线空间数据来源较多，如斜摄影、点云、矢量数据等；数据格式种类也比较丰富，如CAD、SHP、XLXS、PDF、OBJ、OSGB等。如何将多源、多格式的数据一体化展示在三维场景中，是应用研究的一大挑战。选用专业的Arcgis JS框架作为三维引擎，该框架支持多种数据类型解析，非常适合多源、多格式的数据类型展示。另外，不同数据类型须按照“业务场景、可见范围、可见
级别”等多条件进行约束，既保证用户展示效果，也便于系统快速渲染。
3.3铁路沿线违建物智能提取
与城市建筑物类似，铁路沿线周边干净整洁，既展示了所在地形象，也反映了当地对于铁路沿线安全隐患的关注。依据《铁路安全管理条例》（简称《条例》）要求，铁路安全区范围为：“从铁路线路路堤坡脚、路堑坡顶或铁路桥梁（含铁路、道路两用桥）外侧起向外的距离分别为：城市市区高铁10m，其他铁路8m；城市郊区居民居住区高铁12m，其他铁路10m；村镇居民居住区高铁15m，其他铁路12m；其他地区高铁20m，其他铁路15m。”《条例》中，路堤坡脚指路基边坡与地面相接的部分，路堑坡顶是指路堑坡坡面与地面相接的部分。基于GIS技术结合倾斜摄影三维模型按照“规则约束”智能辨别提取沿线违建物，通过预警方式将违建物标记，并进行闪烁提醒。其中，按“规则约束”进行违建物提取是需要实现的关键技术。
“规则约束”即通过编写算法，设定1个阈值，将
落入该阈值的建筑物通过不同时期的遥感影像进行提取，综合考虑后判别该建筑物是否为违建物。以下对其作简要算法分析。
倾斜摄影模型单体化后，每个模型具有单独的面积和位置信息，用S w表示建筑物面积；L w表示建筑
物距离铁路沿线的直线距离；K w表示建筑物所在里程；京张高铁沿线安全区范围用Q N表示（N=10、12、15、20），分别代表铁路沿线不同位置处安全区范围。
假设某建筑物K w所处里程在村镇居民区，且L w≤Q N（N=15），则该建筑物为违建物。然后，在该区域调取多时相遥感影像，可获取该违建物类型，根据该建筑物面积进行计算，并闪烁预警。该功能可有效地帮助铁路运维人员进行智能化决策。
4应用分析王自健散打冠军老婆的照片
4.1基本工具
京张高铁三维实景系统可提供基本的漫游、360°旋转、距离量测、复位、清除等工具。
4.2空间查询
4.2.1名称定位
在系统中输入设备设施名称，可查询京张高铁沿线所有设备设施。定位至相应设备后，弹出该设备属性，并自动查询该设备的上1个、下1个设备。如输入“康庄特大桥”，可查询其建设期信息、竣工信息，后期运维信息也预留了接口，通过接入数据进行展示（见图4）。
4.2.2专业定位
系统提供京张高铁各专业的设备设施，点击查询相应专业所有设备设施，然后点击该设备，定位和查询空间属性信息（
见图5）。
图4不同时期信息展示
基于倾斜摄影技术的铁路三维实景系统开发与应用于进江等
4.3违建物智能提取
铁路沿线情况错综复杂，火车经过城市市区、城市郊区、村镇居民区与其他地区，其安全状况存在差
异；特别是高铁列车车速更快、对安全环境要求更高。设定铁路安全保护区，系统可根据关键算法技术进行违建物智能提取，同时标记该建筑物并进行闪烁预警。
4.4突发事件应急救援
铁路突发事件应急救援是铁路运输系统正常运行的重要支撑，也是保证人员生命安全财产的重要手段。系统根据京张高铁沿线周边布置救援物资位置，提供应急救援事故模拟和救援路线的自动规划，利用北斗高精度定位实时监测定位人员位置，帮助应急救援人员进行辅助决策，提升铁路应急救援信息化水平。
5结束语
刘亦菲个人简介倾斜摄影技术具有高度的真实性及可测量性，在铁路工程运营维护等方面优势越来越明显。以京张高铁为例，分析倾斜摄影的技术标准和采集流程，详细描述倾斜摄影三维模型制作、发布管理技术，提出倾斜摄影三维模型精细化修复方法，为真实反映京张高铁提供数据保证。根据京张高铁实际应用需求进行系统结构设计，并进行系统海量数据优化、可视化展示及空间分析等方面的关键技术研究，为京张高铁三维实景系统展示奠定技术基础。利用地理信息技术和倾斜摄影技术设计开发京张铁路三维实景系统，实现京张高铁沿线设备设施的三维展示、空间属性查询、铁路沿线违建物提取和应急救援等实体化功能，有效提升智能铁路的信息化运维水平。
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责任编辑苑晓蒙
收稿日期2020-06-18图5设备定位