高速鐵路全域范圍全要素時(shí)空信息組織模型設(shè)計(jì)研究

王遙遙，李聰旭，封博卿，崔夢(mèng)真

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

我國(guó)在高速鐵路安全運(yùn)營(yíng)保障方面已構(gòu)建了較為完備的體系，如運(yùn)營(yíng)管理、風(fēng)險(xiǎn)防控和隱患排查治理等，為高速鐵路的安全性提供保障[1]。隨著我國(guó)高速鐵路規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)運(yùn)營(yíng)安全也提出了更高的要求。衛(wèi)星導(dǎo)航定位、遙感、網(wǎng)絡(luò)地理信息等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)生了類型多樣且豐富的鐵路時(shí)空信息，具有多源、海量、多時(shí)相等特點(diǎn)。研究如何有效組織這些時(shí)空信息，對(duì)高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全保障和智能高速鐵路發(fā)展[2]具有促進(jìn)作用。

封博卿等人[3]基于時(shí)空大數(shù)據(jù)，利用地理信息技術(shù)、時(shí)空聚合方法等，構(gòu)建一種基于地理信息的全維度、多層次的鳥巢病害分析流程，補(bǔ)強(qiáng)接觸網(wǎng)巡檢，為提高接觸網(wǎng)鳥巢病害處理能力和預(yù)測(cè)手段提供新的技術(shù)和方法；張孝勇等人[4]提出了動(dòng)態(tài)時(shí)空數(shù)據(jù)模型服務(wù)化共享方案，在地面沉降時(shí)空數(shù)據(jù)模型和鐵路應(yīng)急時(shí)空數(shù)據(jù)模型之間建立服務(wù)化共享聯(lián)系，并實(shí)現(xiàn)鐵路應(yīng)急救援。

但這些多模態(tài)時(shí)空信息尚缺乏綜合分析，而以空間分析和三維可視化為核心技術(shù)的地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）提供了研究地理實(shí)體要素的手段[5]。因此，本文從時(shí)間關(guān)系和空間關(guān)系出發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速鐵路多模態(tài)時(shí)空信息的高效組織[6]。以唯一時(shí)空基準(zhǔn)為主線，將不同時(shí)空信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，結(jié)合時(shí)空大數(shù)據(jù)分析與可視化展示技術(shù)[7]，實(shí)現(xiàn)安全態(tài)勢(shì)的自主預(yù)測(cè)，為我國(guó)高速鐵路的智能、自主維修提供理論依據(jù)。

1 高速鐵路時(shí)空信息

時(shí)空信息指具有時(shí)間和空間維度的屬性數(shù)據(jù)，現(xiàn)實(shí)世界中，80%以上的數(shù)據(jù)與地理位置有關(guān)，包括時(shí)間、空間、專題屬性三維信息，具有多源、海量、更新快速的綜合特點(diǎn)。高速鐵路時(shí)空信息主要包括地理信息、高分辨率遙感影像、高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息、鐵路專業(yè)檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.1 地理信息

主要指國(guó)家發(fā)布的基礎(chǔ)地理信息、鐵路專業(yè)公用地理信息、鐵路專業(yè)專用地理信息，可獲取各省市的行政區(qū)邊界信息，高速鐵路的線路、軌道、橋梁、隧道、車站等基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施的空間位置、里程及屬性信息。

1.2 高分辨率遙感影像

高分辨率遙感影像的數(shù)據(jù)分辨率可達(dá)米級(jí)或亞米級(jí)，目前國(guó)內(nèi)已投入使用的高分辨率衛(wèi)星有高分1～6 號(hào)系統(tǒng)衛(wèi)星、資源系列衛(wèi)星、環(huán)境系列衛(wèi)星、高景1 號(hào)、天繪衛(wèi)星、實(shí)踐9 號(hào)等。國(guó)外的高分辨率衛(wèi)星有Worldview[8]系列衛(wèi)星、GeoEye[9]系列衛(wèi)星、Quickbird 衛(wèi)星、Ikonos 衛(wèi)星、Planet 系列衛(wèi)星等。利用高分辨率遙感影像可以監(jiān)測(cè)高速鐵路全線周邊地物狀態(tài)及安全隱患，為排除高速鐵路沿線周邊地物安全隱患提供有效的時(shí)空信息。

1.3 高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息

目前，我國(guó)北斗高精度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[10]已全面建成，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國(guó)家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。北斗高精度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可為鐵路行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用提供高精度定位、短報(bào)文、授時(shí)等應(yīng)用，獲取車輛、人員與設(shè)備的高精度空間位置信息。通過從高速鐵路沿線安裝的高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位終端獲取差分?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)過高精度解算算法獲取定位終端的高精度位置信息，并對(duì)高速鐵路各專業(yè)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行時(shí)間源的統(tǒng)一，確保高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)位置數(shù)據(jù)獲取的精準(zhǔn)度。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)位置數(shù)據(jù)主要指高速鐵路作業(yè)人、運(yùn)行車輛等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的位置信息，包括經(jīng)緯度、里程信息、線路行別等。

1.4 鐵路專業(yè)檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

鐵路專業(yè)檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要有基礎(chǔ)設(shè)施的動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)、靜態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)、養(yǎng)護(hù)維修數(shù)據(jù)等，可提供高速鐵路沿線的軌道、道岔、橋梁、鋼軌等基礎(chǔ)設(shè)施的空間位置、幾何形狀變化、養(yǎng)護(hù)維修等信息，及基礎(chǔ)設(shè)施的安全狀態(tài)、對(duì)列車安全行車的影響程度，是關(guān)聯(lián)高鐵運(yùn)營(yíng)安全分析的基礎(chǔ)。

2 時(shí)空信息與高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)聯(lián)分析

2.1 病害位置的精確定位

將高速鐵路檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與地理信息之間建立關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路沿線病害位置在地圖上的快速、準(zhǔn)確、精確定位。建立高速鐵路檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與遙感影像的空間關(guān)系，查看病害位置周邊的環(huán)境情況，分析鐵路外部環(huán)境變化對(duì)病害發(fā)生位置的影響。

2.2 周邊環(huán)境安全監(jiān)控

通過對(duì)多時(shí)相、高分辨率遙感影像進(jìn)行變化檢測(cè)，可對(duì)鐵路用地范圍內(nèi)地物的變化情況進(jìn)行大范圍監(jiān)測(cè)，從而降低周邊環(huán)境對(duì)列車安全行車的威脅。

2.3 列車位置在線監(jiān)控

通過高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息可獲取列車的空間位置，將列車的空間位置疊加在地理信息上，可對(duì)列車在地圖中的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。將列車的空間位置疊加在遙感影像上，可在列車運(yùn)行過程中，查看列車所處位置的鐵路外部環(huán)境情況。

3 模型設(shè)計(jì)

基于統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)，建立高速鐵路基礎(chǔ)地理信息、高分辨率遙感影像、高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息和基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)部及數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。將基礎(chǔ)地理信息作為底圖，疊加高分辨率遙感影像變化檢測(cè)結(jié)果、高精度列車位置、基礎(chǔ)設(shè)施安全狀態(tài)數(shù)據(jù)，形成高速鐵路時(shí)空信息安全“一張圖”。在這“一張圖”上進(jìn)行高速鐵路時(shí)空信息安全分析。通過高分辨率遙感影像變化檢測(cè)對(duì)高速鐵路沿線周邊大范圍的安全隱患地物進(jìn)行分析，通過基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)設(shè)施幾何形狀大小和空間位置變化與其安全狀態(tài)、養(yǎng)護(hù)維修之間的關(guān)系，進(jìn)而分析基礎(chǔ)設(shè)施的幾何形狀和空間位置變化對(duì)高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全的影響范圍。通過對(duì)高速鐵路沿線外部環(huán)境安全隱患與內(nèi)部基礎(chǔ)設(shè)施安全狀態(tài)進(jìn)行直觀、可視化展示，為列車安全運(yùn)營(yíng)提供基礎(chǔ)保障。

3.1 多模態(tài)時(shí)空信息預(yù)處理

在對(duì)高速鐵路沿線的基礎(chǔ)地理信息、高分辨率遙感影像、高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息、鐵路專業(yè)檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等多模態(tài)時(shí)空信息進(jìn)行分析之前，需對(duì)其進(jìn)行一些預(yù)處理操作，具體流程如圖1 所示。

圖1 多模態(tài)時(shí)空信息預(yù)處理流程

（1）整理、清洗數(shù)據(jù)

將原始數(shù)據(jù)按照空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行整理，數(shù)據(jù)須包含里程信息。隨后清洗數(shù)據(jù)，即糾正錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，補(bǔ)全不完整數(shù)據(jù)，去除重復(fù)數(shù)據(jù)等。

（2）制作矢量數(shù)據(jù)庫

利用ArcGIS 軟件生成點(diǎn)線面矢量數(shù)據(jù)，將點(diǎn)線面數(shù)據(jù)圖層進(jìn)行合并，導(dǎo)出gdb 或mdb 格式的數(shù)據(jù)庫文件，從而形成矢量數(shù)據(jù)庫。

（3）完善數(shù)據(jù)庫屬性

完善矢量數(shù)據(jù)庫內(nèi)圖層的屬性信息，包括名稱、長(zhǎng)度、面積等。

（4）時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一

通過投影變換將原圖投影下的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)或指定投影下的數(shù)據(jù)，利用地圖配準(zhǔn)，將存在偏差的坐標(biāo)位置配準(zhǔn)到準(zhǔn)確位置，從而確保多源時(shí)空信息的時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一。

3.2 時(shí)空信息組織方式與展現(xiàn)

基于統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)，將鐵路地理信息地圖、遙感影像、列車位置、檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效組織。實(shí)現(xiàn)地圖在線定位、周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)、關(guān)聯(lián)關(guān)系分析功能，如圖2 所示。

（1）地圖在線定位

在地圖上直觀展示病害位置與列車位置。針對(duì)每條病害數(shù)據(jù)均可快速定位其在地圖上的位置；將列車的實(shí)時(shí)位置在地圖上進(jìn)行直觀展示，可在線監(jiān)控列車行駛位置與行駛路線。

（2）周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)

針對(duì)鐵路沿線的每個(gè)病害位置與列車位置，均可快速查找并定位其在遙感影像上所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，展示病害點(diǎn)及列車所處位置周邊的建筑物、植被、廢棄物等地物情況。

（3）關(guān)聯(lián)關(guān)系分析

根據(jù)時(shí)空信息之間的空間關(guān)系和時(shí)間關(guān)系，進(jìn)行鐵路基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)部及各設(shè)施之間的關(guān)聯(lián)與變化分析。在基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)部，分析設(shè)施的歷史數(shù)據(jù)與變化特征，進(jìn)而得出變化趨勢(shì)；在基礎(chǔ)設(shè)施之間，篩選設(shè)施影響范圍內(nèi)的其他設(shè)施，分析設(shè)施與設(shè)施間的拓?fù)潢P(guān)系，包括包含關(guān)系、鄰接關(guān)系、關(guān)聯(lián)關(guān)系。同時(shí)，也可設(shè)置某一緩沖區(qū)，對(duì)緩沖區(qū)內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行分析。

4 結(jié)束語

本文通過分析高速鐵路全域范圍的基礎(chǔ)地理信息、高分辨率遙感影像、高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息、鐵路專業(yè)檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多模態(tài)時(shí)空信息之間的空間、時(shí)間關(guān)系，建立多模態(tài)時(shí)空信息數(shù)據(jù)組織模型。同時(shí)，在“一張圖”上實(shí)現(xiàn)高速鐵路多模態(tài)時(shí)空信息的一體化集成展示，可為高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全保障提供直觀、可視化的在線監(jiān)控手段，為高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全提供技術(shù)支撐。