铁路地理数据采集与管理系统探讨

提要:针对铁路方面缺乏科学化的地理数据管理系统问题，该文提出了利用无人机倾斜摄影测量技术进行铁路地理空间数据采集，建设了铁路地理数据管理系统。从需求分析、总体设计、详细设计和系统实现等方面介绍了系统建设的基本情况，完成了系统设计和软件开发。通过测试表明，该系统具有先进性、科学性和实用性，提高了铁路地理数据采集效率和管理科学化水平。

关键词:铁路;地理数据采集;数据管理系统

1引言

随着信息化、网络化和智能化时代的到来，铁路系统传统的管理模式已经不能满足铁路发展的需要。在铁路地理数据管理过程中，急需引入现代化的技术手段和方法，建设现代化、科学化的铁路地理数据管理系统，从而提供数据管理与决策平台［1］。近年来，随着无人机倾斜摄影测量应用不断扩大及信息化服务水平不断提升，许多学者开展了利用无人机倾斜摄影测量应用［2～4］和铁路数据管理系统研究［5～18］。李德仁［2］等介绍了无人机遥感系统在相关行业领域的应用与实践，给出了发展无人机遥感技术和产业的建议;曹琳［3］利用无人机倾斜摄影测量系统获取西安市焦岱镇鲍旗寨社区影像，建立三维模型，评价了模型精度水平;李杰［4］等利用油动无人机倾斜摄影，为玛纳斯县智慧城市建设提供高精度三维模型;朱韦桥［5］等设计了铁路综合检测业务管理系统，阐述了系统的总体架构和功能结构，得到了成功应用;李聪旭［6］分析了京沪高铁对铁路GIS的业务需求，提出了铁路GIS平台建设的技术路线，详细分析了平台的总体架构、应用功能和外部接口等，最后对平台实现结果进行了界面展示;金怡成［7］按照铁一院的业务需求，搭建了系统的架构模型，进行了系统数据库设计，实现了系统功能模块，并进行了相关测试。对于无人机铁路地理数据采集及数据管理系统建设方面鲜有文献报道。为进一步提高铁路地理数据采集效率，完善铁路地理数据管理，推动“智慧铁路”建设，本文结合最新的无人机航测遥感、倾斜摄影三维建模、GIS和大数据分析等技术，开展铁路地理数据采集与管理系统建设，为“智慧铁路”建设提供可靠、准确、实用的地理空间数据基础和管理平台。

2铁路地理数据采集

传统铁路地理数据采集工作量大、效率低、对列车干扰大。随着测量传感器的快速发展，一些现代化技术手段如卫星测量、无人机航摄、三维激光扫描和移动摄影测量等方法，逐步应用于线状分布的铁路地理数据采集，具有现代化、多样化、智能化等特点。可以根据铁路线路环境情况采用不同的数据采集方法。本文采用无人机航摄的方式进行铁路地理数据采集，无人机倾斜摄影测量技术是近些年发展起来的测绘遥感高新技术，它以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，通过高效的数据采集装置和数据处理方法生成数据成果，直观反映地物的外观、位置、高度等属性信息，同时生成可视化的三维模型。数据生产分三个流程，分别是前期技术方案设计、中期野外数据采集和后期数据处理。详细生产流程见图1。

3铁路地理数据管理系统

3.1需求分析。3.1.1数据需求。1)矢量专题图。包括行政区划、路网、地名地址等矢量数据。2)数字高程。DSM、DEM高程模型数据。3)影像图。DOM影像图，重点区域精度不低于0.2m。4)倾斜摄影三维模型。精度不低于0.5cm，OSGDB格式。5)设备三维模型。BIM或者Max建模。3.1.2业务需求。1)设备资产数据管理需求。主要满足三维设备模型、电子台账及设备相关技术资料信息的增、删、改、查等管理需求。2)设备资产查询应用需求。主要满足对设备进行空间查询、关键字查询、里程号定位、空间定位、故障设备预计统计分析、函渠、隧道等设备的漏水点查找业务应用需求。3.2总体设计。3.2.1设计原则。1)统一标准、整合资源。规范化、标准化是信息化建设的基础，也是不同系统兼容和进一步扩充的根本保证。因此，铁路地理数据管理系统设计和数据的规范化和标准化工作极其重要。各应用系统内容、数据分类与编码、数据精度、作业规程等应采用有关国家标准、行业标准、地方标准和企业标准。在统一铁路地理数据管理建设标准的前提下，统一整合现有信息系统、数据资源，提高铁路管理效能，避免重复投资建设。2)精简务实、高效协同。突出铁路信息化建设的科学性、实用性，注重创新，注重实效，降低运行成本，提高管理效益;强化统筹协调各方协作的工作机制和管理与技术创新相匹配的互动机制，实现数据共用、信息共享、相互移植;优化铁路运输管理和服务流程，提升管理水平。3)统一规划、分步实施。由于地理数据系统建设是一个长期不断完善的过程，不可能一蹴而就。因此有必要在统一规划的前提下，根据实际情况分步实施，注重实效，稳步推进。信息化项目新旧区别对待，对于新建项目要统一标准，对于已建项目要深化应用，不断完善。4)技术先进、安全稳定。铁路地理数据管理系统的设计思想、系统架构、采用技术均应确保有一定的先进性、前瞻性、扩充性;同时系统应遵循安全性的原则，采用严格的安全保密措施，设置多级安全机制。明确各级工作人员的职责，保证各司其职、各负其责。系统在设计时将安全性问题分为以下三种情况:一是防止外部非法用户访问网络;二是防止内部合法用户越权访问;三是防止意外的数据损害。为了提高系统的安全性，在设计时应采取如下措施:一是网络专网，增加部署一定的安全措施和系统冗余策略;二是给系统内部不同的用户和部门赋予不同的权限等。5)智能分析、智慧决策。铁路地理数据管理系统建设应综合利用物联网、传感器等实现铁路运输管理、资产管理、指挥调度等各类信息的自动化采集，利用大数据挖掘和时空分析技术实现智能化辅助决策分析。6)适度开放、充分共享。信息系统的开放性是系统生命力的表现，只有开放的系统才能兼容和不断发展，才能保证前期投资持续有效，保证系统可分期逐步发展和整个系统的日臻完善。铁路地理数据管理系统在运行环境的软硬件平台的选择上，要符合开放性计算机信息系统的标准，能够较为容易地实现系统的升级和扩充，以适应后续工程和有关政策以及信息技术的发展变化。3.2.2总体架构。结合铁路固定行车设备管理的业务应用需求，参照国家及行业相关规范，形成铁路地理数据管理系统建设的总体架构，如图2所示。3.3详细设计。3.3.1功能设计。按照总体架构，铁路地理数据管理系统功能架构如图3所示。1)用户登录:实现用户身份的审核校验，并对各类不同角色(岗位)用户进行功能、数据权限控制，确保系统功能操作及数据安全。2)常用工具:包括三维浏览、空间测量、二三维对比、空间定位、框选查询、标注和模型管理等功能模块。3)分类查询:查询当前三维场景范围内对应设备类型的相关信息，可在三维场景窗口中显示定位到对应记录的设备位置及设备记录等详细信息。4)模糊查询:根据设备类型(工务、电务、供电、通信)和输入的关键字进行模糊查询，可在三维场景窗口中显示定位到对应记录的设备位置及设备记录等详细信息。5)综合查询:实现对全部类型的设备电子台账查询。该功能支持所有铁路线行车设备，按照设备管理单位(段、工队、工区)等设备管区及设备本身相关属性过滤条件进行查询检索。6)统计分析:实现对各类设备数量按管区(或线路区间)、设备类型进行统计。对统计结果进行列表及统计图的形式进行展示。也可以导出统计结果对应的图表。7)应用分析:实现设备预警分析，自动列出各类快到期设备的列表及已超期的设备列表;隧道(涵洞)漏水点分析，通过三维透视分析，精准查找隧道(涵洞)顶部漏水点位置，打印输出对应三维场景的地图，供设备检维修人员现场踏勘维修提供有力的数据支撑。8)系统管理:实现用户管理、数据管理和日志管理等功能。3.3.2三维模型设计。模型设计是基于倾斜摄影数据、正射影像数据及提供的各项设备数据、设计图纸等进行模型建立。三维地理模型建设流程如图4所示。3.4系统实现。试验区选取神朔铁路双岩畔隧道至霍家梁隧道出口约13km的铁路，以此段铁路中心线两侧各外扩1km为数据采集范围，工作区面积约26km2。设计和开发了神朔铁路地理数据管理系统，实现了用户登录、常用工具、分类查询、模糊查询、综合查询、统计分析、应用分析、系统管理等功能。具体功能实现如图5所示。

4结语

铁路地理数据采集是铁路数据管理系统建设的基础，利用无人机倾斜摄影测量进行铁路地理信息采集，具有高效便捷、精度高、现势性强、纹理真实等优点。首次在国家能源集团铁路运输板块上，运用无人机倾斜摄影+三维建模+GIS技术，建立了神朔铁路试验段双岩畔隧道至霍家梁隧道的铁路数据管理系统，实现了地理数据和铁路设备的图、表、位置、属性的一体化管理，有助于铁路数据信息利用和资源共享，满足铁路信息化管理的需要，提高了铁路信息化管理水平，为“智慧铁路”建设提供了可靠、准确、实用的地理空间数据基础和管理平台。

作者:陈隆 单位:国家能源集团神华和利时信息技术有限公司