CN107796304B - 一种三维激光全景的铁路线路调绘方法 - Google Patents

Abstract

一种三维激光全景的铁路线路调绘方法，以实现铁路既有线线路及设施调查与测绘，为三维激光扫描移动测绘在铁路既有线路技术改造、资产调查和信息化运营管理提供技术支撑。包括以下步骤：1)铁路三维激光移动扫描，得到三维激光移动扫描***运行轨迹和姿态；进行地理参考处理，得到铁路线路及设施三维激光点云数据、每一个全景站点准确的位置和姿态，为构建三维激光全景数据模型提供数据支撑；2)、激光点云和全景影像融合，构建三维激光全景数据模型；3)、全景影像可视化浏览，根据全景影像球面模型特点，构建全景影像球面可视化浏览框架；4)、全景影像上线路及设施识别；5)、线路及设施大地坐标计算。

Description

一种三维激光全景的铁路线路调绘方法

技术领域

本发明属于既有线铁路勘测技术领域，尤其针对通过三维激光扫描移动测量获取的三维激光全景进行铁路线路调绘，实现铁路既有线勘测中的线路及其设施状况调查。

背景技术

为了应对铁路铁路提速和提升运力需求，对既有线进行技术改造或新增二线是当前铁路建设的重点。对既有线进行技术改造需要建立在对铁路现状充分了解基础上，如何快速、高效、安全的对铁路既有线进行调绘勘测，对于既有线技术改造的规划、设计、建设以及运营十分重要。传统的既有线调绘勘测以人工携带各种调绘、勘测设备，上道调绘为主，对运营干扰大，且安全性低，既有线调绘勘测的效率不高。同时受制于上线人员的技术水平和责任心，调绘成果存在错漏，核查成本高，影响着铁路既有线技术改造的精准性。

三维激光移动扫描可以快速获取铁轨高密度、高精度的三维点云坐标数据和连续的360度全景影像数据，为铁路既有线调绘勘测提供了一种高效率、安全、准确的测量手段。但是，三维激光扫描移动获取的三维点云缺是一个个坐标点，缺乏直观可视的线路及设施类别、属性等信息，360度全景影像可以清晰看出线路及设施类别，但又无法提供坐标及几何尺寸信息，如何结合高精度的三维激光点云数据和高清晰可视化的360度全景影像数据进行铁路既有线调绘勘测，是既有线技术改造、运营管理亟待解决的问题和难点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种三维激光全景的铁路线路调绘方法，以将带坐标的三维激光点云数据和带属性的360度全景影像数据相结合，充分发挥两种数据的特点和优势，实现铁路既有线线路及设施调查与测绘，为三维激光扫描移动测绘在铁路既有线路技术改造、资产调查和信息化运营管理提供技术支撑。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下；

本发明的一种三维激光全景的铁路线路调绘方法，包括以下步骤：

1)、铁路三维激光移动扫描，采用三维激光移动扫描***获取铁路线路及设施高密度的三维激光点云数据和高清晰360度全景影像数据，通过差分GPS/IMU融合处理，得到三维激光移动扫描***运行轨迹和姿态；分别将轨迹姿态数据与激光扫描数据、全景影像数据进行地理参考处理，得到铁路线路及设施三维激光点云数据、每一个全景站点准确的位置和姿态，为构建三维激光全景数据模型提供数据支撑；

2)、激光点云和全景影像融合，根据每一个全景站点的位置和姿态，根据全景影像测量模型，建立三维激光点云与全景影像像素坐标之间的映射关系，构建三维激光全景数据模型，该步骤按如下顺序进行：

2.1、对全景相机和GPS/IMU进行***标定，得到全景相机相对于GPS/IMU的坐标偏移和姿态变换矩阵

2.2、建立全景影像球面坐标与大地坐标之间转换模型，如式(1)：

式中，r_i ^m为球面全景影像上任意一点(u,v)对应的大地坐标，为全景影像对应时刻的GPS/IMU输出的载体轨迹坐标，为为全景影像对应时刻的GPS/IMU输出的载体姿态，r_p为目标相对于全景相机的光线方向，d为全景影像的行数，λ为成像比例尺；

2.3、遍历全景影像中每一个点，按照式(1)计算其在大地坐标系中的坐标，实现全景影像与三维激光点云配准；

2.4、重复步骤2.2-2.3，建立三维激光点云与全景球面坐标之间的映射关系，如式(2)：

以此构建三维激光全景数据；

3)、全景影像可视化浏览，根据全景影像球面模型特点，构建全景影像球面可视化浏览框架，该步骤按如下顺序进行：

3.1、根据墨卡托投影，建立三维球面、球面纹理和二维全景平面之间的转换关系，如式(3)、式(4)：

式中，x,y,z为三维球面坐标，u,v为球面纹理坐标，row、col为全景平面坐标；

3.2、将360度全景影像进行网格划分；

3.3、将每一个网格影像块根据墨卡托投影转换成球面纹理影像；

3.4、根据OpenGL ES的纹理映射机制，将每一块全景影像渲染显示在三维球面上；

3.5、在三维全景球面上进行全景操作；

4)、全景影像上线路及设施识别，以全景影像可视化浏览***为平台，通过目视交互判绘的方式，获取线路及设施的类别、属性信息以及在全景影像球面纹理坐标；

5)、线路及设施大地坐标计算，根据三维激光全景模型，将调绘的线路及设施球面纹理坐标转换成大地坐标，完成线路及设施的几何和属性信息的全面调绘与勘测。

本发明的有益效果体现于如下几个方面：

提出了三维激光全景数据模型及其构建的一般流程，为利用三维激光扫描移动测量***用于铁路既有线调绘、勘测、资产管理和运营信息化提供了一种直观、简便、有效的方法；

利用带坐标的三维激光点云与丰富纹理的高清全景影像数据恢复可测量、可定位的三维全息可视化铁路现场，充分利用三维激光点云直接高精度测量优势和360度全景影像真实、可视化优势，提高既有线勘测与调绘的准确性、完整性；

拓展了三维激光扫描移动扫描进行铁路线路勘测方法，同时适用于机载、车载和背负式三维激光扫描铁路勘测，也适合于铁路GIS、铁路资产管理、铁路应急调度与指挥等；

采用本发明可高效、准确的进行铁路既有线调查，获取既有线轨道、附属设施及跨线设施信息，提高了铁路既有线调绘的准确度和安全性，降低了劳动强度，提升了既有线调绘勘测效率，且简单直观、实施方便。

附图说明

图1为本发明一种三维激光全景的铁路线路调绘方法的流程图。

图2为本发明一种三维激光全景的铁路线路调绘方法中全景影像三维球面模型和二维平面模型的对应关系示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

参照图1，本发明一种三维激光全景的铁路线路调绘方法，包括以下步骤：

1)、铁路三维激光移动扫描，采用三维激光移动扫描***获取铁路线路及设施高密度的三维激光点云数据和高清晰360度全景影像数据，通过差分GPS/IMU融合处理，得到三维激光移动扫描***运行轨迹和姿态；分别将轨迹姿态数据与激光扫描数据、全景影像数据进行地理参考处理，得到铁路线路及设施三维激光点云数据、每一个全景站点准确的位置和姿态，为构建三维激光全景数据模型提供数据支撑。

铁路三维激光移动扫描过程使用到的特征指标有：流动站GPS采样间隔设置不低于1Hz；基站GPS采样间隔设置不低于5Hz。

2)、激光点云和全景影像融合，根据每一个全景站点的位置和姿态，根据全景影像测量模型，建立三维激光点云与全景影像像素坐标之间的映射关系，构建三维激光全景数据模型。该步骤按如下顺序进行：

2.1、对全景相机和GPS/IMU进行***标定，得到全景相机相对于GPS/IMU的坐标偏移和姿态变换矩阵

2.2、建立全景影像球面坐标与大地坐标之间转换模型，如式(1)：

式中，r_i ^m为球面全景影像上任意一点(u,v)对应的大地坐标，为全景影像对应时刻的GPS/IMU输出的载体轨迹坐标，为为全景影像对应时刻的GPS/IMU输出的载体姿态，r_p为目标相对于全景相机的X线方向，d为全景影像的行数，λ为成像比例尺；

2.3、遍历全景影像中每一个点，按照式(1)计算其在大地坐标系中的坐标，实现全景影像与三维激光点云配准；

2.4、重复步骤2.2-2.3，建立三维激光点云与全景球面坐标之间的映射关系，如式(2)：以此构建三维激光全景数据。

以此构建三维激光全景数据。

3)、全景影像可视化浏览，根据全景影像球面模型特点，构建全景影像球面可视化浏览框架。该步骤按如下顺序进行：

3.1、根据墨卡托投影，建立三维球面、球面纹理和二维全景平面之间的转换关系，如式(3)、式(4)：

式中，x,y,z为三维球面坐标，u,v为球面纹理坐标，row、col为全景平面坐标；

3.2、将360度全景影像进行网格划分；

3.3、将每一个网格影像块根据墨卡托投影转换成球面纹理影像。

3.4、根据OpenGL ES的纹理映射机制，将每一块全景影像渲染显示在三维球面上；

3.5、在三维全景球面上进行全景操作。

实例中，对全景影像要进行网格划分，考虑显示浏览的效率，全景影像划分网格大小取128×128和256×256两种大小。对球面全景影像的显示直接采样OpenGL ES的纹理渲染方法。

4)、全景影像上线路及设施识别，以全景影像可视化浏览***为平台，通过目视交互判绘的方式，获取线路及设施的类别、属性信息以及在全景影像球面纹理坐标。该步骤4按如下顺序进行：

4.1、根据地图或者里程查询定位到某一帧全景影像；

4.2、在全景影像上转换不同视角，进行缩放、漫游浏览、全景前后帧步进等；

4.3、在全景浏览时，作业员根据铁路线路调绘技术要求与规范，目视识别线路及设施，录入其类别与属性信息；

4.4、自动记录线路及设施的全景球面纹理坐标；

4.5、重复步骤4.1～4.4，识别提取所有线路及设施，完成线路全景影像判绘。

5)、线路及设施大地坐标计算，根据三维激光全景模型，将调绘的线路及设施球面纹理坐标转换成大地坐标，完成线路及设施的几何和属性信息的全面调绘与勘测。该步骤按如下顺序进行：

5.1、遍历判绘的线路及设施，得到其球面纹理坐标；

5.2、根据球面纹理坐标按照式(1)、式(2)计算其二维全景平面坐标；

5.3、根据二维全景平面坐标，根据全景与三维点云配准关系，如式(1)，计算其对应的大地坐标；

5.4、根据式(2)查询大地坐标在三维激光点云中的邻域，平差计算其大地坐标；

5.5、重复步骤5.1～5.4，计算全部线路及设施的大地坐标。

所述的步骤5中，线路及设施大地坐标计算，该步骤根据三维激光全景模型，将调绘的线路及设施球面纹理坐标转换成大地坐标。根据式(2)查询大地坐标在三维激光点云中的邻域，平差计算其大地坐标。实例中，三维激光点云邻域按照半径为3倍点云分辨率的半径来取激光点云，采取求质心的方式计算其邻域内所有点的质心坐标，以此作为其对应的大地坐标，提高线路及设施坐标精度。

以上所述只是用图解说明本发明的一些原理，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体实施方式内，故凡是所有可能被利用的相应修改，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims (4)

1.一种三维激光全景的铁路线路调绘方法，包括以下步骤：

1)、铁路三维激光移动扫描，采用三维激光移动扫描***获取铁路线路及设施高密度的三维激光点云数据和高清晰360度全景影像数据，通过差分GPS/IMU融合处理，得到三维激光移动扫描***运行轨迹和姿态；分别将轨迹姿态数据与激光扫描数据、全景影像数据进行地理参考处理，得到铁路线路及设施三维激光点云数据、每一个全景站点准确的位置和姿态，为构建三维激光全景数据模型提供数据支撑；

2)、激光点云和全景影像融合，根据每一个全景站点的位置和姿态，根据全景影像测量模型，建立三维激光点云与全景影像像素坐标之间的映射关系，构建三维激光全景数据模型，该步骤按如下顺序进行：

2.1、对全景相机和GPS/IMU进行***标定，得到全景相机相对于GPS/IMU的坐标偏移和姿态变换矩阵

2.2、建立全景影像球面坐标与大地坐标之间转换模型，如式(1)：

式中，r_i ^m为球面全景影像上任意一点(u,v)对应的大地坐标，为全景影像对应时刻的GPS/IMU输出的载体轨迹坐标，为为全景影像对应时刻的GPS/IMU输出的载体姿态，r_p为目标相对于全景相机的光线方向，d为全景影像的行数，λ为成像比例尺；

2.3、遍历全景影像中每一个点，按照式(1)计算其在大地坐标系中的坐标，实现全景影像与三维激光点云配准；

2.4、重复步骤2.2-2.3，建立三维激光点云与全景球面坐标之间的映射关系，如式(2)：

以此构建三维激光全景数据；

3)、全景影像可视化浏览，根据全景影像球面模型特点，构建全景影像球面可视化浏览框架，该步骤按如下顺序进行：

3.1、根据墨卡托投影，建立三维球面、球面纹理和二维全景平面之间的转换关系，如式(3)、式(4)：

式中，x,y,z为三维球面坐标，u,v为球面纹理坐标，row、col为全景平面坐标；

3.2、将360度全景影像进行网格划分；

3.3、将每一个网格影像块根据墨卡托投影转换成球面纹理影像；

3.4、根据OpenGL ES的纹理映射机制，将每一块全景影像渲染显示在三维球面上；

3.5、在三维全景球面上进行全景操作；

4)、全景影像上线路及设施识别，以全景影像可视化浏览***为平台，通过目视交互判绘的方式，获取线路及设施的类别、属性信息以及在全景影像球面纹理坐标；

5)、线路及设施大地坐标计算，根据三维激光全景模型，将调绘的线路及设施球面纹理坐标转换成大地坐标，完成线路及设施的几何和属性信息的全面调绘与勘测。

2.如权利要求1所述一种三维激光全景的铁路线路调绘方法，其特征是：所述的步骤1)中，铁路三维激光移动扫描过程使用到的特征指标有：流动站GPS采样间隔设置不低于1Hz；基站GPS采样间隔设置不低于5Hz。

3.如权利要求1所述一种三维激光全景的铁路线路调绘方法，其特征在于：所述步骤4)按如下顺序进行：

4.1、根据地图或者里程查询定位到某一帧全景影像；

4.2、在全景影像上转换不同视角，进行缩放、漫游浏览、全景前后帧步进；

4.3、在全景浏览时，作业员根据铁路线路调绘技术要求与规范，目视识别线路及设施，录入其类别与属性信息；

4.4、自动记录线路及设施的全景球面纹理坐标；

4.5、重复步骤4.1～4.4，识别提取所有线路及设施，完成线路全景影像判绘。

4.如权利要求1所述的一种三维激光全景的铁路线路调绘方法，其特征是：所述步骤5)按如下顺序进行：

5.1、遍历判绘的线路及设施，得到其球面纹理坐标；

5.2、根据球面纹理坐标按照式(1)、式(2)计算其二维全景平面坐标；

5.3、根据二维全景平面坐标，根据全景与三维点云配准关系，如式(1)，计算其对应的大地坐标；

5.4、根据式(2)查询大地坐标在三维激光点云中的邻域，平差计算其大地坐标；

5.5、重复步骤5.1～5.4，计算全部线路及设施。