Способ построения трехмерной модели местности вдоль полотна железнодорожного пути Российский патент 2020 года по МПК G01C11/02 

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики для регистрации профиля железнодорожного пути в целях проведения мониторинга и диагностики участков железнодорожного пути, проектно-изыскательских и других видов работ. Заявленный в изобретении способ позволяет сформировать цифровую модель земной поверхности и расположенных на ней объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта вдоль полотна железнодорожного пути посредством совместного проведения аэрофотосъемки и лазерного сканирования местности с помощью летательного аппарата.

Основное применение данного способа рассчитано на оперативный мониторинг участка железнодорожного пути и объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта в целях определения негабаритных объектов железнодорожной инфраструктуры, а также для своевременного выявления деформаций балластной призмы и основной площадки земляного полотна. Способ также может применяться для решения других общеизвестных задач по топографии.

Известен способ контроля состояния железнодорожного пути [1], в котором на основе использования базы данных реперной системы и данных с вагона-путеизмерителя или путеизмерительного устройства выправочной машины получают цифровую модель верхнего строения железнодорожного пути. Однако указанный способ не позволяет получить цифровую форму нижнего строения железнодорожного пути, состоящего из земляного полотна и балластной призмы.

Известен также способ формирования цифровой модели местности при помощи модернизированной бортовой системы управления аэрофотосъемкой, используемой для мониторинга сетей газопровода и его инфраструктуры посредством пилотируемых воздушных судов [2]. В состав системы входят два аэрофотоаппарата, оптические оси которых расположены так, чтобы обеспечить одновременное получение изображений двух маршрутов с поперечным перекрытием между собой в 30%. На основе полученных с аэрофотоаппаратов изображений двух маршрутов и данных о трехмерных координатах центров фотографирования, полученных от навигационной системы воздушного судна, осуществляют построение высокоточного ортофотоплана местности в местах пролегания сетей газопровода и его окружения. К недостатку данного способа можно отнести малую площадь на поверхности местности, ограниченную областью взаимного перекрытия полей зрения аэрофотокамер, которая доступна для построения цифровой модели местности. К тому же данный способ предусматривает использование двух аэрофотокамер, что приводит к увеличению габаритов и стоимости системы.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ построения карты экзогенных геологических процессов, протекающих на местности вдоль трассы пролегания магистрального нефтепровода [3]. В указанном способе по данным цифровой аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования местности вдоль трассы магистрального нефтепровода с борта воздушного судна, а также по данным от наземной навигационной системы, формируют цифровую модель рельефа и карту уклонов местности.

Недостатком существующего технического решения является возрастание погрешности определения координат пилотажно-навигационного комплекса системы по мере его удаления от места расположения наземных станций ГНСС.

Задачей изобретения является повышение точности координатных измерений точек на поверхности полотна железнодорожного пути и прилегающей местности. Техническим результатом изобретения является цифровая модель местности и объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта вдоль полотна железнодорожного пути, обладающая более высокими точностными характеристиками и обеспечивающая возможность проведения диагностики нижнего строения железнодорожного пути для выявления опасных деформаций основной площадки земляного полотна и балластной призмы железной дороги.

Указанная задача решается, а технический результат достигается благодаря тому, что в способе построения трехмерной модели местности вдоль полотна железнодорожного пути проводят одновременно плановую аэрофотосъемку и воздушное лазерное сканирование местности с применением летательного аппарата (ЛА) для получения цифровых аэрофотоснимков (АФС) и массива точек лазерных отражений местности вдоль полотна железнодорожного пути, при этом полученные АФС разбивают по парам, подлежащих взаимному ориентированию, с образованием стереопар, распознают на них рельсовую колею и определяют расстояния между рельсовыми нитями, по которым вычисляют масштаб изображения местности на АФС, после этого путем наложения цифровых маркеров на АФС каждой стереопары выполняют взаимное ориентирование АФС с определением элементов их внешнего ориентирования, которые используют для коррекции значений трехмерных координат массива точек лазерных отражений местности и определения координат этих точек на цифровых АФС, по скорректированным значениям трехмерных координат точек на местности, значениям двухмерных координат этих точек на АФС, а также значениям масштаба изображений местности на АФС формируют трехмерную модель местности.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:

фиг. 1 – блок-схема способа формирования трехмерной модели местности вдоль полотна железнодорожного пути;

фиг. 2 – принципиальная схема определения координат точек на местности вдоль полотна железнодорожного пути;

фиг. 3 – комбинация цифровых маркеров в виде прямоугольной матрицы на изображении;

фиг. 4 – принципиальная схема лазерного сканирования местности в процессе аэрофотосъемки;

фиг. 5 – принципиальная схема интерполяции координат точек полученных по результатам лазерного сканирования местности;

фиг. 6 – трехмерная модель местности вдоль полотна железнодорожного пути сформированная по результатам проведения аэрофотосъемки и лазерного сканирования местности.

Заявленный способ построения трехмерной модели местности вдоль полотна железнодорожного пути осуществляют следующим образом.

Для построения трехмерной модели местности 5 с требуемым разрешением вдоль рельсовой колеи 9 проводят плановую аэрофотосъемку 1 на определенной высоте, учитывая технические характеристики используемой аэрофотокамеры 6 (АФК) и воздушного лазерного сканера 7 (ВЛС). Изображение в АФК формируется путем проецирования участка местности 10, попадающего в поле ее зрения на плоскость снимка аэрофотокамеры 8.

АФК и ВЛС крепятся к гиростабилизирующей установке, вдоль линии, определяющей направление полета ЛА. АФК устанавливают на ЛА для проведения плановой аэрофотосъемки таким образом, чтобы ее главная оптическая ось приняла вертикальное положение.

В процессе проведения аэрофотосъемки 1 соблюдают требуемое взаимное перекрытие между каждыми двумя последовательно сделанными АФС. Несоблюдение значений перекрытий может привести к разрывам в формируемой трехмерной модели местности. Перекрытие обеспечивается подбором соответствующей скорости полета ЛА на заданной высоте и частоты фотографирования. Это позволяет скомпенсировать возможное воздействие порывов ветра на ЛА и особенности рельефа местности, а также решить фотограмметрические задачи, связанные с выполнением взаимного ориентирования и определением элементов их внешнего ориентирования 4.

Цифровая обработка аэрофотоснимков 3 осуществляется следующим образом.

На изображении АФС выделяется множество пикселей $${\rm H}\subset {\rm I}$$, принадлежащих рельсовым нитям, цветовые компоненты, которого $$\left[{{\rm H}}_R,{{\rm H}}_G,{{\rm H}}_B\right]$$ ограничены минимальными и максимальными значениями в занимаемой части пространства RGB:

$$\begin{array}{c}{r}_{\min }\le {{\rm H}}_R\le r_{\max }\\ g_{\min }\le {{\rm H}}_G\le g_{\max }\\ b_{\min }\le {{\rm H}}_B\le b_{\max }\end{array}$$ (1)

Учитывая однородность цвета рельсовых нитей, в качестве средних значений компонентов цвета принимаются медианы:

$$\begin{array}{c}{\overline{{\rm H}}}_R=\frac{r_{\max }-r_{\min }}{2}\\ {\overline{{\rm H}}}_G=\frac{g_{\max }-g_{\min }}{2}\\ {\overline{{\rm H}}}_B=\frac{b_{\max }-b_{\min }}{2}\end{array}$$ (2)

Граничные значения компонентов цвета, определяющие диапазон изменения цвета рельсовых нитей, могут варьировать в широких пределах в зависимости от конкретных условий проведения аэрофотосъемки: уровень освещенности, ракурс и высота аэрофотосъемки.

Поскольку в формировании цвета участвуют три компоненты цвета, вводится функция, определяющая дисперсию компонентов цвета пикселя на изображении АФС относительно средних значений компонентов цвета рельсовых нитей:

$$f\left(x,y\right)=\sqrt{\frac{{\left({\overline{{\rm H}}}_R-C_R\left(x,y\right)\right)}^2+{\left({\overline{{\rm H}}}_G-C_G\left(x,y\right)\right)}^2+{\left({\overline{{\rm H}}}_B-C_B\left(x,y\right)\right)}^2}{3}}$$ (3)

Установив для функции некоторое пороговое значение k, характеризующее допустимое отклонение значений компонентов цвета рельсовых нитей от среднего, можно обнаружить их на изображении, применив следующее условие:

$$\overrightarrow{c}\left(\text{x},\text{y}\right)\in {\rm H}:f\left(x,y\right)\le k|k\in ℝ$$ (4)

Минимальные значения, которые принимает функция $$f\left(x,y\right)$$ в каждой строке y на изображении, указывают на наличие рельсовых нитей. Аппроксимируя множество пикселей H по известным в математике формулам, определяется расстояние q между рельсовыми нитями на изображении. Затем вычисляется коэффициент масштабирования изображения местности на АФС для приведения его к единому масштабу:

$$m=\frac{f\cdot Q}{h\cdot q\cdot pix}$$ , (5)

где h – требуемая высота аэрофотосъемки;

q – расстояние между рельсовыми нитями на изображении в пикселях;

Q – нормированное расстояние между рельсовыми нитями;

pix – физический размер пикселя на изображении.

Далее изображения на АФС масштабируется по известному в математике методу билинейной интерполяции.

После масштабирования все АФС разбиваются на стереопары, образованные двумя последовательно сделанными АФС с требуемым перекрытием, которые затем взаимно ориентируются. Для этого изображения стереопары, длиной N_x и шириной N_y пикселей, представляется в виде множества пикселей:

, (6)

где (х, у) – координаты пикселя на изображении;

$$\overrightarrow{с}\left(x,y\right)$$ – произвольный вектор в цветовом пространстве RGB, состоящий из трех компонентов цвета $$C_R,C_G,C_B$$, которые также могут быть представлены в виде множеств натуральных чисел, определяющих 256 градаций цвета:

$$\overrightarrow{с}\left(x,y\right)=\left[\begin{array}{c}{C}_R\left(x,y\right)\\ C_G\left(x,y\right)\\ C_B\left(x,y\right)\end{array}\right]$$ , (7)

где $$\forall n\in C_R\vee C_G\vee C_B:n<256| n\in \mathbb{N}$$.

На изображение накладывается комбинация маркеров, равномерно распределенных по кадру в форме прямоугольной матрицы с шагом кратным длине и ширине изображения:

$$\begin{array}{l}dx=\frac{N_x}{k}\\ dy=\frac{N_y}{k}\end{array}$$ , (8)

где – кратность размеру изображения.

Таким образом, в каждой строке и столбце прямоугольной матрицы будет содержаться $$k-1$$ маркеров. Тогда векторную функцию суммарных значений компонентов цвета по области, ограничивающей множество пикселей, обозначенных маркерами на первом изображении, можно задать выражением:

, (9)

где $$k_x,k_y$$ – позиция маркера в строке и столбце прямоугольной матрицы, соответственно.

Для каждой области изображения, на которую попадает маркер, рассчитывается векторная функция, определяющая суммарные значения компонентов цвета по области. На втором изображении задается смещение (∆х, ∆y) и определяется расстояние по осям X и Y от каждого из маркеров до центра изображения:

$$\begin{array}{l}L\left(k_x,\Delta x\right)=k_x\cdot dx-x_0+\Delta x\\ L\left(k_y,\Delta y\right)=k_y\cdot dy-y_0+\Delta y\end{array}$$ (10)

Задав угол поворота ∆ψ изображений, относительно друг друга, на втором изображении определяют суммарные значения множества пикселей по окрестностям, обозначенных маркерами:

, (11)

где X, Y вычисляются из выражений:

$$\begin{array}{l}X=Целое\left(x_0+\sqrt{L^2\left(k_x,\Delta x\right)+L^2\left(k_y,\Delta y\right)}\cdot \cos \left(\arctan \left(\frac{L\left(k_y,\Delta y\right)}{L\left(k_x,\Delta x\right)}\right)+\Delta \psi \right)\right)\\ Y=Целое\left(y_0+\sqrt{L^2\left(k_x,\Delta x\right)+L^2\left(k_y,\Delta y\right)}\cdot \sin \left(\arctan \left(\frac{L\left(k_y,\Delta y\right)}{L\left(k_x,\Delta x\right)}\right)+\Delta \psi \right)\right)\end{array}$$ (12)

В зависимости от величины смещения маркеров и угла поворота одного изображения относительно другого, определяются значения целевой функции, выраженные через сумму квадратов отклонений в значениях векторных функций:

$$\delta (\Delta x,\Delta y,\Delta \psi )={\displaystyle \sum _{k_y=1}^{k-1}{\displaystyle \sum _{k_x=1}^{k-1}{\left[{\overrightarrow{s}}_1\left(k_x,k_y\right)-{\overrightarrow{s}}_2(k_x,k_y,\Delta x,\Delta y,\Delta \psi )\right]}^2}}\to \min$$ (13)

Относительная величина смещения и угол поворота определяются значениями аргументов целевой функции, при которых она принимает минимальное значение, не превышающее установленного порогового коэффициента. По аргументам функции $$\delta (\Delta x,\Delta y,\Delta \psi )$$ определяют перемещение точки съемки 12 за период времени между моментами фотографирования $$\left(t_{\epsilon },t{}_{\epsilon +1}\right)$$, используя следующее выражение:

$$\begin{array}{l}\Delta X=\frac{h\Delta x}{f}\\ \Delta Y=\frac{h\Delta y}{f}\\ \Delta Z=\frac{f\cdot Q\cdot \left(q_2-q_1\right)}{q_1\cdot q_2\cdot pix}\end{array}$$ , (14)

где q₁,q₂ – расстояния между рельсовыми нитями на изображениях стереопары.

По сумме этих перемещений определяют элементы внешнего ориентирования аэрофотоснимков 4 – координаты точки съемки и угол поворота снимка в трехмерной декартовой системе координат модели местности. За начало координат принимаются координаты первой точки съемки на заданной высоте h. Координаты последующих точек съемки$$\left(P{x}_{\epsilon },P{y}_{\epsilon },P{z}_{\epsilon }\right)$$, полученных в следующей последовательности $$\left\{\mathrm{1,...,}\epsilon \mathrm{,...}\right\}$$, вычисляются из выражения:

$$\begin{array}{l}P{x}_{\epsilon }={\displaystyle \sum _{i=1}^{\epsilon }\Delta Y_i}\\ P{y}_{\epsilon }={\displaystyle \sum _{i=1}^{\epsilon }\Delta Y_i}\\ P{z}_{\epsilon }=\frac{Q\cdot f}{q_{\epsilon }\cdot pix}\end{array}$$ (15)

Угол поворота j-го АФС в системе координат модели местности определяется из выражения:

$${\Psi }_{\epsilon }={\displaystyle \sum _{i=1}^{\epsilon }\Delta {\Psi }_i}$$ (16)

Затем, по данным воздушного лазерного сканирования местности 2, определяются координаты зафиксированных точек на местности в прямоугольной трехмерной системе координат, создаваемой модели. Это осуществляется следующим образом.

Подсистема развертки ВЛС формирует лазерные лучи с постоянным угловым шагом dφ. Линия развертки 11 образуется множеством лучей, количество n из которых окажется в поле зрения объектива АФК 10. Угловое положение ВЛС задается так, чтобы его центральный лазерный луч был направлен параллельно главной оптической оси АФК, а линия развертки ВЛС была перпендикулярна направлению полета ЛА. Тогда угол наклона лазерного луча i, фиксирующего некоторую точку A на местности, можно найти из выражения:

$${\phi }_i=\frac{n-2i+1}{2}\cdot d\phi$$ (17)

Положение этой точки в системе координат АФК определяются выражениями:

$$\begin{array}{l}{X}_A=l_A\cdot m\cdot sin{\phi }_i;\\ Y_A=b;\\ Z_A=l_A\cdot m\cdot \cos {\phi }_i\end{array}$$ (18)

где l_a – расстояние до точки A , измеренное ВЛС.

Для преобразования координат точки A, зафиксированной из точки съемки $$\left(P{x}_{\epsilon },P{y}_{\epsilon }\right)$$, в систему координат трехмерной модели местности используются следующие выражения:

$$\begin{array}{l}{X^{\prime }}_A=P{х}_e+X_A\cos {\psi }_e-Y_A\sin {\psi }_e\\ {Y^{\prime }}_A=P{y}_e+Y_A\cos {\psi }_e+X_A\sin {\psi }_e\\ {Z^{\prime }}_A=h-Z_A\end{array}$$ (19)

При построении модели местности необходимо учитывать, что в процессе проведения аэрофотосъемки ЛА отклоняется от заданной траектории полета. Также необходимо учитывать, что ВЛС выполняет сканирование местности с некоторой задержкой, характеризующейся частотой формирования линий развертки. Если частота фотографирования АФК меньше частоты формирования линий развертки, то за время получения двух снимков формируется некоторое множество линий развертки. Чтобы в формируемой трехмерной модели местности не возникало разрывов необходимо выполнить интерполяцию по области сканирования. Для этого частота фотографирования АФК подбирается так, чтобы отношение частоты сканирования ВЛС к частоте фотографирования выражалось натуральным числом:

, (20)

При этом момент фотографирования должен быть синхронизирован по времени с формированием линии развертки. Коэффициент для расчета положения ЛА в момент формирования линии развертки $$j$$ относительно его положения в момент времени фотографирования $$t_{\epsilon }$$ определяется выражением:

$$k_j=\frac{j{\nu }_{ф}}{{\nu }_c}$$ (21)

Тогда выражения (19) для определения координат точек в промежуточных линиях развертки, сформированных ВЛС за интервал времени между моментами фотографирования $$\left(t_{\epsilon },t{}_{\epsilon +1}\right)$$, примут следующий вид:

$$\begin{array}{l}{X^{\prime }}_i=P{x}_{\epsilon }+k_j\Delta X+X_i\cos \left({\psi }_{\epsilon }+k_j\Delta \psi \right)-Y_i\sin \left({\psi }_{\epsilon }+k_j\Delta \psi \right)\\ {Y^{\prime }}_i=P{y}_{\epsilon }+k_j\Delta Y+Y_i\cos \left({\psi }_{\epsilon }+k_j\Delta \psi \right)+X_i\sin \left({\psi }_{\epsilon }+k_j\Delta \psi \right)\\ {Z^{\prime }}_i=h+k_j\Delta Z-Z_i\end{array}$$ (22)

Линии развертки ВЛС помещаются в декартовую систему координат съемочного участка. После этого на них накладывается координатная сетка. Размер ячеек сетки задается исходя из требуемого разрешения формируемой модели. В результате пересечений линий развертки ВЛС с вертикальными прямыми, проходящими через крайние точки в этих линиях, образуются замкнутые области 13 ограниченные съемочным участком 14. Выполняя интерпелляцию по этим областям, образуется облако точек, представляющее собой точечную модель местности. На облако точек, накладываются АФС, полученные в процессе проведения аэрофотосъемки и тем самым формируется трехмерная модель местности вдоль рельсовой колеи.

Источники информации

1. Патент РФ № 2628541, МПК G01C 5/00, на изобретение «Способ контроля состояния железнодорожного пути».

2. Патент РФ № 2646539, МПК G01C11/00, на изобретение «Модернизированная бортовая система управления аэрофотосъемкой для пилотируемых воздушных судов (МБСУ АФС)».

3. Патент РФ № 2591875, МПК G01C11/00, на изобретение «Способ построения карты экзогенных геологических процессов местности вдоль трассы магистрального нефтепровода».

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики для регистрации профиля железнодорожного пути в целях определения негабаритных объектов железнодорожной инфраструктуры, а также для своевременного выявления деформаций балластной призмы и основной площадки земляного полотна. Для реализации способа проводят одновременно плановую аэрофотосъемку и воздушное лазерное сканирование местности с применением летательного аппарата. Получают цифровые аэрофотоснимки (АФС) и массив точек лазерных отражений местности вдоль полотна железнодорожного пути. Полученные АФС разбивают по парам, подлежащим взаимному ориентированию, с образованием стереопар. На стереопарах распознают рельсовую колею и определяют расстояния между рельсовыми нитями, по которым вычисляется масштаб изображения местности на АФС. Путем наложения цифровых маркеров на АФС каждой стереопары выполняют взаимное ориентирование АФС с определением элементов их внешнего ориентирования. Значения элементов внешнего ориентирования используют для коррекции значений координат массива точек лазерных отражений местности и определения координат этих точек на цифровых АФС. По скорректированным значениям трехмерных координат точек на местности, значениям двухмерных координат этих точек на АФС, а также значениям масштаба изображений местности на АФС формируют трехмерную модель местности.  Технический результат - повышение точности характеристик измерений и обеспечение возможности проведения диагностики нижнего строения железнодорожного пути для выявления опасных деформаций основной площадки земляного полотна и балластной призмы железной дороги. 6 ил.

Способ построения трехмерной модели местности вдоль полотна железнодорожного пути, отличающийся тем, что проводят одновременно плановую аэрофотосъемку и воздушное лазерное сканирование местности с применением летательного аппарата для получения цифровых аэрофотоснимков (АФС) и массива точек лазерных отражений местности вдоль полотна железнодорожного пути, при этом полученные АФС разбивают по парам, подлежащим взаимному ориентированию, с образованием стереопар, распознают на них рельсовую колею и определяют расстояния между рельсовыми нитями, по которым вычисляют масштаб изображения местности на АФС, после этого путем наложения цифровых маркеров на АФС каждой стереопары выполняют взаимное ориентирование АФС с определением элементов их внешнего ориентирования, которые используют для коррекции значений трехмерных координат массива точек лазерных отражений местности и определения координат этих точек на цифровых АФС, по скорректированным значениям трехмерных координат точек на местности, значениям двухмерных координат этих точек на АФС, а также значениям масштаба изображений местности на АФС формируют трехмерную модель местности.