（道路与铁道工程专业论文）基于虚拟环境选线系统的航测选线方法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 铁路选线设计是一个集知识性、实践性于一体的多目标决策过程。该决策 过程受包括地形、地貌、地质、水文、土地利用及既有工程等庞大信息在内的 客观因素影响较大；同时，还必须顾及工程投资及工程使用期内全部运营费用 以及国家、地方有关用地规划、经济发展与国防政策等主观因素。选线设计过 程就是在综合考虑自然环境、社会环境和生态环境的前提下，在生成尽可能多 的线路比选方案中，根据建设铁路的主观需要，比选出( 最) 优或( 最) 满意 线路方案。 现状计算机辅助线路设计系统，在信息整合集成和高效管理利用上存在不 足，这源自于其并未真正意义上实现现代软、硬件系统集成服务于铁路选线设 计过程。特别是虚拟现实技术等高新技术暂未融入现状计算机辅助线路设计系 统中去，而不能为工作者提供一个三维可视化设计平台，并且在选线资料及时 获取和选线信息高效提取利用上，也面临效率不高的繁冗现象，从而不能为设 计人员提供一个理想设计境界。因此，本文基于虚拟环境选线系统的航测选线 方法研究，以成昆铁路线航摄资料为基础数据，通过数字摄影测量系统等设备 高效、快速、自动地获取高精度的选线资料，并在虚拟环境选线系统下实施了 三维可视化动态选线，这种以现代软、硬件工具为依托的全新设计模式，实现 了理想设计境界下的创造性选线设计。基于虚拟环境选线系统的航测选线方法 研究，从理论到实践的角度论证了这种崭新设计模式的实践性、合理性和科学 性。 论文主要研究内容及研究结果如下： 1 、集成应用现代软、硬件系统服务于铁路选线设计过程，探讨将航测选 线技术与虚拟环境选线系统相结合的现代航测选线技术应用模式。 2 、结合铁路选线系统以数字地形图辅助分析地形特征的需求，对数字摄 影测量系统功能进行了二次应用开发，以p r 0 6 0 0 符号库( 木r s c ) 为基础，建立 了满足选线系统所需的工程符号库和模型库，奠定了数字摄影测量系统获取选 线所需数字地形信息基础。 3 、针对选线系统对地形信息的需求和数字摄影测量处理地形信息的特点， 探讨了基于数字摄影测量系统直接获取高精度数字地形模型数据和j 下射影像 带状信息的方法，并统一了摄影测量系统输出信息与虚拟环境选线系统输入信 息的数据结构和数据存储模式，为逼真反映客观世界的数模建立和三维虚拟环 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 境的构建提供了地形信息基础。 4 、依据本文研究探讨的基于虚拟环境选线系统的航测选线设计应用模式， 以成昆铁路线航摄资料为基础数据，通过数字摄影测量系统和虚拟环境选线系 统等现代软、硬件工具的集成使用，完成了从航带规划，数字地形信息获取， 到基于影像环境选线等步骤的整个试验选线设计过程，验证了基于虚拟环境选 线系统的航测选线设计技术的可行性。 关键词：铁路选线设计；虚拟环境选线系统；航测选线；航空摄影测量； 数字摄影测量；虚拟现实 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t r a i l w a yl o c a t i o nd e s i g ni sam u l t i p h i e c t i v ed e c i s i o n m a k i n gp r o c e s st h a t c o n t a i n sk n o w l e d g ea n dp r a c t i c i t y n ed e c i s i o n m a k i n gp r o c e s si sg r e a t l ya f f e c t e d b yo b j e c t i v ef a c t o r sw h i c hi n c l u d et o p o g r a p h y ，g e o m o r p h o l o g y ，g e o l o g y ，h y d r o l o g y , l a n du s e ，e x i s t i n gp r o i e c ti n f o r i l l a t i o na n ds oo n a tt h es a m et i m e ，m u s ta l s ot a k i n g i n t oa c c o u n tt h ee n g i n e e r i n gi n v e s t m e n ta n da l le x p e n s e si np u b l i cw o r k sd u r i n gt h e u s eo fa l lo p e r a t i n g a sw e l la ss u b ie c t i v ef a c t o r ss u c ha sn a t i o n a la n dl p e a l r e l a t e d l a n d - u s ep l a n n i n g e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dn a t i o n a ld e f e n s ep o l i c y 1 n h el o c a t i o n d e s i g np r o c e s si sa c c o r d i n gt ot h es u b j e c t i v en e e d so ft h ec o n s t r u c t i o no fr a i l w a y s a n ds e l e c t i n gt h e ( m o s t ) e x c e l l e n to rt h e ( b e s t ) s a t i s f a c t i o nw i t ht h el i n ep r o g r a m f r o mg e n e r a t e da sm u c ha s p o s s i b l e s e l e c t i o nl i n e p r o g r a mb yi n t e g r a t e d c o n s i d e r i n gt h e n a t u r a le n v i r o n m e n t ，s o c i a le n v i r o n m e n ta n de c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t s t a t u s o fc o m p u t e r a i d e dl i n ed e s i g ns y s t e mh a sw e a k n e s sf o rl a c k i n go f i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o na n de f f i c i e n tm a n a g e m e n to fu t i l i z a t i o n ；t h i si sd e r i v e d f r o mi tn o tr e a l l ys e n s et h em o d e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m sj n t e g r a t i o n s e r v i c e st ot h ep r o c e s so fr a i l w a vl o c a t i o nd e s i g n i np a r t i c u l a r ，h i g h t e c hv i r t u a l r e a l i t yt e c h n o l o g yh a sb e e nn o tg o n ei n t ot h es t a t u so fc o m p u t e r - a i d e dl i n ed e s i g n s y s t e m ，b u tn o tf o rt h ew o r k e r sat h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a ld e s i g np l a t f o l t n ，a n d t i m e l ya c c e s st oi n f o r m a t i o ni nt h el i n es e l e c t i o na n dt h eu s eo fe f f i c i e n te x t r a c t i o n o fi n f o r m a t i o ni sa l s of a c e dw i t ht h ep h e n o m e n o no fi n e f f i c i e n tb u r d e n s o m e t h u s c a nn o tb ed e s i g n e dt op r o v i d ea l li d e a ld e s i g no fs t a t ef o rd e s i g n e r t h e r e f o r e ，t h e r e s e a r c ho fm e t h o df o rt h el o c a t i o no fa e r i a ls u r v e yb a s e do nl o c a t i o ns y s t e mo f v i r t u a le n v i r o n m e n ti nt h i sp a p e r t a k i n gt h ea e r i a ld a t ao fc h e n g k u nr a i l w a yl i n ef o r b a s i c i n f o r m a t i o n t h r o u 曲d i 酉t a lp h o t o g r a m m e t r ys y s t e me f f i c i e n t ，r a p i d ， a u t o m a t i ca c c e s st oh i g h p r e c i s i o ni n f o r m a t i o no fl o c a t i o n a n di m p l e m e n ta t h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o no ft h ed y n a m i cl o c a t i o ni nt h el o c a t i o ns y s t e mo f v i r t u a le n v i r o n m e n t ，t h i sk i n do fn e wd e s i g np a t t e r n sr e l y i n go nm o d e ms o f t w a r ea n d h a r d w a r et o o l sa c h i e v i n gt h ec r e a t i v ea l i g n m e n td e s i g nu n d e rt h ei d e a ld e s i g no fs t a t e t h er e s e a r c ho fm e t h o df o rt h el o c a t i o no fa e r i a ls u r v e yb a s e do nl o c a t i o ns y s t e mo f v i r t u a le n v i r o n m e n t ，f r o mt h ep e r s p e c t i v eo ft h e o r yt op r a c t i c ed e m o n s t r a t e st h i s n e wm o d e lo fd e s i g ni sp r a c t i c a l r a t i o n a la n ds c i e n t i t i c t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n dr e s u l t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 t h r o u g ht h ei n t e g r a t e da p p l i c a t i o no fm o d e ms o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e m s e r v i c e st ot h ep r o c e s so fr a i l w a yl o c a t i o nd e s i g n d i s c u s st h ea p p l i c a t i o nm o d eo f m o d e ma e r i a ls u r v e yl o c a t i o nt h a tc o m b i n e st h et e c h n i q u e so fl o c a t i o no fa e r i a l s u r v e ya n dl o c a t i o ns y s t e mo fv i r t u a le n v i r o n m e n t 2 c o m b i n a t i o nt h ed e m a n do ft h er a i l w a yl o c a t i o ns y s t e mt h a ta i d e da n a l y s i s t h et o p o g r a p h i c a lf e a t u r e sb yt o p o g r a p h i cm a p s ，h a v ed o n eas e c o n d a r ya p p l i c a t i o n d e v e l o p m e n tf o rf u n e t i o n so fd i g i t a lp h o t o g r a m m e t r ys y s t e m a n de s t a b l i s h t h e m o d e l l i b r a r ya n ds y m b o l l i b r a r vb a s e do np r 0 6 0 0s y m b o ll i b r a r yf 奉r s c ) w h i c hm e e tt h e n e c e s s a r y o fl o c a t i o n s y s t e m ；h a sl a i d t h ef o u n c a t i o nf o ro b t a i n i n g d i g i t a l t o p o g r a p h i c i n f o r m a t i o nn e e d e d b y l o c a t i o n t h r o u g hd i g i t a lp h o t o g r a m m e t r y s y s t e m 3 f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i g i t a lp h o t o g r a m m e t r yp r o c e s s i n gt o p o g r a p h i c 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 i n f o r m a t i o na n dn e e d so fl o c a t i o n s y s t e m f o r t o p o g r a p h i ci n f o r m a t i o n h a s d i s c u s s e dm e t h o d st h a tb a s e do nd i g i t a lp h o t o g r a m m e t r ys y s t e md i r e c ta c c e s st o h i 曲- p r e c i s i o nd i g i t a lt e r r a i nm o d e ld a t aa n db a n di n f o r m a t i o no fp h o t o g r a p h y a n d h a su n i f i e dd a t as t r u c t u r ea n dd a t as t o r a g em o d et h a to u t p u ti n f o r m a t i o no f p h o t o g r a p h i cm e a s u r e m e n ts y s t e ma n di n p u ti n f o r m a t i o no fl o c a t i o ns y s t e mo f v i r t u a le n v i r o n m e n t ，p r o v i d et h eb a s i so ft o p o g r a p h i ci n f o r m a t i o nf o rb u i l d i n g d i g i t a lm o d e lo fr e a l l y r e f l e c tt h e o b i e c t i v e r e a la n dc o n s t r u c t i o no f t h r e e d i m e n s i o n a lv i r t u a le n v i r o n m e n t 4 t h er e s e a r c ho fm e t h o df o rt h el o c a t i o no fa e r i a ls u r v e yb a s e do nl o c a t i o n s y s t e mo fv i r t u a le n v i r o n m e n tb a s e do ns t u d ya n de x p l o r eo ft h i sp a p e r ，a n dt ot h e b a s i ci n f o r m a t i o no fc h e n g d u k u n m i n gr a i l w a yl i n ea e r i a ld a t a h a sc o m p l e t e dt h e e n t i r ep r o c e s so fe x p e r i m e n tl o c a t i o nd e s i g nt h a tf r o mt h ea i rs t r i p sp l a n n i n g ，d i g i t a l t e r r a i ni n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n t ol o c a t i o nb a s e do ni m a g ee n v i r o n m e n ta n ds oo n h a st e s t e da n dv e r i f l e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h el o c a t i o nd e s i g nt e c h n o l o g yo fa e r i a l s u r v e yb a s e do nl o c a t i o ns y s t e mo fv i r t u a le n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：r a i l w a yl o c a t i o nd e s i g n ；l o c a t i o ns y s t e mo fv i r t u a le n v i r o n m e n t ； t h el o c a t i o no fa e r i a l s u r v e y ；a e r o p h o t o g r a m m e t r y ；d i g i t a lp h o t o g r a m m e t r y ； v i r t u a lr e a l i t y 西南交通大学四南父迥大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交 通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书 2 不保密舀适用本授权书 ( 请在以上方框内打“ ) ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位做储繇榻括杞精狮签名易聪 日期：砷年7 月哆日日期：砷年尹月乡日 西南交通大学四南父逋大罕 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含别人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得西南交通大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志和集体对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人 完全承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、通过集成数字摄影测量系统和虚拟环境选线系统，探讨了一 种基于虚拟环境系统的现代航测选线模式，证明了基于虚拟环境选线 系统的现代航测选线技术的可行性。 2 、对数字摄影测量系统的功能进行了二次应用开发，建立了选 线系统所需的符号库和模型库，为基于数字摄影测量系统获取选线所 需要的地形信息奠定了基础。 学位论文作者签名：才殇红井缸 签字日期：硼铲7 年7 月哆日 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 根据中国铁路中长期发展规划，到2 0 2 0 年，中国将建成1 6 万公里高速 客运专线( 铁道部中长期铁路网规划) 。当前国家实施拉动内需的经济政 策形势下，作为国家经济大动脉的高速铁路和城际铁路的建设任务非常艰巨， 这为铁路建设中的总体专业选线设计提出了具有时代性的要求。 选线设计是根据建设项目的功能需求，明确设计线路的政治、国防和经济 意义及其在路网中的地位和作用的情况下，结合线路所经地区社会环境、自然 环境和生态环境，从宏观着手，由面到带、由带到线，自顶向下、逐步求精， 终止于微观，最终确定线路技术标准和空间位置、协调布设各种建筑物的决策 过程。其基本任务包括1 ：根据国家政治、经济、国防的需要，结合线路所 经地区的自然条件、资源分布、工农业发展等情况，规划线路的基本走向，选 定主要技术标准；根据沿线的地质、地形、水文等自然条件和村镇、交通、 农田、水利设施等具体情况，设计线路的空间位置( 平面、立面) ，在保证行 车安全的前提下，力争提高线路质量、降低工程造价、节约运营支出；与其 他各专业共同研究，布置线路上各种建筑物，如车站、桥梁、隧道、涵洞、路 基、挡墙等，并确定其类型或大小，使其总体上互相配合，全局上经济合理， 为进一步单项设计提供依据。 选线设计过程就是在综合考虑社会环境、自然环境和生态环境的前提下， 生成尽可能多的线路比选方案；再根据建设铁路的主观需要，比选出( 最) 优 或( 最) 满意方案的集知识性、实践性于一体多目标决策过程。该决策过程受 包括地形、地貌、地质、水文、土地利用及既有工程等庞大信息在内的客观因 素影响较大；同时，还必须顾及工程投资及工程使用期内全部运营费用，以及 国家、地方有关用地规划、经济发展与国防政策等主观因素。这些因素从表现 形式上看，包括图形、图像、文字、表格等多种形式。面对如此庞大、多样的 资料，设计人员难以综合衡量各种因素，造成选线方案的优劣在很大程度上仍 然取决于设计人员的实践经验和知识水平。现状线路c a d 系统，虽然可以完成 线路平、纵、横设计计算，土石方计算和调配，纵、横断面图绘制等任务，在 一定程度上减少了设计者的重复劳动，提高了设计效率；但仍然是各独立模块 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 自封闭运行，t 系统功能主要表现在：完成选线设计的基础资料繁冗采集过程并 人工拟定线路位置方案之后，提高计算、绘图、制表等确定性过程的作业执行 效率和成果展示质量上。 随着信息技术、空间技术的迅速发展，航空摄影测量技术、数字摄影测量 和虚拟现实等高新技术取得了长足的发展。航空摄影测量技术是获取大面积带 状地面信息的理论依据，通过其生成的航摄像片等模拟产品，为海量选线资料 的获取提供了基础保障。数字摄影测量技术是基于模拟产品获取数字图形和数 字影像信息等数字产品的高新技术，依托这项新技术除了能生成数字线划图 ( d l g ) 外，还能生产数字正射影像图( d o m ) 、数字高程模型( d e m ) 等 一系列数字产品，这些数字摄影测量产品的生成实现了模拟信息向数字信息的 转换，其包含信息的海量性、多样性及存取、传输、转换高效性，体现了数字 摄影测量技术在数据信息化、数字化上的优点，是信息化革命的重要标志。虚 拟现实技术是一种可以创造和模拟体验现实世界的计算机技术，它将真实世界 的各种媒体信息有机融合进虚拟世界，构造用户能与之进行各个层次的交互处 理的虚拟信息“。通过虚拟现实和多媒体技术的运用，以航空摄影测量和数字 摄影测量手段为基础，可以为铁路工程师们提供建立铁路工程的多维感知模 型，使设计者们在一个认识和改造世界的先进平台上进行创造性的设计。 伴随以计算机技术为代表的上述高新技术的发展成熟，2 l 世纪的铁路选线 设计方法也取得了革命性进步，已不再是某学科的单一应用，而是融入了更多 高新技术的多领域知识交叉运用，这也是铁路选线设计学科发展的必然趋势。 综合运用航空摄影测量、数字摄影测量和虚拟现实等技术于铁路选线设计 中，探索出一条集成摄影测量系统、数据采集系统、数字选线系统、三维投影 系统等现代软、硬件资源功能服务于选线设计的作业模式。依托这种全新的选 线设计方法，可以依据航摄资料，迅速提取反映真实地形地貌的数字地形信息， 并可在计算机屏幕上逼真展示选线区域的自然景观。同时，在给定线路方案的 空间位置后，将自动生成线路竣工后的真实立体实景，不仅能够逼真展现线路 竣工后的路堤、路颦、桥梁、隧道等个体工程三维效果，而且还能计算出工程 数量和每座桥梁、隧道的起迄罩程和长度，并以规范规定的格式输出所需的图 表、数据文件等，大大简化繁琐复杂的选线设计过程。在具有三维空间表现能 力、人机交互式的操作环境以及身临其境感受的三维地理环境下实施三维可视 化选线设计，将大幅度提升选线设计水平，更好的满足现代选线设计的要求。 本文研究乖是基于上述背景，以探索满足铁路选线设计时代性要求的作业 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 模式为研究目标，采用理论指导实践、实践反作用于理论的技术路线，对基于 虚拟环境选线系统的航测选线方法研究进行了深入的探讨。基于虚拟环境选线 系统的航测选线方法研究，旨在通过对航空摄影测量、数字摄影测量与虚拟现 实等技术的集成应用研究，结合摄影测量原理与虚拟环境选线系统应用方法的 相关优势，将传统选线的一整套技术路线运用现代软、硬件集成环境来实现。 其以航测选线方法为思路，航摄资料为基础，依托数字摄影测量手段，基于虚 拟环境选线系统的技术优势，为铁路选线设计探索出一种崭新的作业模式。基 于虚拟环境选线系统的航测选线设计模式，利用航测选线基于航摄像片进行大 范围选线的特点，获取选线设计过程中所需的海量地面信息航摄资料；通过数 字摄影测量技术对原始航摄资料进行摄影测量处理，生产数字线划图( d l g ) 、 数字正射影像图( d o m ) 与数字高程模型( d e m ) 等数字地形数据( d t d ) ； 再运用融入虚拟现实技术的虚拟环境选线系统构建的三维平台，在计算机屏幕 逼真显示的三维地理环境下进行创造性的选线设计。因为尽可能多的线路初始 比选方案生成，取决于大量选线资料的及时获取，线路空间位置的确定，依赖 于设计人员对自然条件的分析，所以选线设计对自然环境具有很强的依赖性。 基于虚拟环境选线系统的航测选线方法，真正实现了勘测过程的信息化，通过 航空摄影测量原理可实时获取足够航摄资料，利用数字摄影测量手段可及时获 得大量数字地形数据( d t d ) ，为尽可能多地生成线路比选方案，最大程度上 地少遗漏( 最) 优或( 最) 满意方案提供了保障；同时，该方法基于虚拟环境 选线系统来实施铁路选线设计内业过程，这为选线工程师们提供了一个设计过 程交互式信息支持、对线路沿线地形地貌在认知的程度上进行铁路选线设计的 平台，充分地考虑了自然环境约束因素。虚拟环境选线系统利用了计算机善于 “重复”的特点，可方便快捷地计算出各比选方案的工程指标，为尽可能多地 设计比选方案及各方案比选提供了技术依据；同时，由于其在计算机屏幕上多 角度实时逼真再现了客观自然环境，可实现直观动态观察分析选线区域地形地 貌，而且以鼠标点取屏幕上任一点，即可获取该点的三维大地坐标信息，为充 分发挥了设计人员经验提供了平台，能够进一步提高设计质量。通过以现代软、 硬件资源集成应用为基础的基于虚拟环境选线系统的航测选线方法，为铁路在 三维地理环境下进行创造性选线设计提供了崭新的思路和方法，为铁路选线设 计提供了一种在理论上有参考意义、实践中有指导作用的崭新方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 航测选线技术研究发展概况 ( 1 ) 国内铁路航测技术发展概况 我国铁路建设事业，自建国以来取得了迅猛发展，其中以航测技术为代表 的先进技术的采用和发展起到了关键性作用。自1 9 5 5 年兰新线勘测中首先采 用了航测技术，1 9 5 6 年铁道部正式成立了铁路航测机构以来，航测技术在铁 路中的引进、成长和发展，已经走过了5 0 多个年头。铁路航测技术完成了从无 到有、从d , n 大、从摸索试验到大规模应用推广、从单项技术的应用到结合铁 路勘测设计特点的深度集成应用开发的发展历程，现在已经形成了专业门类配 套齐全、一体化的航测遥感技术综合生产体系，成为铁路勘测设计和运营管理 中一个不可缺少的关键性基本环节。 航测技术作为一种勘测手段，是伴随着摄影测量技术的发展而不断发展 的。航测技术在铁路建设中的应用，主要是基于航空影像，利用专用的航测仪 器设备，测绘大比例尺的地形图( d l g ) 、数字高程模型( d e m ) 、数字正射 影像图( d o m ) 等，为铁路线路勘测设计和运营铁路管理提供基础性的资料。 航测技术在铁路中的发展历程，实际上是紧随着摄影测量技术发展而发展的， 可以分成三个阶段e 2 6 1 ：初期的模拟摄影测量阶段、中期的解析摄影测量阶段 和后期的数字摄影测量阶段。 铁路航测技术发展的初期阶段模拟摄影测量阶段。从2 0 世纪6 0 年代 中至8 0 年代初，铁路系统引进了大量的模拟型航测仪器，包括多倍投影测图 仪、立体量测仪、投影转绘仪、大型纠正仪、精密立体测图仪( c 5 、a 1 0 、a m h 、 a m u 、a g l 、t o p o c a r t ) 、地面立体测图仪1 3 1 8 等。在铁路航测发展的初期阶 段，主要是对航测遥感技术的推广应用，利用模拟型航测仪器，特别是精密立 体测图仪，测绘了数千公里新线铁路的大比例尺地形图，比例尺从1 ：1 0 0 0 0 至 1 ：5 0 0 ，其中包括部分1 ：5 0 0 0 0 比例尺的国家基本图。在此阶段丌展了一些航 测技术的科研工作，包括在多倍投影测图仪上进行铁路选线的探索，尤其值得 提出的是，在全国率先将解析空中三角测量方法用于铁路航测加密控制点生 产。 2 0 世纪8 0 年代初至9 0 年代中，为铁路航测遥感技术发展的中期阶段一 一解析摄影测量阶段。基于计算机伺服驱动的高精度量测系统和电子绘图系 统，实现解析数学交会的解析测图仪，不仅可以测绘高精度的大比例尺地形图， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 而且可以测绘数字地形模型、纵横断面，特别是可以进行高精度、高效率的解 析空中三角测量。铁路航测部门是当时全国最早批量引进和使用解析测图仪的 系统之一，其中包括世界上精度最高的1 y m 解析测图仪a c l ，2 9 m 精度的 b c 2 、b 1 2 3 、p 2 、p 3 、a l p h a 2 0 0 0 等。在此阶段，形成了精密立体测图系统和解 析测图系统相结合的铁路航测生产体系，使得铁路航测测绘生产能力大大提 高。铁路航测科技人员结合生产实践，对引进的解析测图仪进行了二次应用开 发，包括空三加密成果的后处理软件( 计算精密立体测图仪定向元素等) 、辅 助测图软件等，可以明显提高定向和测图的工作效率；同时还进行了数字地形 模型在铁路线路计算法辅助设计中的应用开发等研究工作。 2 0 世纪9 0 年代中至今，为铁路航测技术发展的第三阶段数字摄影测 量阶段。铁路系统先后引进世界最先进的数字摄影测量系统h e l a v a8 套，其中 包括1 z m 精度的扫描仪和具有自动粗差检测和系统误差补偿功能的p a t b 解析 空中三角测量软件包，批量购买的国产解析测图仪j x4 和v i r t u o z o 合计超过6 0 台套，以及全套r c 3 0 航空摄影机、批量的精密型g p s 等先进航测装备，全面 实现了航测测绘的数字化技术改造。航测测绘的精度、效率和质量进一步提高， 增加了数字正射影像图、既有铁路复测与地形图、工务管理信息系统等测绘新 产品。在此期间，根据铁路航测生产的实际需要，进行了数字摄影测量系统应 用开发，模拟型精密立体测图仪的数字化改造，航测外业控制测量系列软件的 引进与开发，建立了不同数字摄影测量系统之间的接口，航测数字化测图系统 与铁路线路c a d 系统间的数据接口，数字矢量地形图产品直接建立g i s 数据库 等多项应用开发。 ( 2 ) 国内铁路航测技术在选线设计中的应用 航测技术在铁路选线中的应用，是始于航摄资料的；即依托航空摄影测量 技术手段，航拍得到已投影地面地形信息的航片，在得到航片后，继续运用摄 影测量原理，并利用相关软、硬件设备，将航片上的地形信息解求为可供人识 别的铁路沿线的地形、地物、地貌、地质、水文等资料，以辅助设计人员进行 铁路选线。 早期铁路航测技术在选线设计中的应用模式，主要是直接基于航片或者利 用辅助机械系统基于航片信息间接展开的。在立体镜下，基于航片恢复的地形 三维空间模型，可粗略展示选线区域的地形地貌概况，能帮助设计人员确定线 路的基本走向，尤其是垭口、桥址及不良地质区域的确定，有显著的指导作用。 另外，在机助测图系统帮助下，可基于航片绘制精度高、面积大、内容多的各 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 种比例尺地形图，设计人员利用地形图并辅之以现场踏勘，能够对区域地形地 质条件有全面了解，并可进一步在地形图上实施定线过程。通过铁路航测技术 的应用，减少了野外工作量，改善了劳动条件，特别是促进了铁路勘测设计内 容的改革，对提高勘测设计工作质量和效率，降低工程投资等方面，都具有十 分重要的作用。早期铁路航测技术在选线设计中的应用，是基于航片和地形图 等模拟信息展开的，这对于航测信息的存取、传输以及在计算机等软、硬件工 具中的广泛应用，存在很大的局限性，使铁路航测技术的优势不能在选线设计 中全面发挥。近些年，铁路航测部门、勘测设计部门和铁路高校密切合作，开 发了基于航测数字地形模型( d e m ) 的铁路选线c a d 优化设计系统，使数十 年“纸上定线 的传统方法上了一新台阶，使铁路选线设计更快地迈向了铁路 勘测设计一体化。铁路勘测设计一体化体系的基础，是沿铁路带状区域生产的 数字地形模型数据。近年来，铁路航测技术人员，对于铁路带状区域数字地形 模型海量数据的规模化生产、质量控制、数据传输、d e m 数据库建立、与c a d 优化设计系统的接口、d e m 结构的优化等方面，进行了系列的研究开发，进一 步提高了d e m 的精度和产效率，已经初步形成了与铁路勘测设计一体化匹配的 数字地形模型的规模化生产体系，为铁路勘测设一体化打下了坚实的基础。 应用航测新技术后，进行铁路选线设计就多了一个宏观手段，为快速实施 大范围方案初选，不遗漏( 最) 优或( 最) 满意方案提供了技术保障。从而大 大地提高了铁路选线质量，加速了铁路选线的进程，其经济效益和社会效益均 是相当显著的p 1 。在铁路新线勘测中，航测技术应用于可行性研究和初测阶段 中效果较好，对稳定线路方案、提高选线质量、缩短勘测周期、减少外业工作 量等方面都起到了重要作用。从2 0 世纪5 0 年代开始，我国就将航测技术应用 于铁路选线中，已有很多成功的实例p 1 。 如兰新铁路的选线。因当时缺乏地形资料，快速地完成铁路干线的勘测选 线工作非常困难，为此采用了航空勘测的方法对进行了选线工作。利用航空像 片地质人员能够通过肉眼很容易地勾绘出沙漠、沼泽、盐湖、碱滩等不良地质 的分布范围，从而选出了经济合理的线路方案，大大加快了兰新铁路的勘测工 作。 北京至通辽线隆化至唐三营段沿伊逊河谷5 0k m ，利用航片进行大面积选 线，选定的线路方案，比围场支线方案降低造价近1 0 0 0 万元，经济效益显著。 迁沈线可行性研究，利用卫星图像和航空像片相结合选择桥位取得较好效果， 提高了选线质量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 青藏线格尔木拉萨段，全长1 1 0 0 多公里，该线通过号称“世界屋脊” 的青藏高原，约有6 0 0 公里跨越海拔4 2 0 0 m 以上的多年冻土区，沿线地形环境 恶劣，给现场勘察工作带了极大的困难。通过对全段利用航片提取d e m 和数字 正射影像等设计资料，再将各设计资料制作工程设计所需的三维景观漫游图， 使技术人员和有关领导、专家在室内以漫游预览的形式完成了现场勘察工作， 解决了青藏高原地势恶劣、实地考察受到限制这一难题，对青藏铁路方案论证 工作发挥了巨大作用。 此外，在集通铁路选线、韶柳线、川藏铁路、内昆铁路等选线中，航测技 术都发挥了极其重要的作用。在西安安康、南宁昆明、西安南京、 滇藏线、京九线、内江昆明、赣州龙岩线等百余条铁路新线在选线设 计中也都应用了航测技术，从而取得了显著的经济效益。 ( 3 ) 国外航测选线技术发展概况p 国外应用航测技术于新建铁路的案例不多，有关资料较少。但从有限的实 例中可以看出，国外铁路新线勘测中充分地较好应用了航测技术，特别是在地 形、地质复杂、交通困难地区效果更好。如在坦赞铁路( 1 6 0 0l ( i r i ) 、加拿大魁 北克c a r t i e r 铁矿至s t 1 a w r a n c e 河铁路( 3 0 0k m ) ；伊朗a b b a s 至a h w a z 铁路线 ( 1 2 0 0k m ) 、法国巴黎东南铁路线、日本北海道新干线( 5 1 5 8k m ) 、联邦德 国汉诺威至维尔茨堡铁路线的s c h w a r z e n f e l s 隧道等的新线勘测中均采用航空 像片选线、地质判释或测图。前苏联在缺乏地形、地质资料，工作条件困难的 西伯利亚和远东地区的铁路勘测中，使用航空像片判释可提高效率2 - 3 倍；在 贝加尔至阿穆尔干线腾达至乌尔加勒段的1 0 0 0 0k m 新线勘测时，由于该地区既 - 有资料缺乏，又是原始森林及多年冻土荒漠区，采用了航测技术，取得较好效 果，减少日工4 0 ，减少费用2 0 。此外，先进国家在既有铁路技术改造、运 营管理和工程病害防治中应用航测技术也较为普遍，其中以日本最为重视。他 们定期对通车后的既有铁路进行一次1 ：1 万比例尺航摄，制成1 ：5 0 0 0 道路影 像及各种影像资料。 ( 4 ) 航测选线技术的发展展望 现代科学技术的迅速发展，其显著特点是边缘学科、交叉学科和跨学科的 相互渗透与结合。航测技术的发展，与信息学科、传感器学科、计算机技术学 科、机器人视觉等前沿学科密切相关。根据最新研究动向和进展情况，可以预 示航测技术在在铁路建设中的应用，将会有广泛的新进展。航空摄影仍然是航 测应用的瓶颈，应解决多云条件下获取地表信息的难题，通过研究应用激光测 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 距扫描仪及实时动态g p s 对地面进行高精度、准实时测量的机载地形测量系 统，能在飞行完毕后的短时间内直接获取高精度的数字地面模型。加强专业软 件开发，尤其是数字测图软件的开发，通过实现各种勘测信息的迅速数字化， 从而大大加速测图进程。增加产品种类，大力推广三维动态技术在勘测选线中 的应用，加大带等高线的正射影像图在工点中的应用力度等；通过对三维可视 化技术、g i s 与数据库技术、知识库与专家系统技术等的集成开发应用，铁路 勘测设计一体化将会提升到一个更高的阶段：在数字地形模型( d e m ) 、数字 正射影像( d o m ) 和数字矢量地形图( d l g ) 集成的可视化三维真实环境中， 在知识库和专家系统支持下实现铁路线路平纵断面智能化的优化设计。 展望未来，随着航测技术的进一步发展，铁路航测系统将站在新技术的前 沿，不断进取、不断更新、不断开发、不断前进，使之成为铁路现代化建设的 基础空间信息生产基地和研发中心，为促进铁路现代化建设做出新贡献。 1 2 2 计算机辅助线路设计研究发展概况 ( 1 ) 国外概况 上世纪6 0 年代初期，电子计算机开始运用到了线路设计领域，拉开了计 算机辅助设计的序幕。受当时计算机软、硬件系统的限制，计算机辅助设计的 主要功用是将设计人员从繁冗重复的计算工作中解脱出来，仅仅作为一种高效 率的计算工具，帮助工程师完成诸如平面和纵断面几何线形的计算、横断面设 计及土石方计算等大量的数值计算工作p 1 ，只是初步应用于设计过程中。 进入7 0 年代，数字地面模型开始应用，计算机绘图技术可直接提供设计 和施工图p 。线路优化技术从纵断面优化拓宽到平面和空间( 三维) 的线型优 化，并研制了相应的平面线型和空间线型的优化程序系统。例如，英国的n o a n 程序，美国普度大学的g c a r s 程序，m r r 的o p t l o g 和德国的e p o s 一1 程序 p 1 。这些优化设计程序的应用，提高了工作效率，并在一定程度上提高了设计