Analiza możliwości wykorzystana geodezyjnej osnowy kolejowej w procesie kalibracji geometrycznej danych z mobilnego skaningu laserowego

Projekt badawczy wykonany na zlecenie PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., realizowany w Zakładzie Fotogrametrii w latach 2012-2013 pod kierownictwem dr inż. Ireneusza Ewiaka.

Celem głównym projektu było określenie możliwości wykorzystania geodezyjnej osnowy kolejowej w procesie kalibracji geometrycznej danych z mobilnego skaningu laserowego. Realizacja głównego celu projektu polegała na opracowaniu metodyki sygnalizacji punktów kolejowej osnowy dla potrzeb jej identyfikacji przy różnych wariantach pomiarowych. W aspekcie identyfikacji punktów osnowy celem projektu było dostosowanie metod i narzędzi pomiaru elementów infrastruktury kolejowej.

Rys. 1. Platforma pomiarowa

Zakres opracowania obejmował projekt sygnalizacji dostępnych punktów kolejowej osnowy geodezyjnej, w szczególności znaków regulacji osi torów, w celu poprawienia ich identyfikacji. Wykonany został pomiar testowy, techniką mobilnego i statycznego skaningu laserowego, a także techniką fotogrametryczną, infrastruktury kolejowej z uwzględnieniem dotychczasowej stabilizacji punktów osnowy poziomej, reperów i znaków regulacji osi torów oraz zaprojektowanej sygnalizacji. Przeprowadzona została analiza zbioru punktów skaningu laserowego oraz modeli stereoskopowych w zakresie identyfikacji punktów osnowy kolejowej. Opracowana została metodyka stabilizacji punktów osnowy dla różnych wariantów pomiaru.

Pomiary testowe wykonane zostały z wykorzystaniem systemu MMS/MLS, którego właścicielem jest szczecińska firma GisPRO. System pomiarowy ulokowany jest na samochodzie terenowym Nissan Pathfinder. Na czas pomiarów testowych samochód umieszczono na wagonie kolejowym (Rys. 1) przyczepionym do drezyny pomiarowej. Platforma pomiarowa składała się z trzech skanerów laserowych, czterech kamer wideo, systemu pozycjonowania GPS/IMU, anteny GPS oraz komputera pokładowego.

Rys. 2. Wyniki skanowania projektowanych sygnałów dla poszczególnych grup skanerów

Sygnały podzielono na dwie grupy: sygnały przestrzenne (rys.2 i 3) oraz płaskie (rys.2 i 3). Podział związany był z możliwością sprawdzenia wpływu geometrii sygnału na skuteczność odwzorowania danego kształtu. Sygnały przestrzenne stanowiły styropianowe kule i półkule oraz metalowe śruby. Sygnały płaskie zostały zaprojektowane w postaci papierowych tarcz celowniczych. Sygnały w zależności od rodzaju i ich wymiarów umieszczano na różnych wysokościach słupów trakcji kolejowej, symetrycznie po obydwu stronach trasy przejazdu platformy skanującej.

Rys. 3. Rozmieszczenia projektowanych sygnałów pomiarowych na słupach trakcji kolejowej

Metodykę oceny przydatności sygnałów opracowano na podstawie analizy danych pozyskanych w czasie przejazdów testowych realizowanych w ramach niniejszego projektu badawczego. Ocenę przydatności sygnałów do identyfikacji osnowy geodezyjnej wykonano z wyróżnieniem trzech podstawowych kategorii: rodzaju sygnału; położenia sygnału względem platformy; prędkości przejazdu platformy skanującej. W ocenie tej, dla każdego odwzorowanego sygnału analizowano liczbę linii skanowania, liczbę punktów pomiarowych oraz procent powierzchni sygnału pokrytej przez te punkty. W analizie płaskich sygnałów wykorzystano dodatkowo wartość intensywności odbicia punktów odwzorowujących sygnał. Zbadano również odwzorowanie niesygnalizowanych znaków osnowy kolejowej. Analizę przeprowadzono z wykorzystaniem modułów programu Bentley MicroStation pozwalających na wizualizację i pomiary na zbiorach testowych. Ocenę przydatności sygnału wykonano w oparciu o analizę danych pomiarowych.

Stabilizowana obecnie geodezyjna osnowa kolejowa, a w szczególności znaki regulacji osi torów nie są identyfikowalne w zbiorze punktów skaningu laserowego, zarówno mobilnego jak i statycznego. Jedyną możliwą formą jej bezpośredniej identyfikacji i pomiaru fotogrametrycznego jest technika obserwacji stereoskopowej na modelach naziemnych zdjęć lotniczych. Proces kalibracji geometrycznej danych z mobilnego skaningu laserowego nie jest możliwy w oparciu o stabilizowaną obecnie osnowę kolejową i wymaga sygnalizacji tej osnowy. Najlepszą formą sygnalizacji osnowy kolejowej jest związany z nią mimośrodowo sygnał przestrzenny w postaci kuli lub półkuli. Średnica tego sygnału jest ściśle uzależniona od prędkości skanowania mobilnego. Sygnalizacja osnowy kolejowej za pośrednictwem sygnału płaskiego (powierzchniowego) jest możliwa przy zachowaniu ściśle określonego rysunku geometrycznego odwzorowanego na jego powierzchni. Rozmiar tego rodzaju sygnału musi być skorelowany z prędkością skanowania. Modele stereoskopowe naziemnych zdjęć lotniczych stanowią istotne uzupełnienie pomiarów mobilnego skaningu laserowego i wspomagają proces identyfikacji sygnalizowanych punktów osnowy kolejowej w wielu wątpliwych sytuacjach. Zbiór punktów statycznego skaningu laserowego ze względów ekonomicznych nie powinien być dedykowany dla pomiarów infrastruktury kolejowej, a tym bardziej dla kalibracji danych skaningu mobilnego.