CN108009203A

CN108009203A - 一种铁路里程与坐标相互转换的方法

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Publication number: CN108009203A
Application number: CN201711059337.XA
Authority: CN
Inventors: 江禹; 吴巨峰; 叶仲韬; 钟继卫; 赵训刚; 王鑫; 王鸣辉; 王胡鹏; 王金霞; 李明
Original assignee: China Railway Major Bridge Engineering Group Co Ltd MBEC; China Railway Bridge Science Research Institute Ltd
Current assignee: China Railway Major Bridge Engineering Group Co Ltd MBEC; China Railway Bridge Science Research Institute Ltd
Priority date: 2017-11-01
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2018-05-08
Anticipated expiration: 2037-11-01
Also published as: CN108009203B

Abstract

本发明公开了一种铁路里程与坐标相互转换的方法，涉及铁路线路管理领域，包括采集铁路线路的几何线形，根据所述几何线形和铁路里程信息生成铁路线路的矢量数据，形成一维线性参照系，并记录各矢量数据的节点信息；在铁路线路上选取至少两个里程控制点，并记录两个所述里程控制点在二维平面参考系上的坐标信息；使用两个所述里程控制点的坐标信息与节点信息建立一维线性参照系与二维平面参考系的对应关系；使用所述对应关系完成铁路里程与坐标的相互转换。本发明铁路里程与坐标相互转换的方法通过线要素的简化与存储方式的设计，在最大限度保证转换精度的前提下，减小了数据存储量和转换计算量，满足了快速实时转换的要求。

Description

一种铁路里程与坐标相互转换的方法

技术领域

本发明涉及铁路线路管理领域，具体涉及一种铁路里程与坐标相互转换的方法。

背景技术

铁路线路的维护工作与铁路的安全、高效运行息息相关，铁路工务段工作人员应要及时发现铁路线路当前存在的隐患，并且能采取切实可行的解决方案改善铁路线路，确保铁路线路的良好运作。加强铁路线路的养护维修，就成为延长铁路线路使用寿命，保障铁路运输安全的必要途径。

为了方便地表达和检索设备(指桥梁、隧道、涵渠以及附属设施等)及病害在铁路线路中所处的位置，实际工作中设备及病害的位置通常以里程的方式表达。里程是典型的线性参照系统，以线路和中心里程值组合的方式来定义，因此里程包含两方面的信息：所属线路和中心里程值。而在目前的铁路信息管理系统中，电子地图通常以坐标来定位要素，反映要素的真实地理位置和空间分布。里程是一维线性参照系，坐标是二维平面参考系，两种参考系完全不同，需要解决两者的对应关系。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种铁路里程与坐标相互转换的方法，可在最大限度保证转换精度的前提下，减小数据存储量和转换计算量，满足快速实时转换的要求。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种铁路里程与坐标相互转换的方法，其特征在于：

S1、采集铁路线路的几何线形，根据所述几何线形和铁路里程信息生成铁路线路的矢量数据，形成一维线性参照系，并记录各矢量数据的节点信息；

S2、在铁路线路上选取至少两个里程控制点，并记录两个所述里程控制点在二维平面参考系上的坐标信息；

S3、使用两个所述里程控制点的坐标信息与节点信息建立一维线性参照系与二维平面参考系的对应关系；

S4、使用所述对应关系完成铁路里程与坐标的相互转换。

在上述技术方案的基础上，所述步骤S4具体包括：

S41、审阅已知坐标类型，如已知坐标为一维线性坐标，转入步骤S42；如已知坐标为二维平面坐标，转入步骤S43；

S42、通过里程控制点坐标正算将一维线性坐标转换为二维平面坐标，根据里程计算出铁路沿线设备的平面坐标，在地图上进行显示；

S43、通过里程控制点坐标反算将二维平面坐标转换为一维线性坐标，并进行输出。

在上述技术方案的基础上，步骤S1中对所述的矢量数据进行简化的方法包括点移除法和折弯简化法。

在上述技术方案的基础上，步骤S1中存入数据库中的节点信息包括ID号、线名、顺序号、坐标和该节点距上个节点的欧氏距离。

在上述技术方案的基础上，所述步骤S1具体包括以下内容：

采集铁路线路的几何线形，生成铁路线路的矢量数据，并对采集的所述矢量数据进行简化；

选取各矢量数据端点为节点，记录各节点的ID号、线名和顺序号；

将各节点的WGS84坐标系经过投影以后的得到平面坐标作为各节点的坐标进行记录；

计算并记录每两个相邻节点间的欧氏距离；

将前述步骤中记录的数据作为节点信息按照统一的格式存入数据库。

在上述技术方案的基础上，每条铁路线路包括至少一个所述里程控制点，所述里程控制点在铁路线路中均匀分布。

在上述技术方案的基础上，所述里程控制点由人工标定。

在上述技术方案的基础上，步骤S42具体包括以下步骤：

S421、遍历待求点所在线路的所有控制点，查找待求点与控制点里程差绝对值最小的控制点，将其定为邻近控制点，随后判断待求点与邻近控制点的相对方向；

S422，通过所述邻近控制点的顺序号和里程值查找待求点的里程值，推算出待求点所在的线段；

S423，根据S422中求得待求点所在线段两端的两个节点信息和待求点的里程值，计算出待求点的平面坐标。

在上述技术方案的基础上，步骤S421具体包括以下步骤：

遍历所有里程控制点的里程值Mi，查找出待求点P点与各里程控制点的里程差|M-Mi|最小的控制点Cn，将其定为邻近控制点；

读取Cn的顺序号n和里程值Mn，比较P点与Cn点的里程值，如P点里程值大于Cn的里程值，判定P点位于邻近控制点Cn的前进方向，在步骤S422中从邻近控制点Cn开始正向推算节点的里程；反之则判定P点位于邻近控制点Cn的后退方向，在步骤S422中从邻近控制点Cn开始逆向推算节点的里程；

步骤S422具体包括以下步骤：

根据前述步骤中判定的P点与邻近控制点Cn的相对位置，从邻近控制点Cn开始正向或逆向推算节点的里程；

通过下列公式计算待求点P点的平面坐标(Px，Py)

其中，Vm、Vm+1为求出的待求点所在线段的两端节点，Mm和Mm+1分别为Vm和Vm+1的里程，Vm的平面坐标为(Vmx，Vmy)，Vm+1的平面坐标为(Vm+1x，Vm+1y)。

在上述技术方案的基础上，步骤S43具体包括以下步骤：

根据点到折线的距离计算方法，判断待求点所属的线路；

查找所属线路中与待求点距离最近的节点，并判断待求点在最近节点的小里程方向还是大里程方向；

根据待求点与最近节点的位置关系，计算出待求点的平面坐标。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明铁路里程与坐标相互转换的方法通过线要素的简化与存储方式的设计，在最大限度保证转换精度的前提下，减小了数据存储量和转换计算量，满足了快速实时转换的要求。

(2)本发明铁路里程与坐标相互转换的方法通过人工处理的方式将里程控制点插入线路中，实现对线路的里程标定，人工插入的方式手段灵活，控制点分布选取更加合理，保证了控制点的可靠性和转换算法的精度。

(3)本发明铁路里程与坐标相互转换的方法通过里程点坐标正算，可以将具有中心里程信息的铁路设备的平面坐标计算出来，可以大规模批量转换，转换后的设备可以在电子地图上直观地显示位置和空间分布，便于铁路管养维修人员检索设备。

(4)本发明铁路里程与坐标相互转换的方法通过里程点坐标反算，当铁路管养维修人员巡检设备时，可以将智能终端采集到设备和病害的坐标信息实时转换为里程，便于信息的记录，实现与原有资料信息的对接。

附图说明

图1为本发明实施例铁路里程与坐标相互转换的方法的流程图图；

图2为本发明实施例铁路里程与坐标相互转换的方法步骤S4中P点投影位于线段V_i侧时的计算原理图；

图3为本发明实施例铁路里程与坐标相互转换的方法步骤S4中P点投影位于线段V_i+1侧时的计算原理图；

图4为本发明实施例铁路里程与坐标相互转换的方法步骤S4中P点投影位于线段V_iV_i+1时的计算原理图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供一种铁路里程与坐标的相互转换方法，包括以下步骤：

S1、将采集到的铁路线矢量数据通过合适阈值的设置，使用道格拉斯-普克算法对折线的节点进行抽希，在尽可能保证矢量数据的形态特征的基础上，对采集的矢量数据进行简化后，将矢量数据转化为节点信息并按照设计的格式存入关系数据库。这里的“节点”指转化后矢量数据中各矢量的起点，相邻两矢量中，前一矢量的终点即为后一矢量的起点和节点。在关系数据库表中存储的节点信息包括：ID号、线名、顺序号、坐标和该节点距上个节点的欧氏距离。

在本发明中同一线路内，定义各节点顺序号逐渐增大的方向为该线路的前进方向。

S2、在铁路沿线选取至少两个里程控制点，获取这些控制点的平面坐标和里程值，在地图上通过人工判别的方式确定控制点与线路节点的连接关系，将控制点插入线路中，重新建立节点之间的连接关系，并记录两个所述里程控制点在二维平面参考系上的坐标信息。

S3、使用两个所述里程控制点的坐标信息与节点信息建立一维线性参照系与二维平面参考系的对应关系。

S4、根据实际获得的，工作人员使用所述对应关系完成铁路里程与坐标的相互转换。包括以下两种情况：一是如需坐标正算将一维线性坐标转换为二维平面坐标时，根据里程计算出铁路沿线设备(桥梁、隧道和涵渠等)的平面坐标，在地图上进行显示；

二是如需将二维平面坐标转换为一维线性坐标时，铁路巡检人员首先手持智能终端通过GPS定位获取所在位置平面坐标，通过里程点坐标反算将二维平面坐标转换为一维线性坐标，可以实时识别巡检人员附近的线路并显示在该线路上的里程值。

在步骤S4中，通过本发明铁路里程与坐标的相互转换方法进行里程(一维线性坐标)和二维平面坐标相互转化的原理详细阐述如下：

(1)里程点坐标正算。

里程点坐标正算是将里程转换为平面坐标，如已知P点的里程是(M，L)，为求取P点的平面坐标(P_x，P_y)，主要步骤如下：

第一步是查找邻近控制点，包括：

S421、遍历所有里程控制点的里程值M_i，查找出待求点P点与各里程控制点的里程差|M-M_i|最小的控制点C_n，将其定为邻近控制点；

S422、读取C_n的顺序号n和里程值M_n，比较P点与C_n点的里程值，如P点里程值大于C_n的里程值，判定P点位于邻近控制点C_n的前进方向，转到步骤S4221；反之则判定P点位于邻近控制点C_n的后退方向，转到步骤S4222。

第二步，查找P点所在线段V_mV_m+1，具体包括：

S4221、从邻近控制点Cn开始正向推算节点的里程；从控制点C_n开始，依据M_j+1＝M_j+D_j,推算节点的里程，如果存在j，使得M_j<M≤M_j+1成立，则取m＝j，V_m点里程值为M_m；

S4222、从邻近控制点Cn开始逆向推算节点的里程。从控制点C_n开始，依据M_j-1＝M_j-D_j，推算节点的里程，如果存在j，使得M_j-1<M≤M_j成立，则取m＝j，V_m点的里程值为M_m。

第三步，计算点P平面坐标，主要通过下述公式进行计算：

其中，V_m、V_m+1为步骤S32中求出的待求点所在线段的两端节点，M_m和M_m+1分别为V_m和V_m+1的里程，V_m的平面坐标为(V_mx，V_my)，V_m+1的平面坐标为(V_m+1x，V_m+1y)。

(2)里程点坐标反算

里程点坐标反算是将平面坐标转换为里程，如已知P点的平面坐标(P_x，P_y)，为求取P点的里程(M，L)，主要进行S431-S433三个步骤：

S431、判断坐标点所属线路。

要判断定位点P所属线路，即确定P点到地图上各条线路距离最近的折线。在本发明中定义：点到折线中各线段距离的最小值为点到折线距离。点P到折线L距离D的计算公式可表达为D＝Min{D_pi}，其中D_pi为点P到折线中各线段的距离。

点到线段距离的计算与点到直线距离的计算二者之间存在一定的差别，求点到线段距离时需要考虑参考点在沿线段所在直线方向的投影点是否在线段上，若在线段上则可采用点到直线距离公式，如图2所示；否则，点到线段的距离为点到线段两个端点距离的最小值，如图3和图4所示。可以通过判断A和B是否为钝角，确定点和线段的关系属于上述三种情况的哪一种。若a²>b²+p²，则A为钝角，否则为锐角或者直角。依据相同的方法可以判B是否为钝角。若A和B都不是钝角，则属于图2所示情况；若A是钝角，则属于图3所示情况；若B是钝角，则属于图4所示情况。综合上述三种情况，点到线段的距离可用下述表达式表述，其中第一种情况是通过海伦公式计算点到直线距离，l＝(a+b+c)/2。

通过计算点P到折线L中各个线段的距离D_pi，可以得出点P到折线L的距离D＝Min{D_pi}。若地图中存在多条线路，则需要查找点P到折线L_j的距离D_j的最小值，对应的路线就是坐标点P的所属路线。为了保证结果的有效性，需要设定阈值D_max，当点P到所有折线距离的最小值都比D_max大时，判断P点不属于地图中的任何线路。

由于一条折线的组成线段很多，逐个计算点到线段的距离，计算量会较大。可以通过设定阈值，定义搜索圆的方式筛选需要参与计算的线段，减少计算量。

S432、计算线路中相邻节点的里程值。

在确定坐标点所属路线时，已经计算出P点到折线L的距离D，对应的线段为V_iV_i+1。要计算出P点的里程之前，首先需要推算出线段V_iV_i+1节点的里程值M_i和M_i+1。根据V_i在线路中的顺序号，向前进方向和后退方向查找最邻近的控制点C_a和C_b(顺序号分别为a和b，据C_a和C_b的里程值M_a和M_b推算M_i。如果C_a不存在，C_b存在，则M_i由后退方向控制点C_b向前推算；如果C_a存在，C_b不存在，则M_i由前进方向控制点C_b向后推算；如果C_a和C_b都存在，则M_i由两个方向共同推算，如果两个方向推算结果的差值小于设定的阈值，则按照反距离权重加权平均求取结果，如果差值超过阈值，则说明基础数据有误。其计算公式可以表达为下文公式所示。同理可以求取出节点V_i+1的里程值M_i+1。

S433计算坐标点的里程值。

根据线段V_iV_i+1和P点与线段V_iV_i+1的位置关系，可以计算出P点的里程M。当P点投影位于线段V_i侧时，P点里程M等于V_i点里程；当P点投影位于线段V_i+1侧时，P点里程M等于V_i+1点里程；当P点投影位于线段内时，可以通过勾股定理计算出P点在线段内投影点所在位置，通过线性内插，可以求出投影点的里程，P点的里程就是投影点的里程。综合三种情况，P点的里程M可以表达为如下公式所示，其中L_Pi为定位点到节点V_i+1的距离。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种铁路里程与坐标相互转换的方法，其特征在于：

S4、使用所述对应关系完成铁路里程与坐标的相互转换。

2.如权利要求1所述的铁路里程与坐标相互转换的方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括：

3.如权利要求1所述的铁路里程与坐标相互转换的方法，其特征在于：步骤S1中对所述的矢量数据进行简化的方法包括点移除法和折弯简化法。

4.如权利要求1所述的铁路里程与坐标相互转换的方法，其特征在于：步骤S1中存入数据库中的节点信息包括ID号、线名、顺序号、坐标和该节点距上个节点的欧氏距离。

5.如权利要求4所述的铁路里程与坐标相互转换的方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括以下内容：

计算并记录每两个相邻节点间的欧氏距离；

6.如权利要求1所述的铁路里程与坐标相互转换的方法，其特征在于：每条铁路线路包括至少一个所述里程控制点，所述里程控制点在铁路线路中均匀分布。

7.如权利要求1所述的铁路里程与坐标相互转换的方法，其特征在于：所述里程控制点由人工标定。

8.如权利要求1所述的铁路里程与坐标相互转换的方法，其特征在于：步骤S42具体包括以下步骤：

9.如权利要求8所述的铁路里程与坐标相互转换的方法，其特征在于：步骤S421具体包括以下步骤：

遍历所有里程控制点的里程值M_i，查找出待求点P点与各里程控制点的里程差|M-M_i|最小的控制点C_n，将其定为邻近控制点；

读取C_n的顺序号n和里程值M_n，比较P点与C_n点的里程值，如P点里程值大于C_n的里程值，判定P点位于邻近控制点C_n的前进方向，在步骤S422中从邻近控制点C_n开始正向推算节点的里程；反之则判定P点位于邻近控制点C_n的后退方向，在步骤S422中从邻近控制点C_n开始逆向推算节点的里程；

步骤S422具体包括以下步骤：

根据前述步骤中判定的P点与邻近控制点C_n的相对位置，从邻近控制点C_n开始正向或逆向推算节点的里程；

通过下列公式计算待求点P点的平面坐标(P_x，P_y)

其中，V_m、V_m+1为求出的待求点所在线段的两端节点，M_m和M_m+1分别为V_m和V_m+1的里程，V_m的平面坐标为(V_mx，V_my)，V_m+1的平面坐标为(V_m+1x，V_m+1y)。

10.如权利要求1所述的铁路里程与坐标相互转换的方法，其特征在于：步骤S43具体包括以下步骤：

S431、根据点到折线的距离计算方法，判断待求点所属的线路；

S432、查找所属线路中与待求点距离最近的节点，并判断待求点在最近节点的小里程方向还是大里程方向；

S433、根据待求点与最近节点的位置关系，计算出待求点的平面坐标。