Metodyka sygnalizacji geodezyjnej kolejowej osnowy specjalnej w aspekcie procesu kodyfikacji linii kolejowych

EWIAK Ireneusz 1 Metodyka sygnalizacji geodezyjnej kolejowej osnowy specjalnej w aspekcie procesu kodyfikacji linii kolejowych WSTĘP Każdy przewóz ładunku kolejowego o przekroczonej skrajni wymaga w naszym kraju uzyskania zgody zarządów infrastruktury, po której planowany jest przewóz. Oznacza to, że każda przesyłka przy wyjeździe z Polski oraz nadaniu w Polsce musi być pomierzona. W praktyce pomiar ten trwa kilka dni. Brak kodyfikacji linii kolejowych w Polsce generuje skomplikowane i długotrwałe procedury przewozowe i jest powodem, dla którego przewoźnicy zagraniczni są zmuszeni organizować tranzyt z pominięciem naszego kraju. Polscy przewoźnicy tracą z tego powodu znaczne środki finansowe. Konieczność przeprowadzenia kodyfikacji linii kolejowych na obszarze naszego kraju urasta, zatem do rangi priorytetu. W Polsce dąży się do opracowania i wdrożenia na obszarze całego kraju innowacyjnej techniki kodyfikacji linii kolejowych opartej na metodzie interaktywnego modelowania przestrzennego ich skrajni. Model ten powinien zapewnić odwzorowanie obiektów infrastruktury kolejowej z dokładnością umożliwiającą odtworzenie skrajni budowli na liniach kolejowych z zachowaniem standardów określonych w karcie UIC. Podstawą jego funkcjonowania będzie przestrzenna baza danych infrastruktury kolejowej umożliwiająca kompilację, porządkowanie, aktualizację i przetwarzanie według ściśle określonych algorytmów pomiarów realizowanych przy udziale różnych technik i metod stosowanych w fotogrametrii, a w rezultacie oznaczenie linii kolejowej odpowiednim kodem. Zgodność tego kodu z kodem użytego wagonu oraz kodem przesyłki o przekroczonej skrajni będzie zaś warunkiem jej dopuszczenia do przewozu. Podstawowym źródłem zasilania przestrzennej bazy danych infrastruktury pasa kolejowego mogą być naziemne pomiary fotogrametryczne realizowane z wykorzystaniem technologii skaningu laserowego, w szczególności mobilnej platformy skanerowej wyposażonej w zespół skanerów pracujących w trybie ciągłym. Powstałe w wyniku skanowania zbiory punktów wymagają orientacji wzajemnej i zewnętrznej odniesionej do układu współrzędnych, w jakim modelowana będzie infrastruktura pasa kolejowego, w tym jego skrajnia. Poprawną orientację zewnętrzną tego zbioru może zapewnić odpowiednio zaprojektowana i pomierzona osnowa geodezyjna. W przypadku pomiaru mobilnego skrajni kolejowej punkty osnowy geodezyjnej należy wybierać w możliwie najbliższym sąsiedztwie platformy skanującej. Z tego względu najbardziej odpowiednimi wydają się punkty osnowy geodezyjnej umieszczane na słupach trakcji elektrycznej linii kolejowej biegnących wzdłuż osi toru. Są to zazwyczaj punkty regulacji osi toru, stanowiące kolejową osnowę specjalną. Punkty te stabilizuje się na słupach trakcyjnych za pomocą wkręcanych bolców zgodnie z wytycznymi zawartymi w instrukcji kolejowej IG-6. Ze względu na niewielkie rozmiary punktu regulacji osi toru w stosunku do rozdzielczości zbioru punktów mobilnego skaningu laserowego zachodzi konieczność jego sygnalizacji umożliwiającej pomiar ekscentryczny. Niniejszy artykuł prezentuje możliwe formy sygnalizacji punktów regulacji osi torów w celu ich wykorzystania do kalibracji geometrycznej danych z mobilnego skaningu laserowego, które stanowią podstawę opracowania modelu przestrzennego skrajni linii kolejowej. 1 Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego w Warszawie, Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji, 00-908 Warszawa, ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2, Tel: +48 226837718, E-mail: iewiak@wat.edu.pl 3486

1 CHARAKTERYSTYKA OBIEKTU TESTOWEGO Do badań testowych został wybrany odcinek szlaku kolejowego nr 12 (Łódź-Łuków) położony w sąsiedztwie stacji kolejowej Góra Kalwaria. Z powodu niewielkiego ruchu kolejowego na wspomnianym ciągu komunikacyjnym od wielu lat nie prowadzono tam modernizacji. Z tego względu na testowym odcinku brak jest punktów regulacji osi torów umieszczanych na konstrukcjach wsporczych sieci trakcyjnej. O wyborze niniejszego odcinka testowego zdecydowała możliwość uzyskania w stosunkowo krótkim czasie zezwolenia na prowadzenie prac badawczych na obszarze kolejowym. W przypadku linii kolejowych, na których odbywa się regularny ruch pasażerskotowarowy konieczna jest rezerwacja przejazdu na wybranym odcinku, co najmniej 2 miesiące przed terminem realizacji pomiaru. Brakujące punkty regulacji osi torów zostały uzupełnione bolcami, których konstrukcja była wierną kopią znaku geodezyjnego specjalnego. Punkty te wraz z innymi sygnałami zostały rozmieszczone na słupach trakcyjnych na całym odcinku testowym zgodnie z obowiązującymi wytycznymi. 2 SYGNALIZACJA GEODEZYJNEJ OSNOWY KOLEJOWEJ SPECJALNEJ 2.1 Charakterystyka znaku regulacji osi torów Znak regulacji osi toru to element w kształcie walca, służący do określenia położenia toru w płaszczyźnie poziomej i pionowej (rysunek 1). Znak ten wykonany jest ze stali nierdzewnej, kwasoodpornej lub z tworzywa sztucznego odznaczającego się podwyższoną twardością i odpornością na wysokie i niskie temperatury [10]. Trzpień znaku regulacji, na którym zakładany jest adapter dla lustra ma średnicę 12mm i długość mierzoną od powierzchni słupa 35 mm. Długość części gwintowanej znaku regulacji wynosi od 14 do 25 mm. Rys. 1. Kształt i wymiary znaku regulacji osi torów Dla skrajnie zewnętrznego punktu górnej krawędzi znaku regulacji określa się współrzędne X, Y, H. Na słupie umieszcza się informacje o odległości znaku od osi toru i przewyższeniu względem główki szyny. Znak regulacji osi toru mocowany jest do ściany czołowej słupa sieci trakcyjnej od strony toru, a jego położenie na słupie jest uzależnione od typu słupa. W przypadku słupa betonowego, a także słupa stalowego ceownikowego oś znaku regulacji pokrywa się z osią słupa [10]. Rys. 2. Usytuowanie znaku regulacji osi toru na słupie [10] 3487

W przypadku słupa betonowego, a także słupa stalowego ceownikowego oś znaku regulacji pokrywa się z osią słupa. W przypadku słupa stalowego dwuteownikowego, oś znaku regulacji znajduje się w pewnej odległości od osi słupa. Odległość ta jest zależna od odmiany dwuteownika. Położenie znaku regulacji osi toru w płaszczyźnie pionowej słupa ustawionego na fundamencie palowym, określa się w stosunku do podstawy słupa nowej konstrukcji, stosując zasadę, że odległość osi znaku regulacji od podstawy słupa wynosi 1,0 m (rysunek 2). 2.2 Projekt sygnalizacji osnowy kolejowej W badaniach zostało wykorzystanych 12 oryginalnych znaków regulacji osi torów oraz znaki sygnalizowane za pomocą sygnałów przestrzennych i płaskich. Przyjęto założenie, że geometria sygnałów powinna umożliwiać precyzyjne wyznaczenie punktu ich przyłożenia do znaku regulacji osi toru. Łącznie wykorzystano 47 sygnałów przestrzennych, w tym 25 styropianowych kul oraz 22 styropianowe półkule o średnicy 10, 15, 20 i 30 cm. Część kul o średnicy 20 cm była pomalowana białą matową farbą, pozostałe zaś farbą żółtą. Do badań wykorzystano również sygnały płaskie w postaci tarcz celowniczych, przy czym 10 z nich miała wymiary 35x35cm, zaś 6 wymiary 15x15cm. W obu przypadkach grubość linii wzoru graficznego tarczy wynosiła 1cm bądź 2cm. Miejscem przyłożenia sygnału w postaci kuli do znaku regulacji osi toru był każdy z punktów przebicia kuli prostą wyznaczoną z przecięcia płaszczyzn prostopadłych przechodzących przez jej środek. Dla sygnału w postaci półkuli miejscem tym był środek jej podstawy. W przypadku tarcz celowniczych miejsce przyłożenia wyznaczał ich środek. Rys. 3. Rozmieszczenie sygnałów na słupie trakcji eklektycznej Sygnały w zależności od rodzaju były rozmieszczane na różnych wysokościach słupów trakcyjnych, w tym na wysokości, na której standardowo umieszczane są znaki regulacji osi torów (rysunek 3). Licząc od postawy słupa, przedział wysokości, na których umieszczone były sygnały wynosił od 1m do 3.3m. Różne położenie sygnałów względem głowicy skanującej miało na celu zbadanie wpływu kąta padania wiązki laserowej na dokładność odwzorowania danego typu sygnału. Z punktu widzenia późniejszych analiz statystycznych została przyjęta zasada numeracji sygnałów, która uwzględniała numer słupa, rodzaj sygnału i jego wymiary, a także wysokość sygnału liczoną od podstawy słupa. Przy projektowaniu rozmieszczenia sygnałów na odcinku testowym szlaku kolejowego wykorzystano 5 arkuszy kolejowej mapy sytuacyjno-wysokościowej w podziale wstęgowym w skali 1:500 z zasobu Wydziału Geodezji Kolejowego Ośrodka Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej w Warszawie. Sposób rozmieszczenia sygnalizowanych i niesygnalizowanych znaków regulacji osi torów na odcinku testowych linii kolejowej został przedstawiony na rysunku 4. 3488

Rys. 4. Graficzne rozmieszczenie sygnalizowanych i niesygnalizowanych znaków regulacji osi torów na odcinku testowym linii kolejowej 3 PLATFORMA POMIAROWA MMS/MLS 3.1 Charakterystyka techniczna platformy pomiarowej Pomiary testowe zostały wykonane z wykorzystaniem głowicy pomiarowej MMS/MLS (Mobile Mapping System/Mobile Laser System) zainstalowanej na dachu samochodu terenowego Nissan Pathfinder. Głowica ta wraz z samochodem została umieszczona na wagonie kolejowym podczepionym do drezyny pomiarowej tworząc platformę pomiarową (rysunek 5). Głowica pomiarowa była umieszczona na wysokości 3m względem główki szyny. Tworzyły ją trzy skanery laserowe, cztery kamery wideo, system pozycjonowania GPS/IMU, oraz antena GPS. Współpraca poszczególnych urządzeń pomiarowych głowicy była synchronizowana za pośrednictwem oprogramowania komputera pokładowego samochodu [8]. Rys. 5. Mobilna kolejowa platforma pomiarowa MMS/MLS Głowica pomiarowa, którą wykorzystano w badaniach jest uniwersalnym i powszechnie stosowanym narzędziem do pomiaru obiektów infrastruktury szlaków komunikacyjnych, w tym szlaków kolejowych. Jego uniwersalność dotyczy możliwości pozyskiwania informacji o obiektach odległych od systemu pomiarowego w zakresie 1.5-600m. W trakcie jednej sesji pomiarowej istnieje możliwość równoczesnej rejestracji danych z mobilnego skaningu laserowego oraz obrazów 3489

stereoskopowych z kamer wideo. Po zatrzymaniu platformy istnieje możliwość wykonania pomiaru statycznego techniką naziemnego skaningu laserowego [4]. Dane obrazowe pozyskiwane były za pośrednictwem dwóch par kamer wideo Arecont Vision AV3100DN. Pierwsza para obrazowała stereoskopowo trasę przejazdu w kierunku ruchu platformy, druga zaś w kierunku przeciwnym. Kamery rejestrowały obrazy z maksymalną rozdzielczością 2048 1536 z częstotliwością 15 klatek/s. Maksymalna częstotliwość pozyskania zdjęć z wykorzystaniem wspomnianych kamer wynosiła 30 klatek/s przy rozdzielczości 1280 1024. Zbiory punktów przestrzennych infrastruktury pasa kolejowego, w tym zaprojektowanych sygnałów pomierzono z wykorzystaniem zespołu składającego się ze skanera profilowego Riegl VQ-250 oraz dwóch skanerów bocznych Riegl VZ-400. Podstawowe parametry skanerów przedstawione zostały w tabeli 1. Tab. 1. Podstawowe parametry skanerów Parametr VQ-250 VZ-400 Ilość pomiarów w jednej sekundzie 300 000 122 000 Zakres skanowania 360 100 (+60 /-40 ) Maksymalna ilość linii skanowania 100 120 Zasięg 500m 600m Skanery VZ-400 skierowane były pod kątem 45 względem kierunku ruchu platformy. Takie rozwiązanie pozwoliło na zagęszczenie linii skanowania realizowanych przez skaner profilowy, jak również na pomiar obiektów położonych na kierunku prostopadłym do kierunku przejazdu platformy. Wynik skanowania słupa trakcyjnego z umieszczonymi na nim sygnałami z zastosowaniem pary skanerów VZ-400 i VQ-250 został przedstawiony na rysunku 6. Rys. 6. Wynik skanowania dla skanera VQ-250 (po lewej), skanera VZ-400 (środek) oraz zespołu skanerów VQ-250 i VZ-400 (po prawej) Pomiarowi mobilnemu towarzyszyła ciągła rejestracja położenia liniowego i kątowego głowicy skanującej z wykorzystaniem systemu pozycjonowania GPS/IMU POS LW 420 V4 firmy Applanix. Rejestrowane parametry posłużyły do odtworzenia orientacji przestrzennej zbioru punktów skaningu laserowego z dokładnością bezwzględną 5cm oraz dokładnością względną od 5 do 7mm. 3.2 Kalibracja systemu pomiarowego Przed każdym pomiarem MMS/MLS należy wykonać kalibrację platformy pomiarowej. Kalibracja ma na celu wyznaczenie orientacji kątowej skanerów oraz ich przesunięć względem urządzenia IMU. Położenie skanerów wyznacza się na podstawie przejazdu kalibracyjnego polegającego na pomiarze wielu płaszczyzn ustawionych pod różnymi kątami wzdłuż trasy przejazdu platformy. Najczęściej kalibracja wykonywana jest na podstawie pomiaru ścian i dachów budynków w zabudowie jednorodzinnej. Najlepsze efekty uzyskuje się skanując spadziste dachy bez okien i kominów oraz ściany ustawione pod kątem 45 stopni do kierunku przejazdu platformy. 3490

Rys. 7. System pomiarowy MMS/MLS (widok z góry) Kalibracja systemu pomiarowego MMS/MLS wykorzystanego w badaniach (rysunek 7) została wykonana przy udziale oprogramowania RiProces firmy Riegl na podstawie danych pozyskanych w ramach trzykrotnego przejazdu kalibracyjnego platformy pomiarowej na testowym odcinku linii kolejowej. Dokładność kalibracji wyrażona błędem średniokwadratowym obliczonym na podstawie 10 tys. obserwacji wyniosła 1.1cm. Jej podstawowe parametry zostały zamieszczone w tabeli 2. Tab. 2. Zestawienie parametrów położenia skanerów Przesunięcie względem IMU w kierunku: Parametry kątowe zgodnym Model prostopadłym do z ruchem pionowym skanera ruchu platformy platformy [m] [m] [m] Roll [ ] Pitch [ ] Yaw [ ] Riegl VZ-400-0.124-0.618-0.202 0.657 0.106-0,034 Riegl VQ-250-0.423 0.012-0.174 0.030-11.085 0,161 Riegl VZ-400-0.124 0.639-0.202-0.417 0.149-0.164 4 ZAKRES POMIARU I PRZETWORZEŃ DANYCH Sygnalizowane i niesygnalizowane punkty regulacji osi torów zostały zarejestrowane techniką skaningu mobilnego, statycznego oraz metodą fotogrametryczną na obrazach z kamer wideo. Pomiary testowe miały na celu określenie skuteczności poszczególnych metod pomiaru w zakresie, jakości obrazowania przestrzennego zaprojektowanych sygnałów. Pomiar odcinka testowego techniką mobilnego skaningu laserowego został wykonany w 5 seriach odpowiadających różnym prędkościom platformy skanującej tj. 10km/h (I seria), 20km/h (II seria), 30km/h (III seria), 40km/h (IV seria) oraz 50km/h (V seria). W każdej serii zostały wykonane dwa pomiary z częstotliwością skanowania 100linii/s przy różnych kierunkach jazdy platformy skanującej. Pomiar metodą statyczną skaningu laserowego został wykonany dla każdej pary słupów. Łącznie pozyskano 11 zbiorów punktów skanerem laserowym Riegl VZ-400 przy odległości platformy od słupów trakcyjnych wynoszącej około 2.7m. Odległość ta była podyktowana możliwością jednoczesnej rejestracji obrazów dwóch słupów z jednego stanowiska. Długość sesji pomiarowej na każdym stanowisku wynosiła około 4min. Rejestracja odbywała się ze stałą częstotliwością skanowania wynoszącą 120 linii/s. Zobrazowania wideo odcinka testowego zostały pozyskane w tym samym czasie, co zbiór punktów skaningu mobilnego. Obrazy wideo zostały zarejestrowane czterema kamerami Arecont Visio. Dla każdego przejazdu platformy kolejowej uzyskano dwie pary modeli stereoskopowych (w przód oraz wstecz). Liczba tych modeli zależała od prędkości platformy i miała ścisły związek z minimalnym interwałem wykonania pojedynczej klatki wynoszącym 1s. Obrazy 3491

wideo, jako produkty o zwiększonym potencjale informacyjnym, posłużyły do wspomagania identyfikacji sygnałów w zbiorze punktów skaningu laserowego. Do przetwarzania i analiz przestrzennych pozyskanych zbiorów punktów został wykorzystany moduł programu MicroStation V8i, a także oprogramowanie FME Spatial Data Transformation Platform firmy Safe Software oraz programy RiACQUIRE i RiPRECISION firmy Riegl. Segmentacja zbioru punktów została wykonana półautomatycznie. Dla zbioru danych mobilnego i statycznego skaningu laserowego zostały określone zasięgi przestrzenne opracowania przy udziale programu FME i zapisane w postaci podzbiorów w formacie las. W dalszej kolejności powstałe podzbiory zostały przetransformowane do formatów pod oraz xyz, których struktura umożliwiała przeprowadzenie analiz pomiarów skaningu laserowego bez względu na objętość tych podzbiorów. W wyniku przetworzeń dla każdej zaprojektowanej prędkości platformy skanującej został wygenerowany zestaw 3 plików, odpowiadających poszczególnym modelom skanerów. Segmenty zbioru punktów o przybliżonej orientacji, której dokładność była wynikiem kalibracji systemu na stanowisku pomiarowym, były poddane korelacji w celu wyeliminowania błędów grubych i omyłek. Orientacja wzajemna i zewnętrzna podzbiorów punktów skaningu laserowego została przeprowadzona na podstawie danych pozyskanych z urządzeń pokładowych rejestrujących położenie platformy skanującej, a także na podstawie znajomości współrzędnych punktów kolejowej osnowy terenowej rozmieszczonej w obrębie odcinka testowego. W celu usunięcia szumów pomiarowych, zorientowany przestrzennie zbiór punktów skaningu laserowego został poddany filtracji. 5 OPRACOWANIE STATYSTYCZNE WYNIKÓW POMIARU 5.1 Metodyka analizy pomiarów Metodykę oceny skuteczności sygnalizacji kolejowej geodezyjnej osnowy specjalnej opracowano na podstawie analiz jej odwzorowania w poszczególnych zbiorach skaningu laserowego oraz zbiorach stereoskopowych obrazów wideo pozyskanych w czasie przejazdów testowych platformy pomiarowej. Niniejsza ocena uwzględniała rodzaj sygnału; jego położenie względem głowicy skanującej, technikę obrazowania (skanowania) oraz prędkość przejazdu platformy skanującej. W przypadku skaningu laserowego, dla każdego odwzorowanego sygnału analizowano liczbę linii skanowania oraz liczbę punktów pomiarowych na jego powierzchni, a także procent powierzchni sygnału odwzorowanego przez te punkty. Niniejsze analizy zostały wykonane z wykorzystaniem modułów programu Bentley Micro Station, które umożliwiły wizualizację i pomiar zbioru punktów opisujących sygnalizowane i niesygnalizowane znaki regulacji osi torów. W przypadku sygnału w postaci kuli lub półkuli głównym elementem analiz była ocena możliwości identyfikacji jej środka na podstawie rozkładu i liczby punktów pomierzonych na jej powierzchni. Ocenę jakości odwzorowania sygnału w postaci tarczy przeprowadzono na podstawie analizy rozkładu punktów pomiarowych w obrębie jej elementów graficznych, która pozwalała na identyfikację środka tarczy. W analizie wykorzystano parametr intensywności odbicia wiązki laserowej dający możliwość wizualizacji wzoru graficznego sygnału. Ocenę jakości odwzorowania niesygnalizowanego znaku regulacji osi torów przeprowadzono na podstawie analizy liczby linii skanowania oraz liczby punktów na powierzchni znaku. Ocena jakości odwzorowania sygnałów w postaci tarcz oraz niesygnalizowanych znaków geodezyjnej osnowy kolejowej została przeprowadzona również na stereoskopowych obrazach wideo. W pierwszym przypadku podstawą tej oceny było określenie możliwości bezpośredniego pomiaru środka sygnału płaskiego, a także jego wyznaczenia metodą autokorelacyjnego dopasowania z wzorcem. W drugim zaś, ze względu na niewielkie w stosunku do sygnałów wymiary znaku regulacji osi torów ocenę oparto jedynie na stwierdzeniu możliwości bezpośredniego pomiaru środka znaku. Do niniejszych analiz został wykorzystany moduł Image Station Stereo Display stanowiący integralną część stacji fotogrametrycznej Z/I Imaging. 5.2 Rezultaty analizy pomiarów Analizie został poddany rozkład linii i punktów odwzorowania sygnałów przestrzennych i płaskich w funkcji odległości sygnału od skanera wynoszącej 2.5m oraz 7.5m oraz poszczególnych zakresów prędkości przejazdu platformy skanującej, które wynosiły 0-15km/h, 15-25km/h, 3492

25-35km/h, 35-45km/h, a w przypadku sygnałów przestrzennych także w funkcji wysokości sygnału względem głowicy skanującej. Wyniki analiz, które uwzględniają średnią liczbę linii skanowania oraz pomierzonych punktów na powierzchni sygnału, a także średnie procentowe pokrycie sygnału punktami pomiarowymi dla danego rodzaju sygnału zostały zestawione w tabelach 3-5. W tabelach tych nie zostały zamieszczone wyniki dla sygnałów przestrzennych pokrytych różnym kolorem farby, z uwagi na fakt, że kolor ten nie wpływał zasadniczo na wynik odwzorowania sygnału. Tab. 3. Rozkład punktów i linii odwzorowania sygnałów w postaci kuli Prędkość platformy Liczba odwzorowanych sygnałów Średnia liczba linii skanowania na powierzchni sygnału Średnia liczba pomierzonych punktów na powierzchni sygnału Średnie procentowe pokrycie powierzchni sygnału punktami pomierzonymi Sygnał w postaci kuli o średnicy 30cm (odległość od skanera 2.5m/7.5m) 0-15 12/2 29/26 1151/745 60/55 15-25 12 15 610 50 25-35 17/2 9/10 393/132 40/35 35-45 3 8 312 35 Sygnał w postaci kuli o średnicy 20cm (odległość od skanera 2.5m/7.5m) 0-15 14 17 444 80 15-25 18 9 236 65 25-35 22/5 6/4 157/30 50/20 35-45 6/1 5/3 140/34 48/5 Sygnał w postaci kuli o średnicy 15cm (odległość od skanera 2.5m/7.5m) 0-15 8 12 271 60 15-25 8 7 140 50 25-35 12 5 116 40 35-45 10/4 3/3 47/25 20/15 Sygnał w postaci kuli o średnicy 10cm (odległość od skanera 2.5m/7.5m) 0-15 8 9 123 70 15-25 8 5 64 60 25-35 12 3 44 40 35-45 4/4 3/2 35/10 40/20 Wyniki zamieszczone w tabeli 3 pokazują, że liczba odwzorowanych sygnałów w postaci kuli osiąga maksimum przy zakresie prędkości platformy pomiarowej wynoszącym 25-35km/h. Liczba punktów i linii odwzorowania tego rodzaju sygnału, dla każdej z rozpatrywanych średnic kuli, zmniejsza się wraz ze wzrostem prędkości platformy pomiarowej, przy czym stopień zmniejszania się tej liczby jest większy dla kul o mniejszych średnicach. Wraz ze wzrostem odległości głowicy skanującej od sygnału, o którym mowa powyżej, zmniejsza się procentowe pokrycie powierzchni sygnału pomierzonymi punktami wprost proporcjonalnie do prędkości platformy pomiarowej i średnicy kuli. Zależność ta uwidacznia się bardziej dla mniejszej średnicy kuli. Na rysunku 8 został przedstawiony wynik graficzny odwzorowania sygnału w postaci kuli o średnicy 30cm uzyskanego z przetworzenia zbioru punktów mobilnego naziemnego skaningu laserowego dla różnych prędkości platformy skanującej. Rys. 8. Rezultaty odwzorowania w zbiorze punktów skaningu laserowego sygnału w postaci kuli o średnicy 30cm przy prędkościach platformy skanującej (od lewej) 0-15km/h, 15-25km/h, 25-35km/h, 35-45km/h 3493

Tab. 4. Rozkład punktów i linii odwzorowania sygnałów w postaci półkuli Prędkość platformy Liczba odwzorowanych sygnałów Średnia liczba linii skanowania na powierzchni sygnału Średnia liczba pomierzonych punktów na powierzchni sygnału Średnie procentowe pokrycie powierzchni sygnału punktami pomierzonymi Sygnał w postaci półkuli o średnicy 30cm (odległość od skanera 2.5m/7.5m) 0-15 12 24 975 80 15-25 12/1 13/6 511/85 80/70 25-35 10/5 8/7 395/93 80/70 35-45 14 7 374 75 Sygnał w postaci półkuli o średnicy 20cm (odległość od skanera 2.5m/7.5m) 0-15 10 18 488 95 15-25 10/1 9/3 258/32 90/30 25-35 12/3 6/3 168/35 60/20 35-45 8 5 135 60 Sygnał w postaci półkuli o średnicy 15cm (odległość od skanera 2.5m/7.5m) 0-15 12 14 294 95 15-25 12/1 7/3 165/32 75/30 25-35 14/5 5/2 96/23 50/20 35-45 10 4 76 40 Sygnał w postaci półkuli o średnicy 10cm (odległość od skanera 2.5m/7.5m) 0-15 12 10 101 73 15-25 12/2 4/2 51/8 45/5 25-35 10/4 3/2 34/6 30/5 35-45 14 2 26 17 Wyniki zamieszczone w tabeli 4 pokazują, że liczba odwzorowanych sygnałów w postaci półkuli osiąga maksimum dla zakresu prędkości platformy pomiarowej wynoszącym 25-35km/h. Liczba punktów i linii odwzorowania sygnału w postaci półkuli, dla każdej z rozpatrywanych jej średnic, zmniejsza się wraz ze wzrostem prędkości platformy pomiarowej, przy czym stopień zmniejszania się tej liczby jest znacznie większy dla kul o mniejszych średnicach. W porównaniu z sygnałami w postaci kul, półkule o odpowiadających im średnicach charakteryzują się większym procentowym pokryciem punktami pomiarowymi. Wraz ze wzrostem odległości głowicy skanującej od sygnału w postaci półkuli zmniejsza się procentowe pokrycie powierzchni sygnału pomierzonymi punktami, przy czym zmiany te są znacznie większe przy mniejszej średnicy półkuli. Zmiany te nie zależą od prędkości platformy pomiarowej. Tab. 5. Rozkład punktów i linii odwzorowania sygnałów w postaci tarcz Prędkość platformy Liczba odwzorowanych sygnałów Średnia liczba linii skanowania na powierzchni sygnału Średnia liczba pomierzonych punktów na powierzchni sygnału Sygnał w postaci tarczy o wymiarach 35x35cm, grubość linii 1cm (odległość od skanera 2.5m/7.5m) 0-15 14 36 2415 15-25 8 16 960 25-35 6 12 837 35-45 4/2 7/6 432/96 Sygnał w postaci tarczy o wymiarach 15x15cm, grubość linii 1cm (odległość od skanera 2.5m/7.5m) 0-15 12 12 271 15-25 12 6 140 25-35 12/1 4/4 86/31 35-45 12/5 3/3 75/20 Sygnał w postaci tarczy o wymiarach 35x35cm, grubość linii 2cm (odległość od skanera 2.5m/7.5m) 0-15 10/1 43/10 2264/203 15-25 4 18 1406 25-35 2/1 12/44 664/969 35-45 0 0 0 3494

Wyniki zamieszczone w tabeli 5 pokazują, że liczba odwzorowanych sygnałów w postaci tarczy osiąga maksimum dla zakresu prędkości platformy pomiarowej wynoszącym 0-15km/h. Liczba punktów i linii odwzorowania sygnału w postaci tarczy, dla każdej z rozpatrywanych jej wymiarów, zmniejsza się wraz ze wzrostem prędkości platformy pomiarowej, przy czym stopień zmniejszania się tej liczby jest znacznie większy dla tarcz o mniejszych wymiarach. Wraz ze wzrostem odległości głowicy skanującej od sygnału w postaci tarczy zmniejsza się procentowe pokrycie powierzchni sygnału pomierzonymi punktami, przy czym zmiany te są znacznie większe przy mniejszej prędkości platformy pomiarowej. Grubość linii opisujących znak graficzny sygnału płaskiego, przy niewielkiej jego odległości od głowicy skanującej nie wpływa znacząco na jakość jego odwzorowania. Wraz ze wzrostem odległości tarczy od głowicy skanującej oraz prędkości platformy pomiarowej wzrasta średnia liczba linii i punktów pomierzonych na powierzchni tego sygnału. Jednoznaczna identyfikacja niesygnalizowanego znaku regulacji osi torów, ze względu na bardzo małą liczbę linii i punktów odwzorowanych na jego powierzchni, bez względu na prędkość przejazdu platformy pomiarowej, okazała się niemożliwa. Do analizy rozkładu punktów i linii odwzorowania sygnałów przestrzennych przy różnych ich wysokościach względem głowicy skanującej został wybrany sygnał w postaci półkuli. Z poprzednich analiz wynika, że w porównaniu z sygnałami w postaci kul, półkule o odpowiadających im średnicach charakteryzują się większym procentowym pokryciem punktami pomiarowymi. Do analiz wykorzystano sygnały, których odległość od osi pionowej skanera wynosiła 2.5m. Tab. 6. Rozkład punktów i linii odwzorowania wybranych sygnałów przestrzennych w postaci półkuli przy różnej ich wysokości względem głowicy skanującej Prędkość platformy Wysokość sygnału względem głowicy skanera Średnia liczba linii skanowania na powierzchni sygnału Średnia liczba pomierzonych punktów na powierzchni sygnału Sygnał w postaci półkuli o średnicy 30cm 0-15 poniżej/powyżej 24/24 893/1012 15-25 poniżej/powyżej 13/13 476/535 25-35 poniżej/powyżej 8/9 276/318 35-45 poniżej/powyżej 7/8 370/377 Sygnał w postaci półkuli o średnicy 20cm 0-15 poniżej/powyżej 19/18 467/536 15-25 poniżej/powyżej 9/9 245/279 25-35 poniżej/powyżej 6/6 170/170 35-45 poniżej/powyżej 4/5 111/142 Sygnał w postaci półkuli o średnicy 15cm 0-15 poniżej/powyżej 14/14 291/298 15-25 poniżej/powyżej 8/7 166/167 25-35 poniżej/powyżej 4/5 80/106 35-45 poniżej/powyżej 4/4 73/79 Wyniki zamieszczone w tabeli 6 pokazują, że średnia liczba linii odwzorowania sygnału w postaci półkuli, dla wszystkich rozpatrywanych jego wymiarów (średnic) nie zależy od jego położenia względem głowicy skanującej. Średnia liczba punktów skaningu laserowego pomierzonych na powierzchni sygnału w postaci półkuli jest większa dla sygnałów położonych nieco powyżej głowicy skanującej. Na podstawie przeprowadzonych analiz rozkładu linii i punktów odwzorowania poszczególnych sygnałów zostały wybrane te, dla których przy różnych zakresach prędkości platformy pomiarowej w sposób bezpośredni lub pośredni (na podstawie jego właściwości geometrycznych) można było wyznaczyć ich punkt przyłożenia do znaku regulacji osi torów. W grupie sygnałów przestrzennych warunku tego nie spełniały kule i półkule o średnicy 10cm odwzorowane metodą skaningu laserowego przy prędkości platformy skanującej powyżej 25km/h. Bezpośrednia identyfikacja środka sygnału była możliwa dla wszystkich sygnałów płaskich odwzorowanych przy prędkości skanowania nie większej niż 15km/h. Wyznaczenie środka sygnału na podstawie geometrii jego wzoru 3495

graficznego okazało się możliwe dla wszystkich sygnałów płaskich o wymiarach 35x35 cm odwzorowanych przy prędkości skanowania nie większej niż 25km/h. Wraz ze wzrostem odległości sygnału od platformy pomiarowej (systemu skanującego) zmieniają się właściwości jego odwzorowania. Stwierdzono, że w grupie sygnałów przestrzennych poprawnie odwzorowują się kule i półkule o średnicy powyżej 20cm przy prędkości platformy skanującej do 35km/h. Stwierdzono również, że począwszy od dwukrotnego zwiększenia odległości sygnału płaskiego od głowicy skanującej, jakość jego odwzorowania w zbiorze punktów skaningu laserowego staje się niedostateczna. W przypadku zobrazowań wideo, ocena możliwości bezpośredniej identyfikacji środków sygnałów na modelach stereoskopowych, a także ich identyfikacji na podstawie pomiaru korelacyjnego została odniesiona wyłącznie do sygnałów płaskich. Ze względu na jednorodną teksturę sygnałów przestrzennych w formie kul i półkul, a tym samym ich ograniczone właściwości korelacyjne stwierdzono, że dla tego typu sygnałów wyznaczenie bezpośrednie lub pośrednie punktu jego przyłożenia do znaku regulacji osi torów na podstawie pomiarów fotogrametrycznych nie jest możliwe. Ten sam problem dotyczy niesygnalizowanych znaków regulacji osi torów odwzorowanych na obrazach wideo. Stwierdzono, że dla wszystkich typów sygnałów płaskich bez względu na prędkość przejazdu platformy pomiarowej istnieje możliwość wyznaczenia środka sygnału metodą bezpośredniego pomiaru lub pomiaru autokorelacyjnego na stereoskopowych obrazach wideo. Dwukrotne zwiększenie odległości kamery wideo od sygnału płaskiego nie pogarsza tych właściwości. WNIOSKI Interaktywne modelowanie przestrzenne skrajni linii kolejowej z wykorzystaniem zbioru punktów naziemnego skaningu laserowego wymaga jego kalibracji w oparciu o geodezyjną osnowę kolejową. Geodezyjna osnowa kolejowa, stabilizowana w postaci znaków regulacji osi torów nie jest możliwa do bezpośredniej identyfikacji na stereoskopowych obrazach wideo, a także w zbiorze punktów naziemnego skaningu laserowego, zarówno mobilnego jak i statycznego i wymaga sygnalizacji. Najlepszą formą sygnalizacji znaku regulacji osi torów jest związany z nim mimośrodowo sygnał przestrzenny w postaci kuli lub półkuli. Jakość odwzorowania tego rodzaju sygnału w zbiorze punktów skaningu laserowego zależy od prędkości platformy skanującej oraz jego odległości od urządzenia skanującego. Pomiar elementów skrajni linii kolejowej metodą naziemnego skaningu laserowego należy realizować przy prędkości platformy skanującej nie większej niż 35km/h. Do kalibracji geometrycznej pomierzonego zbioru punktów należy wykorzystać znaki regulacji osi torów sygnalizowane za pomocą półkuli o średnicy nie mniejszej niż 20cm. Odwzorowanie sygnału płaskiego w zbiorze punktów skaningu laserowego jest możliwe przy zachowaniu na jego powierzchni ściśle określonego rysunku geometrycznego. Jakość odwzorowania tego rodzaju sygnału w zbiorze punktów skaningu laserowego zależy głównie od prędkości platformy skanującej, mniej zaś od jego odległości od urządzenia skanującego. Do kalibracji geometrycznej zbioru punktów naziemnego skaningu laserowego opisującego skrajnię linii kolejowej można zastosować znaki regulacji osi torów sygnalizowane w postaci tarcz, których rysunek geometryczny będzie miał wymiary nie mniejsze niż 35x35cm. Jednakże, dla tego rodzaju sygnalizacji prędkość platformy skanującej nie powinna być większa niż 25km/h. Pomiar elementów skrajni linii kolejowej metodą fotogrametryczną na modelach stereoskopowych obrazów wideo stanowi uzupełnienie dla pomiaru techniką naziemnego skaningu laserowego. Do orientacji zewnętrznej bloków obrazów wideo można wykorzystać znaki regulacji osi torów sygnalizowane za pomocą tarczy. Jednakże jej wymiary nie są determinowane prędkością platformy pomiarowej. 3496

Streszczenie W artykule została przedstawiona metodyka sygnalizacji punktów geodezyjnej kolejowej osnowy specjalnej niezbędnych do kalibracji pomiarów skrajni linii kolejowej realizowanych techniką naziemnego mobilnego skaningu laserowego oraz metodami fotogrametrycznymi z wykorzystaniem modeli stereoskopowych obrazów wideo. Analizie zostały poddane sygnały przestrzenne i płaskie, dla których został wyznaczony rozkład powierzchniowy linii i punktów skanowania decydujący o jakości ich odwzorowania, a także zostały opracowane modele stereoskopowe obrazów wideo. Przedmiotem badań była jakość odwzorowania sygnału i związek funkcyjny tego odwzorowania z rodzajem i wymiarami sygnału, jego położeniem względem sensora obrazującego, a także prędkością platformy pomiarowej. W przypadku obrazów wideo przedmiotem badań było określenie możliwości realizacji pomiaru manualnego lub automatycznego poszczególnych typów sygnałów na modelach stereoskopowych. Na podstawie przeprowadzonych analiz zostały sformułowane zalecenia dotyczące sygnalizacji kolejowej osnowy specjalnej w aspekcie pomiarów mobilnych skrajni linii kolejowej. Methodology of the signaling of railway special control points in the aspect of railway lines codification process. Abstract The methodology of the signaling of the railway special geodetic control points which are needed to calibrate measuring data for imaging of the gauge railway line was presented in this article. These data were measured using terrestrial laser scanning methods as well as photogrammetric method based on video images. The analysis of the spatial and superficial signals was executed. For each surface of the signal a distribution of the scan lines and points as well as video stereo models were appointed. The subject of research was the quality of the signal imaging and his functional relationship with type and dimensions of the signal, his position in relation to the sensor and also speed of the measuring platform. In the case of video images the qualification of the possibility of realization manual or automatic measurement for the individual signal types on the stereo video models was the subject of research. On the basis of conducted analyses the recommendations for signaling of railway special control points were formulated. BIBLIOGRAFIA 1. Dobrowolski B., Uniwersalność kolejowej osnowy specjalnej. Geodezja/Akademia Górniczo- Hutnicza im. Stanisława Staszica, 2002, T. 8, z.1, str. 115-120 2. Etmanowicz A., Poliński J., Kodowanie linii kolejowych dla potrzeb przewozu przesyłek ponadgabarytowych. Problemy kolejnictwa, 1994, Zeszyt 117. 3. Jałocha-Koch H., Kodyfikacja linii kolejowych dla potrzeb przewozu przesyłek z przekroczona skrajnią w powiązaniu z kodyfikacją linii transportu kombinowanego. CNTK, 1993, Praca nr 1908/26 4. Królikowski J., Geodeta na czterech kółkach. Geodeta nr 8, Warszawa 2009 5. Mikrut S., Pyka K., Tokarczyk R., Systemy do pomiaru skrajni kolejowej przegląd i tendencje rozwojowe. Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, 2012, vol. 23, str. 291-301 6. Poliński J., Znaczenie kodyfikacji linii i przesyłek dla oferty przewozowej kolei. tts 3/2003, str. 49-53. 7. Pyka K., Mikrut S., Moskal A., Pastucha E., Tokarczyk R., Problemy automatycznego modelowania i teksturowania obiektów opisujących skrajnię linii kolejowej, 2013, Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, vol. 25, str. 177-188. 8. Szadkowski A., Mobilne skanowanie obiektów liniowych. Geodeta nr 2, Warszawa 2010 9. Tokarczyk R., Mikrut S., Huppert M., Fotogrametryczny cyfrowy system bliskiego zasięgu do pomiaru skrajni kolejowej, Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, 2000, vol. 10, str. 64-1 - 64-6. 10. Wytyczne dla osadzania znaku regulacji osi toru na konstrukcjach wsporczych (słupach) sieci trakcyjnej Ig-6, Warszawa, 2011 3497