1 引言

鐵路基礎(chǔ)設(shè)施相比于其他基礎(chǔ)設(shè)施，使用年限更長，維護(hù)保養(yǎng)（以下簡稱“維?！保┑囊蠹俺杀靖摺Ｈ绾问硅F路基礎(chǔ)設(shè)施維保管理在實(shí)現(xiàn)高精度的同時，更加高效和節(jié)省人力，是日本鐵路行業(yè)亟待解決的問題。

日本鐵道綜合技術(shù)研究所（以下簡稱“鐵道綜研”）以實(shí)現(xiàn)高效、高精度的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施目視檢查為目的，基于3D可視化技術(shù)，開發(fā)出鐵路基礎(chǔ)設(shè)施目視檢查輔助系統(tǒng)（以下簡稱“目視檢查輔助系統(tǒng)”）。該系統(tǒng)可在計算機(jī)上以3D模型的形式對被檢基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行再現(xiàn)（圖1），并將這些模型活用于日?；A(chǔ)設(shè)施檢查中。本文將對該系統(tǒng)及其應(yīng)用進(jìn)行介紹。

2 目視檢查輔助系統(tǒng)

目視檢查輔助系統(tǒng)可利用圍繞著被檢基礎(chǔ)設(shè)施步行時所拍攝的視頻生成相應(yīng)的3D模型。其所需的視頻拍攝工具僅為商用可穿戴式攝像機(jī)，無需全球定位系統(tǒng)（GPS）設(shè)備及其他特殊儀器。在利用專業(yè)軟件將視頻錄入后，系統(tǒng)即可半自動地生成所拍攝基礎(chǔ)設(shè)施的3D模型，因此其使用十分簡便，無需操作人員具備圖像處理專業(yè)知識。

該系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是，檢查人員無需身臨其境，即可通過3D模型檢查和確認(rèn)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)等。在傳統(tǒng)目視檢查中，檢查人員通常只對基礎(chǔ)設(shè)施變形、破損等需要留意之處進(jìn)行拍照和記錄，如此則后續(xù)無法了解基礎(chǔ)設(shè)施在檢查時的整體情況，也難以通過照片上的內(nèi)容還原現(xiàn)場各設(shè)施之間的精確位置關(guān)系。而目視檢查輔助系統(tǒng)可將目視范圍內(nèi)的全部信息以3D模型的形式保存下來，在不額外增加檢查工作量的同時，大幅提高了檢查記錄的信息量。

此外，該系統(tǒng)還可通過將3D模型或靜態(tài)照片做成記錄底帳的方式，比較不同時期生成的3D模型，從而提高目視檢查的效率和精度。

下面將列舉2個利用該系統(tǒng)生成3D模型的實(shí)例。圖2展示了一座增強(qiáng)混凝土試驗(yàn)橋梁的3D模型，是利用在橋梁下徒步繞行時拍攝的、長約1 min 40 s的視頻生成。圖3展示的是利用長約2 min 30 s視頻（行走時拍攝的）生成的天然坡面3D模型。由于該系統(tǒng)是從視頻動畫中抽取靜態(tài)畫面并生成3D模型，因此靜態(tài)畫面的獲取位置、張數(shù)等信息也在圖2、圖3中有所體現(xiàn)。

3 提高 3D 模型重建精度的方法

在拍攝被檢基礎(chǔ)設(shè)施視頻影像時，將可穿戴式攝像機(jī)安裝在頭盔上，這樣可確保所拍攝的是目視方向的影像，防止在手持拍攝時，攝像機(jī)的指向和目視方向不同，導(dǎo)致漏拍某些重要位置。

然而，當(dāng)被檢基礎(chǔ)設(shè)施的形狀比較復(fù)雜時，可能出現(xiàn)3D模型無法充分重建其細(xì)節(jié)的情況。圖4a展示了用1臺安裝于頭盔上的攝像機(jī)所拍攝視頻生成的增強(qiáng)混凝土高架橋3D模型。由圖可知，部分橋墩沒有清晰重建，其原因在于，各橋墩之間有拍攝死角，導(dǎo)致無法拍攝到足以生成完整3D模型的影像，以及拍攝時由于重點(diǎn)關(guān)注橋梁下面的墩-梁連接部分，對于橋墩的拍攝不夠充分。

為解決上述問題，可通過增加頭盔上攝像機(jī)數(shù)量、擴(kuò)大拍攝視角的方式，提高3D模型的重建精度，如圖4b～圖4d所示。由圖可知，在增加頭盔上的攝像機(jī)數(shù)量之后，包括橋墩在內(nèi)的增強(qiáng)混凝土高架橋整體3D模型的重建精度明顯提高。然而，增加頭盔上攝像機(jī)數(shù)量容易引起頸部疲勞，因此在現(xiàn)實(shí)操作中建議使用2～3 臺攝像機(jī)。

4 應(yīng)用

3D模型的優(yōu)點(diǎn)是可以從多角度展現(xiàn)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，若進(jìn)一步對比其在不同時間的3D形態(tài)變化，則可提高對其結(jié)構(gòu)變形的檢查精度。

例如，在檢查如圖5所示的石砌護(hù)墻時，若少量石塊從護(hù)墻上脫落，且與上次檢查相比變化量很小，則僅憑目視檢查難以判定存在石塊脫落的情況；但若每次檢查都生成并保存3D模型，則可通過比較前后兩次檢查的結(jié)構(gòu)斷面形狀等數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)不同，從而檢查出石塊脫落的問題。

為驗(yàn)證目測檢查輔助系統(tǒng)對石塊脫落程度的評估效果，研究人員通過粘貼黏土再使之掉落的方式模擬石塊的脫落，并采用激光測量的方法獲得護(hù)墻截面形狀的真實(shí)尺寸。然后，他們利用在距離護(hù)墻2 m遠(yuǎn)處拍攝的視頻生成石砌護(hù)墻的3D模型，并從中獲取圖5b所示位置的截面形狀；再通過將黏土掉落前后的3D模型截面形狀與實(shí)測截面形狀進(jìn)行比較，驗(yàn)證該系統(tǒng)對石塊脫落量的評估精度，如圖 6所示。由圖可知，該系統(tǒng)的評估精度較高。

此外，為研究攝像位置的影響，研究人員還在距離護(hù)墻8 m處拍攝視頻，生成3D模型，并進(jìn)行同樣的驗(yàn)證，雖然難以定量評估石塊脫落量，但根據(jù)比對結(jié)果仍能確認(rèn)石塊脫落現(xiàn)象的存在。因此，即使攝像位置距離被檢基礎(chǔ)設(shè)施較遠(yuǎn)，但利用其生成的3D模型也可在一定程度上檢查出基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)變形的信息。