基于近景摄影测量监测高速铁路轨道表面复合变形的研究

高速铁路轨道表面的平顺性与稳定性对于列车安全运营至关重要，然而轨道结构由于受轮轨动力反复作用、路基工后时序沉降、轨道板温度梯度翘曲变形、扣件对钢轨横向位移等综合影响，轨道表面呈现复合型的三维形变，尤其是横向位移与竖向沉降对轨向平顺度与高低平顺度影响最为显著。为开展高速铁路轨道几何状态的稳定性监测，并探索一种能够实现连续长轨道高精度变形检测新途径，本项目提出基于近景摄影测量监测轨道表面复合变形的理论与方法研究。以移动近景摄影获取轨道多基线数字图像，采用尺度不变的特征变换方法（SIFT）提取轨道特征线并匹配影像同名点，以轨道精调基准网作为图像控制点，采用自检校光束法轨道区域网平差，联合求解影像的外方位元素和轨道表面三维坐标，并根据时序影像数据分析轨道平顺度时空演变特征，最终形成一套集近景摄影测量与复合变形分析于一体的轨道几何健康监测新方法。

课题组探索了检测高速铁路轨道几何状态及其形变监测的近景摄影测量新方法，自主设计和研制了近景摄影轨道检测小车装置，采用车载多线程图像采集方法实时获取高分辨轨道数字影像，利用摄影测量空间解析几何关系和轨道影像自动匹配方法，计算获得轨道几何状态参数，为轨道平顺性检测及其稳定性监测探索出高效实用的摄影测量新方法。项目主要研究了车载近景影像轨道边缘提取与精确匹配算法，建立了轨道影像同名点之间的坐标几何映射模型，解决了高速铁路轨道影像在灰度数值相似性较高时的匹配困难问题。利用近景摄影测量的空间解析几何理论建立了轨道三维坐标及其几何状态参数的计算方法，推导出轨道几何坐标的精度评估模型，计算表明，近景摄影测量轨道点的三维坐标具有高精度潜力，在三维方向上的中误差均小于1.0mm。探索了车载近景摄影轨道坐标测量精度的影响因素及其变化规律，测量数据表明，近景摄影基线变化显著影响轨道几何状态的测量精度，邻近摄影间距的长度增加有助于减小轨道坐标中误差和提高轨道测量精度，而增大摄影基线长度会导致影像同名点难以准确匹配的负面效应，通过理论模型和现场试验确定了一个轨枕间距的摄影基线长度可有效平衡测量精度与影像匹配的相互制约关系。研制的轨道近景摄影测量系统分别在京沪高速铁路大胜关大桥、杭甬客运专线绍兴段、成灌快速铁路彭州支线、成渝高速铁路资阳段等线路上进行了试验测试。研究结果表明，近景摄影轨道检测系统具有高精度、高效率、连续长轨道测量和图像智能识别的显著特点，可为轨道线形测量、平顺性参数检测及其几何变形监测提供重要的检测新方法。依托本项目研究，课题组发表学术论文16篇，其中SCI检索4篇，EI检索7篇，培养研究生5名，获得授权实用新型专利1项(ZL 2013 2 0696431.7)，申请发明专利1项。