CN106043355A - 一种铁路检测车沉降和位姿的高精度摄像测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铁路检测车沉降和位姿的高精度摄像测量方法，包括两种实现方案，方案一为基于立体分布标志摄像测量方案，在铁轨旁边的地面上布置空间立体分布的多个摄像测量标志，摄像标志间的相对关系已知，检测车行驶经过地面标志时，利用检测车平台上安装的摄像测量系统观测标志，通过对标志图像的分析，实现对检测车沉降和姿态参数的动态高精度测量；方案二为基于平面反射镜的摄像测量方案，在铁路外地面上布置平面镜设施，在检测车上安装摄像机成像分析系统和点光源，当检测车行驶经过平面镜设施时，利用车载摄像系统拍摄并检测平面镜中车载点光源的像点，通过图像分析测量点光源像点在平面镜中的移动，计算检测车平台的高度变化，实现对铁路基础的沉降测量。

Description

一种铁路检测车沉降和位姿的高精度摄像测量方法

技术领域

本发明涉及轨道交通动态监测、摄像测量领域，具体涉及一种铁路检测车沉降和位姿的高精度摄像测量方法，本发明通过在地面设置摄像标志，在检测车上安装摄像测量系统，高精度测量铁路检测车自身的沉降和位姿，为铁路轨道基础沉降高精度动态测量提供关键技术支撑。

背景技术

当前铁路基础沉降测量与监测的手段主要是地面静态测量，通过采用水准仪、测距仪、经纬仪及全站仪等测绘仪器，设立监测网基准点、工作基点和沉降变形点，分段引入参考基准点的高程数据，由人工进行测量。这种地面静态测量方法观测周期长、效率低、工作量大、测量成本高、设施维护成本高，难以实现对桥梁沉降的连续、高频度的观测，不能适应高铁建设和运营维护的需求。在动态测量设备方面，可进行线路绝对偏移测量的检测小车作业效率低，且严重依赖高速铁路工程测量平面控制网；速度相对较快的轨检车、综合检测车只能轨道相对不平顺，不能检测铁路基础的绝对沉降。

通过高精度测量铁路检测车沉降和位姿实现铁轨基础的沉降动态测量是一条可行的方法。由于铁路路基的绝对沉降量监测需要达到2-5毫米测量精度的高要求，检测车自身平台的沉降和位姿的高精度测量是关键技术之一。运动平台自身位置的测量技术又称为导航技术，其中常用的卫星导航和惯性导航均达不到铁路桥梁基础沉降测量要求。摄像测量方法具有测量精度高的优点，利用摄像测量方法，配合惯性测量等手段可以实现铁路检测车自身的沉降和位姿的高精度测量，满足铁路基础沉降测量需求。

发明内容

本发明提供一种铁路检测车沉降和位姿的高精度摄像测量方法，通过在地面设置摄像标志，在检测车上安装摄像测量系统，当检测车行经地面摄像标志处时对地面摄像标志成像，通过对图像的分析，利用摄像测量方法实现对检测车沉降和姿态参数进行动态高精度测量。

地面摄像标志设置在铁路两侧一定距离的稳固地面上，保证检测车经过地面摄像标志处时能够对地面标志清晰成像。优选的，地面摄像标志设置位置在铁路保护范围内尽量远，避免摄像标志处地面随铁轨一同沉降。地面摄像标志每间隔一定距离设置一组，优选的，相邻两组地面摄像标志间隔即能保证此距离间高程测量的精度，又能使设置的标志尽可能少。

本发明提供两种铁路检测车的沉降摄像测量方法，实际应用中可根据工程条件优选其中一种方案或对两种方案进行优化组合。

（1）基于立体分布标志的摄像测量

在铁轨旁边的地面上布置空间立体分布的多个摄像测量标志，摄像标志间的相对关系已知。当检测车行驶经过地面标志时，利用检测车平台上安装的摄像测量系统观测标志，若检测车所处的高度变化，则立体分布标志的成像关系会发生变化，该成像关系的变化可用来计算检测车高度和姿态的变化。立体分布标志中垂直铁路方向布设的标志间的像点的相对关系仅对检测车的高程敏感，而基本不受相机姿态，即光轴指向的影响；而平行铁路方向布设的标志间的像点相对关系对检测车姿态比较敏感，尤其对铁轨不平顺造成的检测车俯仰角（检测车平台所在平面与铁轨基准平面夹角在沿轨道方向竖直面内的投影角度）比较敏感。利用多个立体分布摄像标志，通过对标志图像的分析，可以实现对检测车沉降和姿态参数的动态高精度测量，进而可以高精度动态监测铁路基础沉降和几何参数。

（2）基于平面反射镜的摄像测量

在铁路外地面上布置平面镜设施，在检测车上安装摄像机成像分析系统和点光源，当检测车行驶经过平面镜设施时，利用车载摄像系统拍摄并检测平面镜中车载点光源的像点，当铁路基础发生沉降时，检测车高度就会发生变化，车载点光源和摄像系统随同检测车沉降，点光源在平面镜中的像点就会发生移动。通过图像分析，测量点光源像点在平面镜中的移动，计算检测车平台的高度变化，实现对铁路基础的沉降测量。

与现有技术相比，本发明具有以下明显的优点：

1）本发明利用摄像测量方法高精度测量铁路检测车自身的沉降和位姿，具有测量精度高、速度快的优点，能够为铁路轨道基础沉降高精度动态测量提供关键技术支撑，有利于解决铁路基础沉降变形的车载自动高速动态监测难题，

2）本发明方法给出了两种摄像除了方案，实际应用中可根据工程条件优选其中一种方案或对两种方案进行优化组合，本发明方法相关技术还可用于铁路沿线CPⅢ点位沉降。

附图说明

图1为基于立体分布标志的检测车沉降摄像测量布设示意图，

图2为基于立体分布标志的检测车姿态摄像测量布设示意图，

图3为基于立体分布标志的检测车沉降摄像测量原理示意图，

图4为沉降导致前标志图像位移差示意图，

图5为沉降导致后标志图像位移差示意图，

图6为基于立体分布标志的检测车姿态摄像测量原理示意图，

图7为基于平面反光镜的检测车沉降摄像测量布设示意图，

图8为基于平面反光镜的检测车沉降摄像测量原理示意图，

图9为沉降导致的平面反光镜中点光源图像位移差示意图。

具体实施方式

（1）基于立体分布标志的摄像测量

在铁路外的地面上布置空间立体分布的多个摄像测量标志，摄像标志间的相对关系已知, 通过对图像上标志间成像关系的分析，实现对检测车沉降和姿态参数的分别测量。

1）基于立体分布标志的沉降摄像测量

由于动态测量中检测车平台会发生晃动，车载摄像测量系统指向和姿态会发生变化，测量检测车沉降必须合理设计立体分布标志，使测量基本不受相机姿态，即光轴指向的影响。本发明利用立体分布标志中垂直铁路方向布设的标志间的像点的相对关系仅对检测车的高程敏感，而基本不受相机姿态影响的特点测量检测车沉降量。

检测车沉降摄像测量布设示意图如图1所示（作为示意仅画出两个标志），利用摄像测量系统拍摄垂直铁路线方向布设的地面标志。测量原理如图2所示的简化示意图来描述。设前标志距离桥梁分别为L1，前后标志间的距离为L2，前标志高度为H2，后标志高度为H3，摄像测量系统在沉降前高H1。当沉降ΔH1时，前后标志杆相对于摄像测量系统视点产生ΔH2的相对高差，利用该高差成像分析测量得到检测车平台的沉降。立体标志的控制点（如前后标志的顶端）在沉降前后由于视点的高差变化会在像机图像上发生的位移。如图4所示，沉降前图像中前后标志杆顶端的高差为h0，沉降后，标志杆顶端图像发生了相对位移，图像中标志杆顶端的高差变为h。不同的沉降量引起的位移变化（h- h0）不同，据此测量摄像测量系统固连的检测车平台的沉降量。前后标志杆的图像位移差与两个物理位移量和的关系可以根据相似三角形原理推得：

（1）

其中为桥梁沉降量（也即摄像测量系统下降量），为桥梁沉降时前后标志杆相对于摄像测量系统视点相对高差变化，为前标志到桥梁距离，为前后标志间的距离，为摄像系统1个像素对应的空间高度，为前后标志杆的图像位移差。

当合理控制前后间距以及标志与检测车的距离时，沉降测量精度可达到毫米或亚毫米级。由于单台像机视场小，检测车晃动可能引起标志离开视场，使用中可采用多个像机组成阵列扩大观测视场，保证对目标标志的稳定成像。

2）基于立体分布标志的姿态摄像测量

本发明利用平行铁路方向布设的标志间的像点相对关系对检测车姿态比较敏感，尤其对铁轨不平顺造成的检测车俯仰角（检测车平台所在平面与铁轨基准平面夹角在沿轨道方向竖直面内的投影角度）比较敏感的特点测量检测车姿态。

如图2所示，通过在铁路外侧沿轨道方向依次布置标志（作为示意，图中仅画两个标志），利用固连于检测车的像机（一个或多个）对标志成像，通过图像分析计算检测车姿态。假设沿轨道方向前后标志的顶端处于同一水平面，则根据对前后标志成像的高度差异就可以测量成像系统俯仰角，如图6所示。假设前后标志在图像中的间距为L，双标志成像高度差为Δh，则检测车俯仰角为

（2）

其中为检测车俯仰角，为前后标志杆的图像位移差，为前后标志在图像中的间距。

考虑到像机视场限制，前后标志间距较大时成像系统可采用宽视场单像机也可采用多像机，通过合理设计成像系统和标志间距，检测车俯仰角姿态测量精度可以达到角秒级。

（2）利用平面反射镜的摄像测量方法

在铁路外地面上布置平面镜设施，在检测车上安装摄像机成像分析系统和点光源，利用车载摄像系统拍摄并检测平面镜中车载点光源的像点，通过图像分析，测量点光源像点在平面镜中的移动，计算检测车平台的高度变化，实现对铁路基础的沉降测量。

测量布设示意图如图7所示，在桥梁外布置平面镜设施，利用车载摄像系统拍摄并检测平面镜中车载点光源的像点，当发生沉降时，点光源和摄像系统随同检测车沉降，点光源在平面镜中的像点就会发生移动。

测量原理可由如图8所示的简化示意图来描述。当摄像机和点光源沉降量为d时，视点从P处变化到P′处，对应平面镜中的点光源的像点平移距离d′。d′和d的关系可由平面镜光线反射原理推导得到，如当像机正视平面镜时d= d′。通过测量平面镜中点光源像点相对平面镜基准线的位移测量检测车平台的沉降量。

本方案中检测车动态晃动时像机姿态发生变化，但只要位置不变，点光源在平面镜中的像点相对平面镜中心基准线的位置就不变，即本方案的平台沉降测量不受检测车动态晃动的影响。

沉降前后与摄像机固连的点光源位置发生变化，经摄像机成像后，其镜面反射像点和镜面的相对成像关系发生变化如图9所示。结合图8由中心透视投影成像原理，物点到光轴的距离与像点到光轴的距离满足，其中为物点到光轴的距离，为物距，为像点到光轴的距离，为焦距。

由于，故由像点位移可得像机沉降量为，其中为桥梁沉降量，为像点位移变化，为物距，为焦距。

通过合理设置系统参数，可以达到毫米级沉降测量精度要求。

Claims (1)

1.一种铁路检测车沉降和位姿的高精度摄像测量方法，通过在地面设置摄像标志，在检测车上安装摄像测量系统，当检测车行经地面摄像标志处时对地面摄像标志成像，通过对图像的分析，利用摄像测量方法实现对检测车沉降和姿态参数进行动态高精度测量，具体包括：

（1）基于立体分布标志的摄像测量，具体为：

在铁路外的地面上布置空间立体分布的多个摄像测量标志，摄像标志间的相对关系已知, 通过对图像上标志间成像关系的分析，实现对检测车沉降和姿态参数的分别测量，

1）基于立体分布标志的沉降摄像测量

由于动态测量中检测车平台会发生晃动，车载摄像测量系统指向和姿态会发生变化，测量检测车沉降必须合理设计立体分布标志，使测量基本不受相机姿态，即光轴指向的影响，利用立体分布标志中垂直铁路方向布设的标志间的像点的相对关系仅对检测车的高程敏感，而基本不受相机姿态影响的特点测量检测车沉降量，

利用摄像测量系统拍摄垂直铁路线方向布设的地面标志，设前标志距离桥梁分别为L1，前后标志间的距离为L2，前标志高度为H2，后标志高度为H3，摄像测量系统在沉降前高H1，当沉降ΔH1时，前后标志杆相对于摄像测量系统视点产生ΔH2的相对高差，利用该高差成像分析测量得到检测车平台的沉降，立体标志的控制点在沉降前后由于视点的高差变化会在像机图像上发生的位移，沉降前图像中前后标志杆顶端的高差为h0，沉降后，标志杆顶端图像发生了相对位移，图像中标志杆顶端的高差变为h，不同的沉降量引起的位移变化h～h0不同，据此测量摄像测量系统固连的检测车平台的沉降量，前后标志杆的图像位移差与两个物理位移量和的关系根据相似三角形原理推得：

（1）

其中为桥梁沉降量，也即摄像测量系统下降量，为桥梁沉降时前后标志杆相对于摄像测量系统视点相对高差变化，为前标志到桥梁距离，为前后标志间的距离，为摄像系统1个像素对应的空间高度，为前后标志杆的图像位移差，

2）基于立体分布标志的姿态摄像测量

利用平行铁路方向布设的标志间的像点相对关系对检测车姿态比较敏感，尤其对铁轨不平顺造成的检测车俯仰角比较敏感的特点测量检测车姿态，

通过在铁路外侧沿轨道方向依次布置标志，利用固连于检测车的像机对标志成像，通过图像分析计算检测车姿态，假设沿轨道方向前后标志的顶端处于同一水平面，则根据对前后标志成像的高度差异就可以测量成像系统俯仰角，假设前后标志在图像中的间距为L，双标志成像高度差为Δh，则检测车俯仰角为

（2）

其中为检测车俯仰角，为前后标志杆的图像位移差，为前后标志在图像中的间距，考虑到像机视场限制，前后标志间距较大时成像系统可采用宽视场单像机也可采用多像机，通过合理设计成像系统和标志间距，检测车俯仰角姿态测量精度可以达到角秒级；

（2）基于平面反射镜的摄像测量，具体为：

在铁路外地面上布置平面镜设施，在检测车上安装摄像机成像分析系统和点光源，利用车载摄像系统拍摄并检测平面镜中车载点光源的像点，通过图像分析，测量点光源像点在平面镜中的移动，计算检测车平台的高度变化，实现对铁路基础的沉降测量，

在桥梁外布置平面镜设施，利用车载摄像系统拍摄并检测平面镜中车载点光源的像点，当发生沉降时，点光源和摄像系统随同检测车沉降，点光源在平面镜中的像点就会发生移动，

当摄像机和点光源沉降量为d时，视点从P处变化到P′处，对应平面镜中的点光源的像点平移距离d′，d′和d的关系由平面镜光线反射原理推导得到，如当像机正视平面镜时d=d′，通过测量平面镜中点光源像点相对平面镜基准线的位移测量检测车平台的沉降量，

检测车动态晃动时像机姿态发生变化，但只要位置不变，点光源在平面镜中的像点相对平面镜中心基准线的位置就不变，即本方案的平台沉降测量不受检测车动态晃动的影响，

沉降前后与摄像机固连的点光源位置发生变化，经摄像机成像后，由中心透视投影成像原理，物点到光轴的距离与像点到光轴的距离满足，其中为物点到光轴的距离，为物距，为像点到光轴的距离，为焦距，

由于，故由像点位移得像机沉降量为，其中为桥梁沉降量，为像点位移变化，为物距，为焦距。