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论文-第二章近景摄影测量的理论-2.1近景摄影测量的基本概念
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(论文)数字近景摄影测量在库区高边坡监测中的应用
Application of Digital Close-Range Photogrammetry to the Deformation-Observing for Reservoir Edge
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3、感谢您使用本站，1秒后自动跳转2014高速铁路轨道几何状态的车载摄影快速检测方法与试验_陈强-五星文库
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2014高速铁路轨道几何状态的车载摄影快速检测方法与试验_陈强
导读：高速铁路轨道几何状态的车载摄影快速检测方法与试验，摘要：为实现高速铁路轨道静态几何平顺性的快速检测与准确评估，本文提出基于车载近景摄影采集轨道数字图像以检测轨道线形的方法，以轨道板和轨道面稀疏布设的像控点作为约束条件，使用近景摄影测量空间解析几何模型，平差解算轨道测点三维坐标，仿真计算结果表明：车载近景摄影测量轨道平面坐标的精度为０．高程精度为０．在杭甬客，车载摄影沿轨向测量的绝对坐标精度为０第３６卷第３期０１４年３月２　　　铁　　道　　学　　报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＴＨＥＣＨＩＮＡＲＡＩＬＷＡＹＳＯＣＩＥＴＹ　　　　　　Ｖｏｌ．３６　Ｎｏ．３Ｍａｒｃｈ０１４　２（）文章编号：１００１８３６１２０１４０３００８００７－－－高速铁路轨道几何状态的车载摄影快速检测方法与试验陈　强，　刘丽瑶，　杨莹辉，　佘　毅（）西南交通大学遥感信息工程系，四川成都　６１００３１摘　要：为实现高速铁路轨道静态几何平顺性的快速检测与准确评估，本文提出基于车载近景摄影采集轨道数字图像以检测轨道线形的方法。采用轨面移动平台搭载数码相机采集连续高分辨率数字影像，以轨道板和轨道面稀疏布设的像控点作为约束条件，使用近景摄影测量空间解析几何模型，平差解算轨道测点三维坐标。仿真计算结果表明：车载近景摄影测量轨道平面坐标的精度为０．高程精度为０．在杭甬客运专线无砟轨道２ｍｍ，３ｍｍ；车载摄影沿轨向测量的绝对坐标精度为０．垂直于轨向的精度为０．沿轨向上的现场试验结果表明，６ｍｍ、８ｍｍ，的相对精度为０．垂直于轨向的相对精度为０．验证了车载摄影测量方法用于轨道静态几何参数检２ｍｍ、７ｍｍ，测的可靠性与高精度潜力。关键词：车载摄影测量；铁路轨道；静态几何状态；精度评估：／中图分类号：Ｕ２１６．３　　文献标志码：Ａ　　ｄｏｉ１０．３９６９８３６１．２０１４．０３．０１３．ｉｓｓｎ．１００１－ｊＳｔａｔｉｃＧｅｏｍｅｔｒＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＨｉｈｓｅｅｄＲａｉｌｗａＴｒａｃｋｓｂ　　　－　　ｙｇｐｙｙ　　ＶｅｈｉｃｌｅｂｏｒｎｅＰｈｏｔｏｒａｍｍｅｔｒ－　ｇｙ，，，ａｏＣＨＥＮ　ＱｉａｎＩＵＬｉＹｉｎｈｕｉＨＥＹｉ　Ｌ　　ＹＡＮＧ　　Ｓ　ｙｇｇ－－（，，ＤｅａｒｔｍｅｎｔｏｆＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎａｎｄＧｅｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｉｎｅｅｒｉｎＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔＣｈｅｎｄｕ６１００３１，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　ｐｇｇｇｇｙｇ　　：ＡｂｓｔｒａｃｔＧｅｏｍｅｔｒｉｃｒｅｕｌａｒｉｔａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｏｆｒａｉｌｗａｔｒａｃｋｓａｒｅｉｍｏｒｔａｎｔｆａｃｔｏｒｓｔｏｅｎｓｕｒｅｓａｆｅｔｏｆｒｕｎｎｉｎ　　　　　　　　　　ｇｙｙｙｐｙｇ　　　　ｖｅｈｉｃｌｅｓ．Ａｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄｆｏｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｓｔａｔｉｃｅｏｍｅｔｒｉｃｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｏｆｈｉｈｓｅｅｄｒａｉｌｗａｔｒａｃｋｓｂｖｅｈｉ　　　　　　　　　　　ｇｐｙｙｇ　　－－ｃｌｅｂｏｒｎｅｃｌｏｓｅｒａｎｅｗａｓｉｎｔｈｉｓｔｅｃｈｎｉｕｅｕｓｅｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｈｉｈｒｅｓｏｌｕｈｏｔｏｒａｍｍｅｔｒｒｅｓｅｎｔｅｄａｅｒ．Ｔｈｉｓ　　　　　　　　　　　ｇｑｇｐｇｙｐｐｐ　－－－ｅｏｍｅｔｒｉｃａｒａｍｅｔｅｒｓｔｉｏｎｄｉｉｔａｌｉｍａｅｓｏｆｔｒａｃｋｓｕｒｆａｃｅｓａｃｕｉｒｅｄｂａｖｅｈｉｃｌｅｂｏｒｎｅｃａｍｅｒａｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　ｇｐｇｇｑｙ　－ｏｆｔｒａｃｋｓ．Ｔｈｅｓｅｌｆｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｂｕｎｄｌｅｂｌｏｃｋａｄｕｓｔｍｅｎｔａｌｏｒｉｔｈｍ　ｗａｓｅｍｌｏｅｄｔｏｃｏｍｕｔｅｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｏｆ　　　　　　　　　　　　ｊｇｐｙｐ－ｏｉｎｔｓｔｒａｃｋｓｕｒｆａｃｅｓｗｉｔｈｃｏｎｔｒｏｌｓｅｔｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｓｏｆｒａｉｌａｓｅｘｔｅｒｉｏｒｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗ　　　　　　　　　　　　　　　　ｐｅｏｍｅｔｒｉｃｒｏｏｓｅｄｔｈａｔｔｈｅａｃｃｕｒａｃｏｆｔｈｅａｌｏｒｉｔｈｍｓｃａｎｒｅａｃｈ０．２ｍｍａｎｄ０．３ｍｍｒｅｓｅｃｔｉｖｅｌｉｎｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　　　　　　　　　　　　　ｇｐｐｙｇｐｙ　　ａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｆｉｅｌｄｔｅｓｔｓｏｎｔｈｅｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓｔｒａｃｋｓｏｆｔｈｅＤｅｄｉｃａｔｅｄＨａｎｏｎＨｉｈ　　　　　　　　　　　　　　ｇｇｇ　－Ｙ－：ｓｅｅｄＰａｓｓｅｎｅｒＲａｉｌｗａＬｉｎｅｓｈｏｗａｓｆｏｌｌｏｗｓＴｈｅａｂｓｏｌｕｔｅａｃｃｕｒａｃｏｆｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｃａｎｒｅａｃｈ０．６ｍｍａｎｄ０．８　　　　　　　　　　　　　ｐｇｙｙ　　；ｍｍｒｅｓｅｃｔｉｖｅｌｉｎｔｈｅａｌｏｎｔｒａｃｋｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｃｒｏｓｓｔｒａｃｋｄｉｒｅｃｔｉｏｎｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅａｃｃｕｒａｃｏｆｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｃａｎ　　　　　　　　　　　ｐｙｇｙ　　－－ｒｅａｃｈ０．２ｍｍａｎｄ０．７ｍｍｒｅｓｅｃｔｉｖｅｌｉｎｔｈｅａｌｏｎｔｒａｃｋａｎｄｃｒｏｓｓｒａｃｋｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ．Ｂｏｔｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｆｉｅｌｄ　　　　　　　　　　　　ｐｙｇ　－－ｔｔｅｓｔｓｖｅｒｉｆｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔａｎｄｈｉｈｒｅｃｉｓｉｏｎｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｔｈｅｒｏｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄ．　　　　　　　　　ｙｙｇｐｐｐｐ　　：；；Ｋｅｗｏｒｄｓｖｅｈｉｃｌｅｂｏｒｎｅｈｏｔｏｒａｍｍｅｔｒｒａｉｌｗａｔｒａｃｋ；ｓｔａｔｉｃｅｏｍｅｔｒｉｃｓｔａｔｅａｃｃｕｒａｃａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　　　ｐｇｙｙｇｙｙ　　　－　　高速铁路轨道合理的外形尺寸与平顺的几何线形］１２－。轨道结构具有是保障列车安全运行的重要前提［整体性和散体性的特点，在钢轨铺设施工的精调阶段，；修回日期：收稿日期：２０１３０１１１２０１３０３１５－－－－；中央高校基金项目：国家自然科学基金（５１１７８４０４，４１０７２２２０）基本科研业务费专项资金（ＳＷＪＴＵ０９ＣＸ０１０，）；ＳＷＪＴＵ１２ＺＴ０７中国铁路总公司科技研究开发计划课题（２０１３Ｇ００９－Ｃ）：（―），作者简介陈强１男，重庆人，教授，博士。９７４：Ｅ－ｍａｉｌｓｗｔｕｃｉｎａ．ｃｏｍ＠ｓｊｑ需对轨道线形进行准确测量以保证其具有初始高平顺］３４－；性［在轨道投入运营后，钢轨表面长期承受轮轴动］５７－，路基或地面可能产生区域性沉降从力的反复作用［而引发轨道累积变形，需定期检测轨道静态几何状态的稳定性。近年来，国内外多采用全站仪配合手推轨检小车］７８－，如瑞士进行轨道静态几何平顺性的检测［德国ＧＧＲＰ１０００轨检小车、ＥＤＯＣＥ轨道测量系统及　第３期高速铁路轨道几何状态的车载摄影快速检测方法与试验　８１、我国自主研制的ＳＧＪＣＥＣＩＴＲＩＧ１０００等多种测－Ｔ－－量系统。全站仪轨检系统测量精度高、可靠性好，为我国早期高速铁路建设提供了重要的检测技术支撑。然、而，精密全站仪设备（如Ｌ成本高，极ｅｉｃａＴｒｉｍｂｌｅ等）而且离散式的逐点接触测量难以大依赖于国外进口，检测效率有待极大提实现连续长轨道的多波长检测，高。考虑到我国高速铁路轨道检测数量较大，亟待探索一种能够实现连续长轨道高精度几何检测技术，改进和补充当前单一全站仪轨检小车测量系统的不足。本文提出车载移动近景摄影测量轨道几何状态的新思路，在轨道小车上安置高分辨率数码相机，通过移动摄影采集连续长轨道数字影像，基于近景摄影测量计算轨道表面测点的三维坐标，从空间解析几何模型，而获得轨道外形尺寸及其几何平顺性参数。本文对车载摄影轨道测量的解析计算模型及其精度变化规律进行理论探索与试验研究，尝试为轨道几何状态测量探索出一种基于数字图像处理与解析几何计算的快速检测新技术。对于铁路轨道的交向摄影，以线路轨道的走向方向（即轨向）连续采集的３幅影像为例，见图２。以Ｓ１为坐标原点，选取第１、即摄影基２幅影像摄站的连线（线）建立摄影测量坐标系，其中Ｘ轴为Ｓ１Ｓ２为Ｘ轴，垂线路轨道走向方向，Ｙ轴为垂直于轨道走向的方向（，即轨距量测的方向）直于轨向，Ｚ轴为高程方向。ZS1渍1琢1B1Yn1nt1ZS2渍2琢2nt2n2P2B2YPt2n3琢3渍3nt3ZS3YPt3P3XPt1P1N（轨道点）图2轨道近景摄影交向几何配置设第１幅影像摄影站Ｓ１主光轴偏离Ｚ轴方向的夹角为φ１（即交向摄影与正直摄影的主光轴之间的夹，第２、一般角）３幅影像主光轴的偏角分别为φ２和φ３，条件下有φ构成图２的交向摄影几何关系１≠２≠３，φφ配置。３个摄站交向摄影获得的影像为Ｐ轨道点Ｎｉ，，在影像Ｐｉ上的位置为ｎ像点坐标为（ｘｉ＝１，ｙｉ，ｉ，ｉ）设正直２，３。为建立交向摄影影像与正直影像的联系，（），影像为Ｐ图２轨道点Ｎ对应在正直影像Ｐｔ上的ｔｉｉ，，ｔ）。影像上过轨道点Ｎ像点坐标为（位置为ｎｘｔｔｉｉｙｉ的摄影光线与Ｚ轴方向的夹角为αｉ。以Ｓ正直摄影的轨道点坐标Ｓ１、２为第一个像对，计算式为Ｘ＝Ｂ１１　车载摄影轨道坐标解析几何轨道近景摄影测量采用高度约为１．４ｍ的移动小车作为平台运动载体，在小车固定高度安置高分辨率数码相机，在小车移动过程中从轨道上方垂直向下。若采用１台相机，见图１）则可采集连续轨道影像（先在一根轨道上沿轨向移动，然后通过变换相机的安装位置，将相机移动到另一根轨道上方，再反向移动完成轨道交向摄影的影像采集全过程。采用２台相机同时工作可提高影像采集效率。移动摄影方向车相机铁轨ｘｘｔｔ１１＝－Ｚｘ－ｘｆｔｔ１２（１）＝Ｂ１ｙｙｔｔ１１＝－Ｚｘ－ｘｆｔｔ１２＝－Ｂ１ｘ－ｘｔｔ１２正直摄影的轨道点坐标Ｓ　　以Ｓ１、３为第二个像对，计算式为图1车载近景摄影采集连续轨道影像１．１　轨道坐标计算模型在正直近景摄影测量中，要求两摄站的摄影主光］９１０－。交向摄影测量轴相互平行且垂直于摄影基线［ｘｘｔｔ１１Ｘ＝（Ｂ１＋Ｂ２＝－Ｚｘ－ｘｆｔｔ１３ｙｙｔｔ１１＝（Ｂ１＋Ｂ２＝－Ｚｘ－ｘｆｔｔ１３（２）中，不要求摄站间的摄影主光轴平行，而是构成一定的车体交向夹角。轨道面上的小车载体在移动过程中，和相机可能会产生轻微振动，难以严格保证摄影主光轴铅垂。因此，考虑实际移动载体的运动特性，本文采用交向摄影方式获取轨道影像。＝－（Ｂ１＋Ｂ２ｘ－ｘｔｔ１３式中：Ｘ、Ｙ、Ｚ为地面轨道点坐标；Ｂ１、ｆ为相机主距；Ｂ２为摄影基线长度。对式（和式（的计算坐标取均值，得到基于１）２）８２　铁　　道　　学　　报第３６卷３张影像正直摄影的轨道点坐标计算式为ｘｔＢ１Ｂ１Ｂ２）１?Ｘ＝＋２ｘｘ－ｘ－ｘｔｔｔｔ１２１３ｙｔ）１＝?＋２ｘｘ－ｘ－ｘｔｔｔｔ１２１３（３），中的像点坐标代入式（得到交向摄４）３）　　将式（影地面轨道点的坐标计算模型。联合式（与式３）（，即可计算出交向摄影的轨道测点三维坐标。４）１．２　近景摄影轨道坐标精度分析基于前述获得的轨道交向摄影测量坐标计算模进一步估算该摄影方式下轨道测点的三维坐标精型，度。对近景摄影测量轨道点坐标计算式进行微１０－１２］，分［评估轨道坐标的测量精度与可靠性。１１２）＝－?＋２ｘｘ－ｘ－ｘｔｔｔｔ１２１３　　对于３张影像交向摄影分别存在摄影偏角φ１、２φ和φ交向影像的像点坐标（与正直影像的ｘｚ３时，ｉ，ｉ）基于正直影像的像点坐标与地面坐标的对应关系像点坐标（ｘｔｉ，ｚｔｉ）变换关系为有ｔｘｔａ１＝１ｆ?ｎ１１－１?ｔａｎ１ｘｔ１－ｘｔ＝－２Ｂ１?ｆ摄站１　ｆφｔｙｓｅｃｘｔ１－ｘｔ＝－３Ｂ１＋Ｂ２?ｆ１＝１?１１－ｘ１ｆ?ｔａｎφ１ｘｔ?１＝－Ｚｔｘ２ｆ?ｔａｎ２２＝１＋ｘ２?ｔａｎｘｔφ２＝（Ｂ１Ｘ）?ｆ２Ｚ摄站２　ｆｙｓｅｃ（４）ｘ（ｔＢ１Ｂ２?ｆ３＝Ｘ）ｔ２＝２?ｘ２Ｚ２１＋ｆ?ｔａｎφ２ｙｔ?１＝－Ｚｘ３ｔｆ?ｔａｎ３３＝则交向摄影测量轨道点坐标精度的计算式为１＋ｘ３?ｔａｎφ３摄站３　ｆ?ｔ３＝ｘ１＋３ｆ?ｔａｎφ３Ｘ＝２ｆ?［Ｂ１ＸＢ１＋Ｂ１Ｂ２ＸＢ）２?ｍｘ２１＋Ｂ２ｔ１＋２２Ｂ１２?ｍｘ２ｔ２＋２（Ｂ１＋Ｂ２）２?ｍｘｔ３２２＝?［ｍ２＋（２Ｂ１Ｂ２）２?ｍ２２Ｙｆｙｔ４?Ｂ（Ｂ＋Ｂ）＋２１１２１２２ｘｔ１４Ｂ?２２１２ｍｘｔ２＋４（Ｂ１＋Ｂ２）２?ｍｘ２ｔ３２（２Ｂ１Ｂ２）２２Ｚ＝２ｆ?Ｂ（Ｂ＋Ｂ）?ｍ＋Ｂ?ｍｘ２１２１２２ｘｔ１２ｔ２＋（Ｂ１＋Ｂ２）２?ｍｘ２１ｔ３２式中：ｍＸ、ｍＹ和ｍＺ为交向摄影测量轨道点的三维坐标中误差；（ｍ１－２?ｔａｎ２）ｘｔ、ｍｙ（ｉ＝１，２，３）ｉｔｉ为交向摄影转换为正ｍｘｔ２＝φ直摄影的像点坐标量测中误差，其表达式分别为１＋ｔａｎ２φ?ｍ２（２１－?ｔａｎ１－１?ｔ１）ｍｍｙｔ＝ａｎφ２ｘ２ｔ１＋ｔａｎ２１＝φ１＋ｔａｎ２φ?ｍφ?２１１－?ｔａｎ１ｍ　　［２Ｚ２＋１）?ｔａｎ２φ２＋１２?ｍｙｔ１＝φ１＋ｔａｎ２φ?１１２　　［２Ｚ２＋１）?ｔａｎ２φ１＋１?ｍ（５）（６）第３期高速铁路轨道几何状态的车载摄影快速检测方法与试验２Ｂ１Ｂ２Ｘ?（）１－ｔａｎ３φ?ｍ＝２１＋ｔａｎ３φ１２?１－ｔａｎ３φ?＝２１＋ｔａｎ３φ　８３ZXS1轨道ｍｘｔｍｙｔ３３２２２）??ｍｔａｎ３＋１　　２＋１φＺ其中，ｍ为交向摄影的像点坐标量测中误差。［Y图5坐标系示意图ｍ，联立式（和式（即可得到轨道交向摄影测５）６）量的三维坐标中误差。表１　物方轨道点的仿真坐标２　仿真计算与精度评定无砟轨道的高几何平顺性（如轨向、高低、水平等参数小于２ｍｍ）对测量精度提出了较高的技术要求，为分析车载近景摄影测量轨道测点坐标的精度变化规本文开展了轨道仿真测量数据及其精度变化规律律，的计算分析。２．１　仿真数据与精度变化规律为使仿真计算的精度能较为真实地反映实际轨道近景摄影测量的规律，采用与野外测量相同的仪器参数与几何配置，使用ＣａｎｏｎＥＯＳ５ＤＭａｒｋＩＩ数码相机　　　采集轨道影像，数字影像的像素大小为６．相机４μｍ，像点坐标量测中误差ｍ＝２μ主距ｆ＝２４ｍｍ，ｍ。相机在轨道小车上的固定安置高度为１．４ｍ。由于相机的像幅大小为３为了使影像有足够的６ｍｍ×２４ｍｍ，二度和三度重叠区域，摄影基线长度取为１个轨枕间对于相机距Ｂ１＝Ｂ２＝０．６２５ｍ。在常规摄影条件下，。物方轨道的姿态参数取摄影主光轴偏角为φ＝１．５°点在地面坐标系Ｓ轨道点均ＹＺ中的坐标见表１，１－Ｘ轨道点仿真坐标的空匀分布在影像三度重叠区域内，间分布见图３、图４，定义的坐标系见图５，其中，Ｓ１－将表１中的轨道坐标代入精度评估模型式（和５），式（计算轨道点的坐标中误差，分析不同位置处６）三维坐标的精度变化规律，见图６。0.350.300.250.200.150.100.050坐标中误差/mmmXmYmZ13579点位图6轨道仿真测量点的精度变化规律ＸＹＺ地面坐标系与前述交向摄影解析几何坐标系相同，ＳＸ轴的指向为沿轨向，Ｙ轴的指向１为坐标原点，。为垂直于轨向方向（即沿轨距方向）0.70-1.45由图６中的精度变化规律可以看出，近景摄影测量轨道点三维坐标达到了较高精度，Ｘ方向中误差约为０．１ｍｍ，Ｙ方向中误差约为０．２ｍｍ，Ｚ方向中误轨向）坐标精度最高；差约为０．３ｍｍ。其中，Ｘ方向（垂直轨向）方向次之，且越靠近影像中心，Ｙ方向（Ｙ坐标精度越好；高程）是近景摄影测量的景深方Ｚ方向（中误差ｍＺ略显较大，但随Ｚ坐标的增加，其精度向，有所提高。２．２　精度影响因素分析从轨道近景摄影测量坐标的中误差计算式（５）和式（可以看出，影响测量精度的主要参数分别是６）摄影机主光轴的偏角φ、摄影基线Ｂ以及交向影像的一像点坐标量测中误差ｍ。其中的偏角φ数值较小（X坐标/m0.600.550.50-0.5 0.5Z坐标/m0.65-1.50-1.55-1.60 5Y坐标/m1015点号20图3轨道点的平面坐标分布图图4轨道点的高程坐标分布图包含总结汇报、专业文献、IT计算机、计划方案、人文社科、党团工作、旅游景点、经管营销、办公文档以及2014高速铁路轨道几何状态的车载摄影快速检测方法与试验_陈强等内容。本文共2页
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