CN104973092B - 一种基于里程和图像测量的铁轨路基沉降测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于里程和图像测量的铁轨路基沉降测量方法，涉及沉降测量领域，铁轨路基沉降测量方法采用图像特征匹配及双目交汇完成铁轨路基稀疏三维重建，并采用里程测量设备和特征匹配实现相邻帧稀疏重建点拼接，从而完成对铁轨路基沉降的自动监测和快速测量。铁轨路基沉降测量方法还具有成本低廉、作业效率高、结果可重复性好及测量精度较高等优点。

Description

一种基于里程和图像测量的铁轨路基沉降测量方法

技术领域

本发明涉及沉降测量领域，尤其涉及一种基于里程和图像测量的铁轨路基沉降测量方法。

背景技术

现代交通运输业中，铁路担负着重要的运输任务，由于路基频繁处于弹性形变状态，长期累积会造成路基沉降，路基沉降会使轨道不平顺，在沉降较为严重的路桥及路涵过渡地段甚至会出现“跳车”现象；特别是不均匀沉降会使列车对线路产生较大的附加动力作用，加剧沉降，加速路基破坏，造成线路的恶性循环，并给重载列车运行带来安全隐患。

现有的路基沉降方法主要包括：采用全站仪测量CPIII点的方法和基于摄像、卫星定位及惯性导航的测量方法。

采用全站仪测量CPIII点的方法存在的问题有：测量效率低，在测量间隔为2米时，每个测量点的处理时间为1分钟，实际测量速度约为150米/小时，作业效率低，远不能满足铁轨路基沉降测量的需求；无法获得当前轨道倾斜量等姿态变化参数；只能获得各个测量点处的铁轨路基沉降量离散值，无法实现对全路段的连续测量。

基于摄像、卫星定位及惯性导航的测量方法存在的问题有：价格昂贵，需要在两个卫星定位基站间采用惯性导航器件进行连续动态测量，卫星定位基站价格较高，且惯性导航器件的价格亦随精度要求的提高而呈几何级数增长，因此，这类***价格昂贵，不利于大范围推广应用；测量结果不可重复，惯性导航器件测量过程具有不可复现性，因而不利于对测量结果进行事后追溯；继承性差，摄像测量标志站没有充分利用铁路沿线已建设好的测量位和相关企业已生产CPⅢ点，因而浪费巨大，推广成本高。

综上所述，现有的路基沉降测量方法存在测量效率低、无法实现连续测量，且价格昂贵等缺点。

发明内容

针对现有的路基沉降测量方法存在的上述问题，现提供一种旨在实现可连续测量且测量效率高的基于里程测量设备和图像测量的铁轨路基沉降测量方法。

具体技术方案如下：

一种基于里程和图像测量的铁轨路基沉降测量方法，采用一安装有里程测量设备和两台相机的移动测量载具在一设置有复数个基准点的待测量铁轨沿线区域内进行测量，在所述待测量铁轨沿线区域内设置有具有标准路基点云坐标值的路基；

所述铁轨路基沉降测量方法包括下述步骤：

A1.获取一预设区段内预设数目的所述基准点在大地坐标系下的标准坐标值及在所述移动测量载具为中心的局部坐标值；

A2.根据预设数目的所述基准点在大地坐标系下的标准坐标值及相应的所述基准点在所述移动测量载具为中心的局部坐标值，获取局部坐标系与大地坐标系之间的变换关系；

A3.采用所述移动测量载具在所述待测量铁轨沿线区域中的铁轨上移动，通过两台所述相机同时对所述待测量铁轨沿线区域进行拍摄，以获取复数对图像组，提取每幅图像上的特征点，以获取每个所述特征点在所述移动测量载具为中心的局部坐标系下的三维坐标；

A4.将相邻两帧所述图像中的所述特征点进行三维拼接，并将拼接后的所述特征点在所述移动测量载具为中心的局部坐标系下的三维坐标根据所述变换关系转换为大地坐标值，并进行存储；

A5.根据所述路基的标准路基点云坐标值与测得的大地坐标值进行计算获取所述路基的绝对沉降值。

优选的，所述基准点包括成对以预设距离放置于铁轨沿线的CPIII点和在所述待测量铁轨沿线区域预设的复数个标记点。

优选的，步骤A1的具体过程为：

采用全站仪测量预设区段内预设数目的所述CPIII点在大地坐标系下的标准坐标值，进行存储；

采用双目交汇法获取相应的所述CPIII点的局部坐标值；

同时，采用所述全站仪测量预设区段内预设数目的所述标记点在大地坐标系下的标准坐标值，进行存储；

采用双目交汇法获取所述标记点的局部坐标值。

优选的，在步骤A3中将每对所述图像上的所述特征点进行匹配，以获取匹配点对，根据所述匹配点对采用双目交汇法计算每个所述特征点在所述移动测量载具为中心的局部坐标系下的三维坐标。

优选的，在步骤A5中将所述路基的标准路基点云坐标值与测得的大地坐标值相减，以获取所述路基的所述绝对沉降值。

优选的，还包括步骤A6：根据测得的所述路基的大地坐标值及所述路基的标准路基点云坐标值获得所述路基在铁轨沿线的方位、俯仰和横滚三个方向的角度值。

优选的，在所述A4中三维拼接的具体过程为：采用所述里程测量设备获取一部所述相机拍摄的图像组中相邻两帧图像之间的所述移动测量载具的移动距离，根据所述移动距离依次将相邻两帧所述图像中的所述特征点进行三维拼接。

上述技术方案的有益效果：

本技术方案中，采用图像特征匹配及双目交汇完成铁轨路基稀疏三维重建，并采用里程测量设备和特征匹配实现相邻帧稀疏重建点拼接，从而完成对铁轨路基沉降的自动监测和快速测量。铁轨路基沉降测量方法还具有成本低廉、作业效率高、结果可重复性好及测量精度较高等优点。

附图说明

图1为本发明所述铁轨路基沉降测量方法的一种实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1所示，一种基于里程和图像测量的铁轨路基沉降测量方法，采用一安装有里程测量设备和两台相机的移动测量载具在一设置有复数个基准点的待测量铁轨沿线区域内进行测量，在待测量铁轨沿线区域内设置有具有标准路基点云坐标值的路基；

铁轨路基沉降测量方法包括下述步骤：

A1.获取一预设区段内预设数目的基准点在大地坐标系下的标准坐标值及在移动测量载具为中心的局部坐标值；

A2.根据预设数目的基准点在大地坐标系下的标准坐标值及相应的基准点在移动测量载具为中心的局部坐标值，获取局部坐标系与大地坐标系之间的变换关系；

A3.采用移动测量载具在待测量铁轨沿线区域中的铁轨上移动，通过两台相机同时对待测量铁轨沿线区域进行拍摄，以获取复数对图像组，提取每幅图像上的特征点，以获取每个特征点在移动测量载具为中心的局部坐标系下的三维坐标；

A4.将相邻两帧图像中的特征点进行三维拼接，并将拼接后的特征点在移动测量载具为中心的局部坐标系下的三维坐标根据变换关系转换为大地坐标值，并进行存储；

A5.根据路基的标准路基点云坐标值与测得的大地坐标值进行计算获取路基的绝对沉降值。

在步骤A3中采用安装在移动测量载具上的两个校准好的相机对铁轨路面进行拍摄，并在每个图像上提取一系列特征点(或兴趣点)。特征点可包括SIFT特征点和SURF特征点，在本实施例中特征点不限于SIFT特征点和SURF特征点也可以是其它类似的特征点。

在本实施例中，铁轨路基沉降测量方法在充分利用现有CPⅢ点的基础上采用图像特征匹配及双目交汇完成铁轨路基稀疏三维重建，并采用里程测量设备和特征匹配实现相邻帧稀疏重建点拼接，从而完成对铁轨路基沉降的自动监测和快速测量。该方法在提高精度和效率的同时尽量避免对现有铁轨测量资源的浪费，并可实现测量过程数据的存档与追溯，还具有成本低廉、作业效率高、结果可重复性好及测量精度较高等优点。

在优选的实施例中，基准点包括成对以预设距离放置于铁轨沿线的CPIII点和在待测量铁轨沿线区域预设的复数个标记点。

在本实施例中，可通过相机拍摄CPⅢ点(或改进CPⅢ点)的同时，在铁轨两侧视场可见范围内的固定位置上绘制用于摄像测量的标记点。标记点是具有显著图像特征的标记，既可以是十字叉、对顶角、圆形斑点，也可以是其它形状的图像标记。进而采用双目交汇方法测量这些标记点的坐标。双目交汇方法通过采用两个标定好的相机对空间中的某点(如标记点)拍摄两幅或多幅图片，并通过分析图片之间的视差来计算该点在相机局部坐标系下的坐标值。在第一次测量时，采用CPⅢ点作为基准点，并记录下这些基准点的位置坐标。但由于CPⅢ点安装较为费时费力，因此在后续测量中，可以采用图像标记点代替CPⅢ点以提高作业效率，并降低测量成本。

在优选的实施例中，步骤A1的具体过程为：

采用全站仪测量预设区段内预设数目的CPIII点在大地坐标系下的标准坐标值，进行存储；

采用双目交汇法获取相应的CPIII点的局部坐标值(也可通过结构光传感器获取CPIII点的局部坐标值)；

同时，采用全站仪测量预设区段内预设数目的标记点在大地坐标系下的标准坐标值，进行存储；

采用双目交汇法获取标记点的局部坐标值。

在本实施例中，可采用多台相机或结构光传感器中的摄像机得到CPIII点在局部坐标系中的坐标值，采用全站仪测量可以得到CPIII点在大地坐标系中的坐标值。因此，由相同CPIII点在局部坐标系和大地坐标系中的坐标值，可以计算得到局部坐标系与大地坐标系之间的变换关系。

在进行CPIII点测量时，在待测量铁轨沿线区域内，在铁轨沿线的CPⅢ测量标志位上放置CPⅢ点。记录各CPⅢ点编号，并采用全站仪测量每个CPⅢ点在大地坐标系下的坐标值(X,Y,Z)。在第一次测量时，采用全站仪测量一个区段内四个CPⅢ点的坐标值，从而解算出在移动测量载具在大地坐标系下的自身坐标值。采用移动测量载具上的多台相机对CPⅢ点进行拍摄，进而得到每个CPⅢ点在移动测量载具为中心的局部坐标系下的坐标值。根据每个CPⅢ点在移动测量载具为中心的局部坐标系下和大地坐标系下的坐标值，便可计算移动测量载具为中心的局部坐标系与大地坐标系之间的变换关系。

同时，可以设置/记录/测量CPⅢ点所在位置区域或标记点(如十字丝、对顶角等有利于图像精确定位的标记)/自然标记的三维全局坐标，在第二次测量时，即可以抛开CPⅢ点进行测量。采用标记点的目的在于提高测量效率。由于CPIII点安装较为费时费力，因此在后续测量中，可以采用图像标记点代替CPIII点以提高效率。

其中，双目交汇法为在两个预设位置分别采用相机对待测量铁轨沿线区域拍摄设置有标记点的图片，根据两个相机的视差计算标记点的局部坐标值。

在本实施例中，双目交汇方法是在采用两个标定好的相机对空间的某点(如标记点)拍摄图片，通过分析两个图片的视差来计算该点在相机局部坐标系下的坐标值。

在优选的实施例中，在步骤A3中将每对图像上的特征点进行匹配，以获取匹配点对，根据匹配点对采用双目交汇法计算每个特征点在移动测量载具为中心的局部坐标系下的三维坐标。

在优选的实施例中，在步骤A5中将路基的标准路基点云坐标值与测得的大地坐标值相减，以获取路基的绝对沉降值。

在本实施例中，由于铁轨设计/建设时的路基三维点云中的点坐标值(标准数据)已知，因此通过将测量得到的路基三维点云中的坐标值与标准坐标值相减，便可得到绝对沉降量。

在优选的实施例中，还包括步骤A6：根据测得的路基的大地坐标值及路基的标准路基点云坐标值可获得路基在铁轨沿线的方位、俯仰和横滚三个方向的角度值。

进一步地，还可进行路基的相对沉降量，将本次测量时得到的路基三维点云中的坐标值与上次测量时得到的路基三维点云中的坐标值相减，获得的差值即为路基的相对沉降量。

在优选的实施例中，在A4中三维拼接的具体过程为：采用里程测量设备获取一部相机拍摄的图像组中相邻两帧图像之间的移动测量载具的移动距离，根据移动距离依次将相邻两帧图像中的特征点进行三维拼接。

在本实施例中，由于相机视场的限制，一次成像能获得的三维点较少，不能完整覆盖两个标志位之间的路段(通常为60米)。因此，需要将移动测量载具在铁轨上按一定速度移动，并将相邻两帧图像中获得的稀疏三维重建点拼接起来。移动测量载具的行进速度可依据测量需求和设备水平决定。比如，若相机的成像速率为50帧/秒，且每个相机在铁轨纵向方向能覆盖1.5米，两幅图像之间要求的重合长度为0.5米，则移动测量载具的行进速度为50*(1.5-0.5)＝50米/秒。

在本实施例中通过里程测量设备可提高相邻帧重建三维点拼接的速度和精度。里程测量设备有多种类型，如可采用在轮子上安装光栅编码器的方式实现里程测量，即光栅编码器读出移动测量载具的车轮转过的弧度数，结合车轮的半径便可计算出相邻两帧图像之间的移动距离。里程测量设备也可以采用惯性测量单元等其它器件实现。以光栅编码器为例，光栅编码器在移动距离一米时的测量误差只有几个毫米(比如5毫米)，因此其测量值可以为稀疏点拼接提供很好的初值，从而实现相邻帧稀疏三维重建点的粗拼接。进而采用图像特征匹配对粗拼接结果做进一步优化，进而获得相邻两帧拼接后的稀疏重建点。可将第一帧图像获得的稀疏重建点已经变换到了大地坐标系下，并将后续拼接上的稀疏重建点也将统一到该大地坐标系中。

本发明的优点有：

1)本方法只需要在测量开始时采用全站仪获得CPⅢ点的信息，后续解算过程均采用软硬件设备自动实现；

2)速度快，本方法只对铁轨路基进行稀疏三维重建而非全场重建，因此其速度明显高于结构光全场重建方法，此外，由于采用了里程测量设备为前后帧稀疏重建点的拼接提供初值，因此***的测量速度得到进一步提高；

3)成本低，充分利用了现有CPIII点和铁路建设中已预留的测量位，避免了大量重复投入，因而有利于在现有条件下推广应用；

4)无误差累积，避免了惯性器件存在的测量误差累积问题；

5)测量方式灵活，通过改变***的参数，可实现不同稀疏程度的三维重建，因而可依据具体的应用选用相应的测量方式，既可以对少数离散点进行快速测量，也可以对铁轨路基进行较为密集的重建测量；

6)可实现铁轨路基姿态角的测量，通过对稀疏重建得到的三维点进行平面拟合，可以解算出铁轨路基的倾斜、高低以及转弯等三个方向姿态角变化，因而比现有测量技术提供了更多的有用信息；

7)可实现实时存储和事后回溯，在测量载具移动的过程中，可将拍摄得到的图像同步保存下来，从而有利于事后回溯，且有利于开发性能更好的软硬件设备以进一步提高测量精度。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于里程和图像测量的铁轨路基沉降测量方法，其特征在于，采用一安装有里程测量设备和两台相机的移动测量载具在一设置有复数个基准点的待测量铁轨沿线区域内进行测量，在所述待测量铁轨沿线区域内设置有具有标准路基点云坐标值的路基；所述基准点包括成对以预设距离放置于铁轨沿线的CPIII点和在所述待测量铁轨沿线区域预设的复数个标记点，所述标记点为在铁轨两侧视场可见范围内的固定位置上绘制用于摄像测量的具有显著图像特征的图像标记；

所述铁轨路基沉降测量方法包括下述步骤：

A1. 获取一预设区段内预设数目的所述基准点在大地坐标系下的标准坐标值及在所述移动测量载具为中心的局部坐标值；

在第一次测量时，采用CPⅢ点作为基准点，并记录下这些基准点的位置坐标，在第二次测量及后续测量中，采用图像标记点代替CPIII点，抛开CPⅢ点进行测量；

A2. 根据预设数目的所述基准点在大地坐标系下的标准坐标值及相应的所述基准点在所述移动测量载具为中心的局部坐标值，获取局部坐标系与大地坐标系之间的变换关系；

A3. 采用所述移动测量载具在所述待测量铁轨沿线区域中的铁轨上移动，通过两台所述相机同时对所述待测量铁轨沿线区域进行拍摄，以获取复数对图像组，提取每幅图像上的特征点，将每对所述图像上的所述特征点进行匹配，以获取匹配点对，根据所述匹配点对采用双目交汇法计算每个所述特征点在所述移动测量载具为中心的局部坐标系下的三维坐标；

A4. 采用所述里程测量设备获取一部所述相机拍摄的图像组中相邻两帧图像之间的所述移动测量载具的移动距离，根据所述移动距离依次将相邻两帧所述图像中的所述特征点进行三维拼接，并将拼接后的所述特征点在所述移动测量载具为中心的局部坐标系下的三维坐标根据所述变换关系转换为大地坐标值，并进行存储；

A5. 根据所述路基的标准路基点云坐标值与测得的大地坐标值进行计算获取所述路基的绝对沉降值；

步骤A1的具体过程为：

在第一次测量时，采用全站仪测量预设区段内预设数目的所述CPIII点在大地坐标系下的标准坐标值，解算出在移动测量载具在大地坐标系下的自身坐标值，进行存储；

采用移动测量载具上的两台相机对CPⅢ点进行拍摄，采用双目交汇法获取相应的所述CPIII点在移动测量载具为中心的局部坐标系下的局部坐标值；

同时，采用所述全站仪测量预设区段内预设数目的所述标记点在大地坐标系下的标准坐标值，进行存储；

采用双目交汇法获取所述标记点的局部坐标值；

在第二次测量及后续测量中，采用图像标记点代替CPIII点，抛开CPⅢ点进行测量。

2.如权利要求1所述铁轨路基沉降测量方法，其特征在于，在步骤A5中将所述路基的标准路基点云坐标值与测得的大地坐标值相减，以获取所述路基的所述绝对沉降值。

3.如权利要求1所述铁轨路基沉降测量方法，其特征在于，还包括步骤A6：根据测得的所述路基的大地坐标值及所述路基的标准路基点云坐标值获得所述路基在铁轨沿线的方位、俯仰和横滚三个方向的角度值。