基于近景摄影测量的高速铁路轨道数字表面模型生成

摘要

铁路轨道作为支撑高速列车运行的基础设施，其几何结构的稳定性是列车高速运行的重要保障，加强对轨道的形变监测、几何状态评估及其数字化养护管理，对于铁路安全运营具有重要意义。本文利用车载近景摄影测量系统采集的高分辨率轨道数字影像，探索了轨道数字表面模型的生成方法及其具体实现技术，研制了铁路轨道数字表面模型生成的软件系统，可为连续大范围的铁路轨道三维建模和轨道表面形变监测提供一种新的技术支撑。
　　针对高速铁路轨道近景影像灰度相似性高、纹理不丰富的具体特点，探索了联合Harris算法和SURF特征描述符提取轨道影像特征点，采用最近邻匹配算法获得轨道影像同名点，并使用视差梯度方法剔除误匹配，以确保匹配结果的正确性。利用稀疏匹配获得的同名点，采用Hartley方法解算出核线转换参数，使用数字影像间接纠正方法生成轨道核线影像，为轨道影像密集匹配提供可靠的起算数据。
　　采用基于互信息和多方向动态规划路径寻优的半全局匹配算法，计算获得铁路轨道核线影像视差图，通过视差图和核线影像的反变换参数获得原始影像上的同名点坐标。为了验证半全局匹配算法用于轨道影像密集匹配的可靠性，采用同一组数据对半全局匹配算法和基于窗口的局部匹配算法进行对比实验，结果表明，半全局匹配算法能够获得更为密集可靠的同名点。
　　利用基于共线条件方程的前方交会严密解法，计算铁路轨道影像密集匹配同名点的地面三维坐标，采用Delaunay三角剖分技术构建轨道表面的不规则三角网，对整个区域的不规则三角网进行规则格网插值，获得连续的高速铁路轨道影像数字表面模型。
　　根据所探索的轨道影像特征提取、核线影像生成和密集匹配算法，研制了建立高速铁路轨道数字表面模型的软件系统。以成灌快速铁路彭州支线的轨道影像作为系统测试数据。结果表明，该系统能够高效完成铁路轨道近景影像的核线影像制作、密集匹配、Delaunay三角网生成与数字表面模型建立等数据处理流程。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的主要研究工作

1．4 论文的技术路线

1．5 论文的组织结构

第2章 铁路轨道核线影像生成

2．1 特征点匹配算法

2．1．1 Harris算法提取特征点

2．1．2 SURF特征描述符

2．1．3 最近邻匹配

2．1．4 视差梯度剔除误匹配点

2．2 核线影像生成

2．2．1 核线几何约束

2．2．2 基础矩阵

2．2．3 核线影像

2．3 实验与分析

2．3．1 Harris算法特征点匹配实验

2．3．2 核线影像生成实验

2．4 本章小结

第3章 铁路轨道影像密集匹配

3．1 密集匹配算法概述

3．1．1 密集匹配算法

3．1．2 密集匹配步骤

3．1．3 视差图

3．2 半全局立体匹配算法

3．2．1 基于互信息的匹配代价

3．2．2 匹配代价聚合

3．2．3 视差计算及优化

3．2．4 同名点获取

3．3 实验与分析

3．4 本章小结

第4章 铁路轨道数字表面模型

4．1 三维点云生成

4．2 Delaunay三角剖分

4．2．1 Delaunay三角网性质

4．2．2 Delaunay三角网生成方法

4．3 规则格网插值

4．4 实验与分析

4．5 本章小结

第5章 铁路轨道数字表面模型生成系统

5．1 系统综述

5．2 功能介绍

5．2．1 工程管理模块

5．2．2 数据处理模块

5．2．3 状态模块

5．2．4 工具模块

5．3 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

参与的主要科研项目