高速铁路轨道近景影像匹配与定向建模

摘要

铁路轨道作为高速铁路的重要组成部分，是支撑列车高速运行的重要基础设备。由于轨道表面长期承受轮轨动力作用以及路基沉降等因素的影响，轨道的线形可能发生几何变形，给列车安全运营带来线路隐患。因此，及时快速检测高速铁路轨道静态几何状态可为线路安全运营提供重要的技术保障。
　　 目前对于轨道静态几何状态的检测，通常采用轨检小车和智能型全站仪配合的轨道检测系统。本文为进一步提高轨道检测效率，尝试将近景摄影测量方法引入轨道几何检测。通过对铁路轨道进行近景摄影获取连续的轨道影像，对轨道影像进行特征提取与同名点匹配，采用连续像对解析几何定向方法求解轨道模型坐标，并计算出轨道点的三维地面坐标，为轨道几何状态参数计算提供基础数据。
　　 针对轨道近景摄影测量中面临的轨道影像处理技术问题，本文提出了一种二阶Harris特征点提取算子，利用二阶导数极值点作为提取特征点的依据，并对轨道影像进行分块处理，使用自适应阈值提取轨道影像中的特征点。在此基础上，采用基于金字塔影像粗匹配结合最小二乘精匹配的由粗到精匹配策略，开展轨道影像同名点的匹配。通过先将轨道影像做金字塔分层处理，逐层进行相关系数粗匹配，再将粗匹配结果作为初始值，利用最小二乘算法进行精匹配，最终获得精匹配同名点的像点坐标。
　　 利用精确匹配的轨道影像同名点，开展了连续轨道影像的相对定向过程，并使用连续像对的相对定向参数求解出轨道点的像空间辅助坐标，在完成模型连接的基础上，计算轨道点在摄影测量坐标系中的坐标数值。
　　 对有砟轨道试验场及杭甬客运专线绍兴段无砟轨道开展近景摄影图像处理实验，计算结果表明，相比于经典Harris算子，本文提出的二阶Harris有效提高了特征点提取的效率，所提取的特征点数量、精度有所改善，特征点的空间分布均匀，避免了特征点聚簇和数据冗余;基于金字塔粗匹配结合最小二乘精匹配的匹配算法，能快速准确地实现相似性特征的轨道影像匹配，同名点数量和误匹配率均能够满足近景摄影测量定向建模的需要，表明近景摄影测量方法应用于高速铁路轨道几何平顺性检测具有较大潜力。

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 本文主要研究工作

1．4 论文的组织结构

第2章 高速铁路轨道近景影像特征点提取

2．1 轨道特征点提取基本原理

2．1．1 基于特征匹配优势

2．1．2 特征点匹配算子

2．2 Harris算子特征点提取

2．3 基于二阶Harris算子的特征点提取

第3章 高速铁路轨道近景影像匹配算法

3．1 轨道影像匹配的基本原理

3．1．1 选择匹配基元

3．1．2 相似性测度

3．1．3 搜索空间

3．1．4 匹配策略

3．2 基于Sift算法的轨道影像匹配

3．3 金字塔影像粗匹配与最精匹配

3．3．1 金字塔影像粗匹配

3．3．2 最小二乘精匹配

第4章 轨道近景影像连续像对自动相对定向

4．1 自动相对定向基本原理

4．2 自动相对定向元素的解算及建模

4．2．1 相对定向元素解算

4．2．2 轨道模型连接

4．3 自动相对定向影响精度因素

第5章 轨道近景影像匹配与定向建模实验与验证

5．1 实验概况

5．1．1 场地及影像参数

5．1．2 轨道影像特征

5．2 Harris算子与二阶Harris算子特征点提取验证

5．2．1 模拟实验方案

5．2．2 轨道实验方案

5．2．3 结果分析

5．3 轨道影像匹配实验

5．3．1 Sift轨道影像匹配算法

5．3．2 由粗到精算法

5．3．3 结果分析

5．4 轨道影像定向建模

第6章 高速铁路轨道近景影像处理系统

6．1 系统综述

6．2 开发环境

6．3 功能介绍

6．3．1 文件输入输出

6．3．2 操作

6．3．3 视图

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文