近景摄影测量检测高速铁路轨道几何状态的精度研究

摘要

铁路轨道是直接支撑高速列车平稳运行的重要基础设备，其合理的外形尺寸与平顺的几何线形是保障列车安全运行的重要前提。尤其在铁路投入运营后，轨道表面长期承受轮轴动力反复作用，以及路基或地面可能产生区域性沉降引发轨道累积变形，需定期检测轨道几何状态的平顺性及其稳定性。
　　为改进高速铁路轨道几何平顺性测量的精度与效率，本文尝试采用近景摄影测量检测轨道几何状态的新方法，提出了轨道检测的两种摄影方案：双向近景摄影测量和车载近景摄影测量。
　　双向近景摄影测量是摄影机主光轴沿轨向从铁路正反向里程分别对轨道进行摄影，以CPIII轨道控制网为像控点，采用严密的光束法轨道网平差理论，对双向轨道影像联合平差处理；车载近景摄影测量是摄影机主光轴垂直于轨道表面、借助车载平台连续采集轨面高分辨率数字影像，以轨面稀疏布设的控制点作为约束条件，提取轨道测点准确的三维坐标。
　　本文建立了双向近景摄影测量和车载近景摄影测量的轨道点坐标计算模型及其精度评定方法，顾及数码影像的物镜畸变差和内方位元素，建立了自检校光束法轨道网平差模型，联合求解影像的外方位元素和轨道测点坐标，采用仿真数据分析了轨道测量精度的变化规律及其影响因素。
　　仿真实验结果表明，双向近景摄影测量轨道点的横向坐标理论精度为0.1mm，高程精度为0.6mm，车载近景摄影测量二维平面坐标理论精度为0.2mm，高程精度为0.3mm。京沪高速铁路大胜关大桥南段和杭甬客运专线绍兴段的轨道摄影实验表明，双向近景摄影的轨道横向坐标与实测坐标差异的均方根误差为2.4mm，高程精度为1.7mm，车载摄影测量沿轨向的绝对坐标与实测坐标的均方根误差为0.6mm，垂直于轨向的精度为0.8mm，沿轨向的相对精度为0.2mm，垂直于轨向的相对精度为0.7mm，验证了所提出的近景摄影方案和计算模型的正确性和可靠性，表明近景摄影测量应用于轨道几何状态检测的高精度特性及其巨大潜力，有望为高速铁路轨道测量提供一种高效率、高精度的检测新技术。