作者：邓海龙 梁昭阳

 摄影测量作为测绘学的重要组成部分，长期以来一直占有重要的地位，而工业摄影测量技术作为其中一个分支，由于其应用领域的限制却难以为人们熟知。随着高铁建设的蓬勃发展，南方首次在轨道板检测中引入这一技术进行尝试应用。本文将简要介绍这一技术及最新的应用情况。
    一、基础知识
       利用相机对被测目标拍摄相片，通过图像处理和摄影测量处理，以获取目标的几何形状和运动状态称为摄影测量。摄影测量包括航天摄影测量、航空摄影测量、近景摄影测量及显微摄影测量。其中，近景摄影测量应用于工业测量领域即为工业摄影测量。与地面摄影测量一样，工业摄影测量也经历了模拟、解析和数字三个发展阶段。在国外，工业摄影测量的发展起步早，其商业化数字摄影测量系统的生产厂家和产品很多，如美国GSI公司的V-STARS系统，挪威Metronor公司的Metronor系统和德国AICON3D公司的DPA-Pro系统等，这些产品技术成熟、测量精度高、自动化程度高、价格昂贵，其核心技术是严格保密的，甚至有些高精度产品对我国实行禁运。我国对于工业摄影测量主要重应用、轻理论，主要是引进国外的测量系统，相应的研究工作起步较晚，目前仅局限于国内的一些科研机构和少数重点高校，如清华大学、天津大学、哈工大等，以及一些重装制造基地。
       按照测量方式的不同，工业摄影测量可分为：脱机测量系统、联机测量系统两种。脱机测量系统为一台相机多次拍摄，适用于静态测量，多余观测较多，精度高；联机测量系统为两（多）台相机同时拍摄，适用于动态测量，多余观测较少，精度较低。轨道板检测适合采用脱机测量方式，脱机测量系统通常由数码相机、编码标志、测量标志点、定向靶、基准尺及数据处理软件构成（如图1）。



图1 工业摄影测量系统组成图

二、基本原理及特点
       工业摄影测量作为工业测量的一种重要方法，其测量原理与经纬仪系统相同，都是采用三角形交会法，基本的数学模型是共线方程，即摄影时物点P、镜头中心S、像点p这三点位于同一直线上。通过专用数码相机拍摄相片，然后将相片导入计算机，经过一系列数据处理后就能获得被摄物体的特征点坐标。数据处理流程为：
       1、相机的检校，确定相机检校内方位元素(x0,y0,f )和畸变参数初值
       2、提取像点坐标(x,y)
       3、确定像片概略定向外方位元素(XS,YS,ZS,Rx,Ry,Rz)初值
       4、确定像点匹配同名像点(X,Y,Z)初值
       5、采用自检校光束法平差，得到所有参数的精确值
       工业摄影测量具有自己的特点和优势，与其他测量系统相比，具有以下几方面的优点：
       1、瞬间获取被测目标大量物理信息和几何信息，特别适合于测量点众多的目标。
       2、非接触性测量，不伤及测量目标，不干扰被测物自然状态，可在恶劣条件下（高、低温，高、低压，有毒、有害环境等）作业。
       3、适合于被测目标环境不甚稳定乃至剧烈变化的测量。
       4、适合于被测目标的外形和运动状态测量。
       高铁轨道板的检测精度要求高，且每一块板要求检测的特征点数量众多，因此工业摄影测量系统适合于轨道板的检测工作。
    三、应用情况
       高铁与普通铁路的最大区别就是采用了无砟轨道结构形式，它不同于传统有砟轨道形式，采用现场铺设的方法。为了满足高速铁路建设的高平顺性要求，无砟轨道的轨道板是在轨道板厂预制的，对其每块板的尺寸规格有着严格的要求。因此，每块轨道板在出厂前必须经过严格的检测，达到相应要求后才能运送到现场铺设。
       接下来就以高铁无砟轨道板检测为例，简要向大家介绍一下数字工业摄影测量技术在轨道板检测中的应用。轨道板检测的目的是为了确定轨道板外形尺寸、保持轨距的两套管中心距、保持同一铁垫板位置的两相邻套管中心距、扣件间距、大钳口距、小钳口距、承轨面与钳口夹角、承轨槽底坡度等八类参数，近一百个测量值。为了全面介绍这项技术的应用情况，现将本次检测的工作流程作一具体介绍。
       1、布设标志，作为工业摄影测量的准备工作。选取一块用于变形监测的轨道板作为检测目标，在表面粘贴323个半径6mm的测量标志、15个编码标志、1个定向棒及1个基准尺，其中基准尺长度为2073.408mm。
       （1）每个套管紧贴边缘布设4个测量标志，用于拟合套管中心；此外，每个承轨面再布设2个测量标志，用于拟合承轨面。共计（4*2+2）*16=160个。
       （2）每个钳口布设4个测量标志，用于拟合钳口面，共计4*2*16=128个。
       （3）轨道板底面布设3*5=15个测量标志，用于拟合底面。
       （4）轨道板长度方向两侧面各布设6个测量标志，宽度方向两侧面各布设4个测量标志，用于拟合4个侧面，共计6*2+4*2=20个。
       （5）在轨道板底面布设3*5=15个编码标志，用于像片自动定向。
       这样就完成了对轨道板标志点的布设，标志布设位置如图2所示。



图2 测量标志布设示意图

       轨道板的左右方向及承轨槽序号定义如图3所示。
       2、拍摄像片。使用INCA3相机在轨道板四周拍摄像片，共计43张，如图4所示。
 3、摄影测量数据处理。将像片导入计算机，利用摄影测量数据处理软件进行处理，得到测量点三维坐标。
 4、数据分析。利用MetroIn软件对测量数据进行点、线、面分析，得到轨道板各项参数的测量值。



图3 现场轨道板



图4 拍摄相片

    四、总结
       数字工业摄影测量虽然技术门槛相对较高，但完全可以用于轨道板检测。从本次测试结果来看，效果良好。可基本取代全站仪、水准仪、万能角度尺、塞尺、游标卡尺、水平仪、深度尺等工具，并满足精度要求。
       数字工业摄影测量是精密工程测量的一个极具活力的新方向。目前该技术的主要应用领域包括：航空、航天、汽车、兵器、电子、核工业及造船业，涉及大型精密部件的安装定位与检测，例如：大型卫星天线的精密安装及面型精度检测，轿车白车身视觉检测等等。高铁工程测量属于精密工程测量范畴，对于轨道板检测，在采用传统的精密工程测量手段比较难于完成任务的时候，数字工业摄影测量方案很可能成为一个让您耳目一新的选择。