路基表面平顺是保障铁路运营安全的关键环节,是实现铁路运营的现代化、信息管理的智能化必备条件,而路基不平整会导致列车振动、脱轨等严重事故。目前针对路基表面沉降测量主要有人工监测、半自动监测法;然而这些方法并不能实现对复杂环境的路基变形监测,已无法满足复杂环境下路基沉降检测精度的要求;图像式路基表面沉降在线监测系统是通过定位光斑中心值后经过差分计算得到监测靶面沉降前后的位置数据信息,以此来反应监测点相对于基准点的沉降变形。在根据目前铁路路基沉降监测的现状及机器视觉测量在铁路领域应用的基础上,结合路基沉降监测的现场环境和嵌入式系统的特点,将激光和嵌入式技术应用到铁路路基表面沉降变形监测中,研发基于DSP图像式路基表面沉降在线监测系统。首先,依据我国铁路运行管理条例的需要,收集及调研国内外长大隧道铁路路基表面沉降在线监测方法及数据、高精度光斑图像中心定位技术、监测靶面位姿修正方法及相关数据,设计出图像式路基沉降监测系统的模型,确定合适的研究方案。其次,针对研究方案及铁路现场的环境要求完成沉降变形监测终端的设计与实现,主要包括DSP嵌入式控制系统、相机、激光器、显示屏、倾角传感器、温度传感器和蓄电池的选型(适用工作环境等),根据铁路路基沉降监测原理,完成图像采集、数据传输、数据存储及其监控中心实现,依据系统功能完成相应算法软件部分的代码编写。然后,针对传统光斑中心定位技术,靶面与激光距离较远时,会产生误差较大问题,提出了重心拟合法,并将该算法移植嵌入式系统进行验证;同时由于列车经过时受振动的影响,相机与靶面发生偏转会影响沉降测量的精度,引入单目视觉位姿解算,并将靶面位姿测量算法移植到沉降监测系统进行验证,实现对光斑图像中心定位结果的修正,以提高沉降监测系统的测量精度。最后,在实验室研发图像式路基沉降监测系统,模拟铁路路基表面沉降进行测量实验,并利用LabVIEW实现了监控中心界面设计,实现了监控中心对沉降监测终端的远程实时控制,经实验验证该系统的精度和稳定性满足无砟轨道沉降测量的要求,对保障铁路安全、平稳运行起到关键作用。