铁路在经济社会发展中具有举足轻重的作用。而路基是铁路线路结构中重要组成部分。铁路路基表面沉降监测对于铁路的安全运营有着极其重要的现实意义。但传统的以沉降板、人工观测为主要手段的沉降检测方法都不能满足当前重点检测区段的连续自动检测要求。而视觉测量以非接触式、连续检测等优点自然成为其首选检测方法。本文首先在分析了目前路基沉降变形检测的现状及视觉测量在相关领域应用的基础上,以单目视觉测量空间物体位姿为理论依据,结合铁路路基沉降变形检测的现场条件,借助激光的准直特性,将激光和单目视觉测量技术应用到铁路路基表面沉降检测中,提出了铁路路基表面沉降相机链视觉测量方法。通过建立铁路路基表面沉降相机链视觉传递测量方法的检测坐标系来分析沉降变形与光斑像素坐标之间的转换,并利用仿真及实验分析了该方法的测量精度和多级传递站测量误差的传递关系,发现了传递站级数受测量精度约束及待测站测量精度不受传递站位姿变化影响,且沉降测量精度受光斑中心定位精度影响。为此在深入分析光斑图像特征,在利用动态阈值差分背景法消除背景干扰的基础上,借助灰度数学形态学方法检测光斑边缘并剔除鬼影。进一步结合激光光斑的灰度高斯分布特性,在分析高斯曲面拟合法定位光斑的亚像素形心的基础上,提出了基于重心的灰度分布曲线拟合法定位光斑亚像素质心的方法,仿真分析了光斑不同特征参数对中心定位精度的影响,并实验验证了两种中心定位算法的有效性。然后,通过分析温度对沉降变形视觉测量结果的影响,得到了简化的相机温度漂移模型,并设计温度变化实验测量了温度变化对相机参数的影响。还利用该简化模型通过系统辨识方法建立了相机参数温度补偿模型,并通过实验分析了温度变化对沉降测量系统测量精度的影响。另外,为突破在沉降变形相机链视觉传递测量受传递级数限制的情况下,提出了往返双像机链沉降变形视觉传递测量方法,并进一步扩展成沉降变形传递相机网络视觉测量方法。由于充分利用了往返双像机链及相机网络中自身固有的闭合回路结构形式,从而利用闭合平差方法能明显提高沉降变形测量数据的精度和健壮性。最后,设计和实现了铁路路基表面沉降变形相机链视觉传递测量系统,并进行了实验室和铁路现场实际测试,其测试结果的精度和累积误差都符合相关规程要求。