基于地面三維脈沖激光掃描技術的變形監(jiān)測若干問題研究

郭獻濤

1. 南京郵電大學地理與生物信息學院，江蘇 南京 210023； 2. 河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100

在傳統(tǒng)大地測量中，變形監(jiān)測為控制網(wǎng)中稀疏監(jiān)測點觀測所驅(qū)動。近年來，隨著地面激光掃描(terrestrial laser scanning,TLS)技術的迅速發(fā)展，該技術顯示出應用于變形監(jiān)測的巨大潛力，尤其是在危險和人員難以到達的災害監(jiān)測領域。由于TLS掃描測點的不可重復性，傳統(tǒng)基于離散點的監(jiān)測模式不再適用。為此，亟須研究與TLS技術相適應的變形監(jiān)測新模式與變形提取新方法。論文主要圍繞精度與變形提取兩大主體展開，研究基于TLS技術的變形監(jiān)測若干理論問題，主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下：

(1) 針對間接地理定位法不適用于TLS變形監(jiān)測的局限性以及優(yōu)化TLS變形監(jiān)測流程、提高TLS變形監(jiān)測效率的需求，系統(tǒng)研究了TLS變形監(jiān)測直接地理定位方法，并測試了該方法可實現(xiàn)的變形測量坐標精度。結(jié)果表明，直接地理定位方法適用于TLS變形監(jiān)測，且能較好地克服間接地理定位法的局限性。

(2) 參考全站儀誤差源研究，以及基于理論材料和實驗測試結(jié)果，系統(tǒng)研究了直接地理定位下脈沖TLS變形測量的誤差源、誤差影響方式以及控制策略，并以全站儀系統(tǒng)誤差模型為基礎，提出了一種地面脈沖激光掃描儀自檢校方法。通過對所有估計參數(shù)(尤其是掃描儀外方位參數(shù))引入相關先驗隨機信息以及通過合適的檢校網(wǎng)優(yōu)化設計，實現(xiàn)了降低參數(shù)間高相關性，提高檢校參數(shù)估計可靠性的目的，保證了TLS變形測量的系統(tǒng)精度。

(3) 根據(jù)不同變形場景，分別從變形對象、變形類型及變形描述3方面，系統(tǒng)研究了變形建模問題，并基于變形建模分析提出了一種偽單點變形監(jiān)測模式。該模式可充分利用點云的地理屬性、強度、顏色信息及微分幾何特征，支持特征對應搜索，且變形具有較好的一致性，易于實現(xiàn)單模型覆蓋。同時構建了基于TLS技術的偽單點變形監(jiān)測技術實施體系，克服了傳統(tǒng)離散點變形監(jiān)測模式不適用于TLS變形監(jiān)測的局限性。

(4) 基于最小二乘2D影像匹配概念的泛化，提出了一種偽單點變形計算方法。探索了利用偽單點對象點云的光譜與微分幾何特征，實施偽單點對象選擇與初始匹配；通過擬合平面元素片，構建廣義高斯馬爾可夫模型，進行偽單點表面元素精確匹配，估計偽單點搜索表面相對于對應模板表面的變形參數(shù)；基于最小二乘手段，建立了該模型的精度評價指標。試驗證明，該方法可以充分利用點云數(shù)據(jù)的高冗余性，實現(xiàn)以低于TLS單點噪聲量級的靈敏度識別全三維變形，尤其適用于滑坡等人員難以達的面災害監(jiān)測領域。