基于地面三維脈沖激光掃描技術(shù)的變形監(jiān)測(cè)若干問題研究

郭獻(xiàn)濤

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

在傳統(tǒng)大地測(cè)量中，變形監(jiān)測(cè)為控制網(wǎng)中稀疏監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)所驅(qū)動(dòng)。近年來，隨著地面激光掃描(terrestrial laser scanning,TLS)技術(shù)的迅速發(fā)展，該技術(shù)顯示出應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)的巨大潛力，尤其是在危險(xiǎn)和人員難以到達(dá)的災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。由于TLS掃描測(cè)點(diǎn)的不可重復(fù)性，傳統(tǒng)基于離散點(diǎn)的監(jiān)測(cè)模式不再適用。為此，亟須研究與TLS技術(shù)相適應(yīng)的變形監(jiān)測(cè)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(shù)的變形監(jiān)測(cè)若干理論問題，主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下：

(1) 針對(duì)間接地理定位法不適用于TLS變形監(jiān)測(cè)的局限性以及優(yōu)化TLS變形監(jiān)測(cè)流程、提高TLS變形監(jiān)測(cè)效率的需求，系統(tǒng)研究了TLS變形監(jiān)測(cè)直接地理定位方法，并測(cè)試了該方法可實(shí)現(xiàn)的變形測(cè)量坐標(biāo)精度。結(jié)果表明，直接地理定位方法適用于TLS變形監(jiān)測(cè)，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(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，系統(tǒng)研究了直接地理定位下脈沖TLS變形測(cè)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(chǔ)，提出了一種地面脈沖激光掃描儀自檢校方法。通過對(duì)所有估計(jì)參數(shù)(尤其是掃描儀外方位參數(shù))引入相關(guān)先驗(yàn)隨機(jī)信息以及通過合適的檢校網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了降低參數(shù)間高相關(guān)性，提高檢校參數(shù)估計(jì)可靠性的目的，保證了TLS變形測(cè)量的系統(tǒng)精度。

(3) 根據(jù)不同變形場(chǎng)景，分別從變形對(duì)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(diǎn)變形監(jiān)測(cè)模式。該模式可充分利用點(diǎn)云的地理屬性、強(qiáng)度、顏色信息及微分幾何特征，支持特征對(duì)應(yīng)搜索，且變形具有較好的一致性，易于實(shí)現(xiàn)單模型覆蓋。同時(shí)構(gòu)建了基于TLS技術(shù)的偽單點(diǎn)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)施體系，克服了傳統(tǒng)離散點(diǎn)變形監(jiān)測(cè)模式不適用于TLS變形監(jiān)測(cè)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(diǎn)變形計(jì)算方法。探索了利用偽單點(diǎn)對(duì)象點(diǎn)云的光譜與微分幾何特征，實(shí)施偽單點(diǎn)對(duì)象選擇與初始匹配；通過擬合平面元素片，構(gòu)建廣義高斯馬爾可夫模型，進(jìn)行偽單點(diǎn)表面元素精確匹配，估計(jì)偽單點(diǎn)搜索表面相對(duì)于對(duì)應(yīng)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(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)證明，該方法可以充分利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高冗余性，實(shí)現(xiàn)以低于TLS單點(diǎn)噪聲量級(jí)的靈敏度識(shí)別全三維變形，尤其適用于滑坡等人員難以達(dá)的面災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。