基于地面三维脉冲激光扫描技术的变形监测若干问题研究

郭献涛

1. 南京邮电大学地理与生物信息学院，江苏 南京 210023； 2. 河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 211100

在传统大地测量中，变形监测为控制网中稀疏监测点观测所驱动。近年来，随着地面激光扫描(terrestrial laser scanning,TLS)技术的迅速发展，该技术显示出应用于变形监测的巨大潜力，尤其是在危险和人员难以到达的灾害监测领域。由于TLS扫描测点的不可重复性，传统基于离散点的监测模式不再适用。为此，亟须研究与TLS技术相适应的变形监测新模式与变形提取新方法。论文主要围绕精度与变形提取两大主体展开，研究基于TLS技术的变形监测若干理论问题，主要研究内容与结论如下：

(1) 针对间接地理定位法不适用于TLS变形监测的局限性以及优化TLS变形监测流程、提高TLS变形监测效率的需求，系统研究了TLS变形监测直接地理定位方法，并测试了该方法可实现的变形测量坐标精度。结果表明，直接地理定位方法适用于TLS变形监测，且能较好地克服间接地理定位法的局限性。

(2) 参考全站仪误差源研究，以及基于理论材料和实验测试结果，系统研究了直接地理定位下脉冲TLS变形测量的误差源、误差影响方式以及控制策略，并以全站仪系统误差模型为基础，提出了一种地面脉冲激光扫描仪自检校方法。通过对所有估计参数(尤其是扫描仪外方位参数)引入相关先验随机信息以及通过合适的检校网优化设计，实现了降低参数间高相关性，提高检校参数估计可靠性的目的，保证了TLS变形测量的系统精度。

(3) 根据不同变形场景，分别从变形对象、变形类型及变形描述3方面，系统研究了变形建模问题，并基于变形建模分析提出了一种伪单点变形监测模式。该模式可充分利用点云的地理属性、强度、颜色信息及微分几何特征，支持特征对应搜索，且变形具有较好的一致性，易于实现单模型覆盖。同时构建了基于TLS技术的伪单点变形监测技术实施体系，克服了传统离散点变形监测模式不适用于TLS变形监测的局限性。

(4) 基于最小二乘2D影像匹配概念的泛化，提出了一种伪单点变形计算方法。探索了利用伪单点对象点云的光谱与微分几何特征，实施伪单点对象选择与初始匹配；通过拟合平面元素片，构建广义高斯马尔可夫模型，进行伪单点表面元素精确匹配，估计伪单点搜索表面相对于对应模板表面的变形参数；基于最小二乘手段，建立了该模型的精度评价指标。试验证明，该方法可以充分利用点云数据的高冗余性，实现以低于TLS单点噪声量级的灵敏度识别全三维变形，尤其适用于滑坡等人员难以达的面灾害监测领域。