较大区域GNSS/TLS集成变形监测的基准精确转换方法研究

Datum conversion is one of the key scientific problems of Terrestrial Laser Scanner (TLS) for high precise deformation monitoring. In large deformation area, the application of TLS is restricted by the large quantity of monitoring points, the destructive geometric relationship of stations by surface deformation, and the incorrectly conversion parameters caused by gross points. Therefore, this research intends to employ the Global Navigation Satellite System (GNSS)/TLS integration technology, to study: 1) spatial and temporal distribution characteristics of the GNSS main error sources (multipath error) in the mining environment, to establish GNSS precise relative positioning model; 2) multi-scale spatial and temporal distribution characteristics of the dynamic deformation, to separate the deformation information from multipath error, then to establish the correction model of point cloud data with its time and location properties; 3) the principle of Newton-Gauss iterative method of the weighted total least squares and the robust estimation method, to establish the robust weighted total least squares model; then, with the constraint information of rotation matrix orthogonality, to expand the previous model for the datum conversion with arbitrary rotation angle.

基准精确转换是地面三维激光扫描系统（TLS）进行高精度变形监测的关键技术之一，针对较大区域变形监测面临的：设站数目增多，测量精度降低；站间几何关系破坏，难以精确配准；以及可能出现的粗差，使得转换参数无法有效获取等问题。课题拟采用全球卫星导航系统（GNSS）/TLS集成技术，以矿山地表开采沉陷区为研究区域，进行GNSS/TLS基准精确转换方法研究，具体包括：1）分析GNSS多路径误差的时空分布特征，建立不同定位模式下，GNSS多系统精密相对定位模型；2）分析研究区域多尺度变形特征，建立变形信息与多路径误差的分离模型，进而顾及点云数据的时间属性与位置属性，建立点云数据的精确修正模型；3）基于加权整体最小二乘的牛顿-高斯迭代法，借鉴一般抗差估计的等价权原理，建立抗差加权整体最小二乘模型，并根据旋转矩阵的正交性增加约束条件，建立适合GNSS/TLS任意旋转角下基准转换的抗差加权整体最小二乘模型。

基准精确转换是地面三维激光扫描系统（TLS）进行高精度变形监测的关键技术之一，针对较大区域变形监测面临的：设站数目增多，测量精度降低；站间几何关系破坏，难以精确配准；以及可能出现的粗差，使得转换参数无法有效获取等问题。本课题采用全球卫星导航系统（GNSS）/TLS集成技术，进行GNSS/TLS基准精确转换方法研究，具体包括：（1）GNSS及其增强系统的相对定位模型、模糊度固定以及性能分析。（2）GPS相对定位静态基线解算和动态坐标序列中多路径误差的削弱以及多路径误差与变形数据分离方法。（3）精密单点定位技术的算法研究与性能测试。（4）抗差整体最小二乘算法及其在点云精确建模中的应用。（5）广义整体最小二乘的推估模型。结果表明：（1）多系统GNSS的整周模糊度的固定效率高于单个系统；提出的GPS/伪卫星组合解算模型得到基线向量的精度高于单独GPS系统和其他GPS/伪卫星组合解算模型。（2）提出的静态和动态多路径误差的削弱技术较现有研究精度均有一定程度的提高，而提出的基于广义特征分解的多路径误差与形变信息的盲源分离算法的分离效果优于现有的MAX-SNR方法和ICA方法。（3）提出的MUC精密单点定位（PPP）模型较其他三种模型（UC、UOFC及UD），在收敛比例、收敛时间以及位置精度三个方面均表现出了一定的优势；对部分亚太地区IGS参考站实测数据进行测试，测试结果为后续将PPP用于精确基准获取，提供了强有力的理论依据。（4）提出的抗差整体最小二乘模型（RWTLS）的解算结果优于现有其他算法，且估计参数的维数大大降低，计算效率有一定程度的提高；以入射角定权的RWTLS具有较好抗差性和较高精度参数解，能够解决点云拟合中数据含有异常值以及不等精度问题。（5）提出的GTLSP算法与现有的CWTLS方法相比可以在一定程度上提高转换坐标的准确度，尤其当公共点和非公共点的相关性较强时。新算法不仅适用于各种测量基准转换模型，还可用于多元非线性回归和预测、LiDAR点云校准、遥感影像处理等问题。