趙 祥

(浙江省測繪科學(xué)技術(shù)研究院,杭州 310030)

隨著空間信息技術(shù)的不斷發(fā)展,城市智能化程度也在不斷提高。智慧城市建設(shè)的意義在于,可以提升城市競爭力,推動城市可持續(xù)發(fā)展。對于城市三維信息數(shù)據(jù)的獲取,傳統(tǒng)方式(如全站儀、水準(zhǔn)儀等)不僅耗時耗力,而且難以反映城市細節(jié)的三維信息特征。車載激光掃描系統(tǒng)可高效、快捷、準(zhǔn)確獲取空間三維信息,已經(jīng)成為信息化城市建設(shè)中重要的數(shù)據(jù)采集方式。車載激光掃描系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成,其中,車載軌跡姿態(tài)主要通過POS數(shù)據(jù)、慣性導(dǎo)航IMU、GNSS接收機進行控制。對于車載激光掃描系統(tǒng)來說,在無信號遮擋、GNSS接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)良好的情況下,能夠達到厘米級的精度。但是在實際工程應(yīng)用中,難免因信號遮擋造成GNSS失鎖等問題[1]。

為提高車載掃描系統(tǒng)GNSS失鎖后的點云精度,已有學(xué)者開展相關(guān)研究,段龍飛等通過實驗,發(fā)現(xiàn)增加控制點可以提高失鎖時點云精度[2];王永紅等以折線形式布設(shè)控制網(wǎng),認為每400m布設(shè)1個控制點可有效提高車載掃描系統(tǒng)GNSS失鎖時的點云精度[3]。為進一步深入研究GNSS失鎖下控制點采集密度、布設(shè)形式對點云精度的影響,將車載激光掃描系統(tǒng)置于真實GNSS信號失鎖環(huán)境中進行實驗與分析,以期為實際工程中車載掃描系統(tǒng)GNSS信號失鎖時點云精度的改善提供參考方法。

1 車載激光掃描系統(tǒng)

車載激光掃描技術(shù)是一種將激光雷達(Lidar)、GNSS接收機、慣性測量系統(tǒng)(INS)、全景相機以及控制系統(tǒng)等搭載在機動車或非機動車等運動平臺上,通過對道路及其兩側(cè)的掃描來記錄目標(biāo)的位置和反射強度等信息,以獲取地理實體的三維數(shù)據(jù)的空間信息技術(shù)[4],車載激光掃描原理見圖1。

圖1 車載激光掃描

一般情況下,車載移動掃描系統(tǒng)包括4個部分:移動平臺、定位定姿、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理。其中,數(shù)據(jù)采集部分由多鏡頭相機與激光掃描頭組成,主要作用為獲取環(huán)境地物的紋理信息與幾何信息等;定位定姿部分主要由慣性測量系統(tǒng)IMU和里程計、GNSS接收機組成,用于獲取移動平臺瞬時的空間位置;數(shù)據(jù)處理部分主要包含車載軌跡結(jié)算、點云數(shù)據(jù)解算的軟硬件等[5]。

2 實驗實施與分析

2.1 儀器介紹

AS900車載激光掃描系統(tǒng)主要包括控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、全景照片采集系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、GNSS接收機系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)與車載平臺。車載激光掃描系統(tǒng)見圖2。

圖2 車載激光掃描系統(tǒng)

該車載激光掃描系統(tǒng)可以采集獲取環(huán)境中地理要素的大地坐標(biāo)(B、L、H)與反射強度,并且全景照片系統(tǒng)可提供地理要素豐富的紋理與色彩信息,與點云配準(zhǔn)后,可生成高質(zhì)量彩色點云數(shù)據(jù)。

2.2 實驗設(shè)計

當(dāng)車載激光掃描系統(tǒng)失鎖的時間達到50s時,采集得到的點云數(shù)據(jù)無法滿足項目生產(chǎn)所需精度要求[6]。為準(zhǔn)確反映失鎖狀態(tài)下不同網(wǎng)形控制點校正后點云精度的差異,將車載激光掃描的失鎖時間設(shè)置為大于50s。在失鎖路段布設(shè)不同控制點網(wǎng)形,分別按照直線、雙直線、折線,每100,300,500m布設(shè)1個控制點,使用“GPS-RTK”技術(shù)采集車載點云數(shù)據(jù)中較為明顯的特征點三維坐標(biāo)信息,控制點布設(shè)網(wǎng)形見圖3。

圖3 控制點布設(shè)網(wǎng)形

2.3 車載數(shù)據(jù)采集

車載激光掃描前準(zhǔn)備工作通常包括:設(shè)計技術(shù)參數(shù)、測設(shè)基站、規(guī)劃行車路線、系統(tǒng)測試[7]。(1)選擇實驗區(qū)附近較為開闊的停車場,待設(shè)備安置完成后,開啟系統(tǒng)設(shè)備,測試全景相機拍照效果并在軟件中設(shè)置照片在平板電腦上的保存路徑;初始化時,檢查平板中GNSS、慣導(dǎo)、和激光信號,GNSS 衛(wèi)星數(shù)量不宜小于10 顆[8],然后進行靜止初始化,時長超過5min;(2)靜止初始化完成后,行駛出停車場,進入實驗區(qū)前需要進行動態(tài)初始化,至少應(yīng)包括一段直線和兩次拐彎;(3)完成動態(tài)初始化后,在進入實驗區(qū)域前開啟激光雷達進行掃描,同時全景相機將自動觸發(fā)開啟,采集過程中不宜與大車并行,行駛速度應(yīng)滿足點云密度要求,以不超過30km/h的車行速度進行數(shù)據(jù)采集[9];(4)進入試驗區(qū)后,使用控制平板并關(guān)閉GNSS接收機,駛出試驗區(qū)后開啟GNSS接收機。使車載系統(tǒng)在實驗區(qū)采集數(shù)據(jù)時完全靠慣導(dǎo)系統(tǒng)進行點云位置獲取[10]。

2.4 車載數(shù)據(jù)處理

(1)車載軌跡解算

通過Inertial Explorer進行點云數(shù)據(jù)解算,首先將基站觀測處理得到的RINEX數(shù)據(jù)和移動站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GPB數(shù)據(jù)[11];新建工程并保存到車次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)目錄POST文件夾下,在工程向?qū)е屑虞d移動站(ROVER)GPB數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)以及DMI數(shù)據(jù);加載基站(BASE)GPB數(shù)據(jù)。利用軟件進行基站與移動站數(shù)據(jù)緊耦合解算出車次POST文件[12]。

(2)點云數(shù)據(jù)解算

在點云解算軟件中,選擇需要解算的工程文件夾,選擇項目信息欄,導(dǎo)入POST軌跡數(shù)據(jù)文件,定義解算點云的中央子午線,距離濾波值按照城市道路寬度選取(設(shè)置至少覆蓋人行道兩側(cè),一般道路可設(shè)置為50m)。保存所有設(shè)置,點擊解算單個工程即可開始解算。通過車載軌跡解算、點云解算后得到的車載點云數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 實驗區(qū)點云數(shù)據(jù)

2.5 特征點數(shù)據(jù)采集

為驗證不同校正控制點布設(shè)對點云精度提高的影響,需將整體點云數(shù)據(jù)進行絕對位置校正。較為清晰的控制點可通過GPS-RTK進行同名點三維坐標(biāo)采集,同時采集校正控制點與檢驗控制點。檢驗控制點應(yīng)插空布設(shè)在校正控制點之間,校正點和檢驗點的命名要區(qū)分開,以免后續(xù)使用時混淆。校正控制點和檢驗控制點宜選取具有一定寬度和長度的道路標(biāo)線(如停車線、標(biāo)識、分隔線外角等),外業(yè)控制點采集見圖5。

圖5 利用CPS-RTK進行外業(yè)控制點采集

將外業(yè)測量所獲得的校正控制點和檢驗控制點的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的WGS84坐標(biāo)系下經(jīng)緯度坐標(biāo)和大地高值,再將對應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)按照高斯投影歸算到123°帶的高斯平面直角坐標(biāo)系中,即可得到可用于刺點校正或精度檢查的坐標(biāo)形式。

2.6 點云數(shù)據(jù)校正

根據(jù)獲得的高斯平面直角坐標(biāo)值和大地高值進行坐標(biāo)文件格式處理,形成控制點文件,將文件放置于校正軟件設(shè)置文件夾中。在校正軟件中打開需校正的項目,再將原始點云選擇轉(zhuǎn)換成加載速度更快的外存點云。在校正軟件中直接從點云列表中進行逐個勾選點云,開始刺點,通過校正同名特征點完成點云的整體校正。

2.7 精度統(tǒng)計與分析

按照同精度檢測的方法,通過在點云上同名點刺點進行校正后點云精度檢驗[13-15],同名點點云軸向誤差計算公式為

式中,(X,Y,Z)為利用RTK測量得到的檢查點三維坐標(biāo);(x′,y′,z′)為點云中的檢驗點同名點。

中誤差公式為

式中,Δ為真值與測量值的差值;n為檢驗點個數(shù)。

平面中誤差σS可表示為

式中,σx為x軸中誤差;σy為y軸中誤差。

表1為每100m布設(shè)1個校正控制點后,校正后的點云檢驗誤差;表2為每300m布設(shè)1個校正控制點后,校正后的點云檢驗誤差;表3為每500m布設(shè)1個校正控制點后,校正后的點云檢驗誤差。

表1 100m不同網(wǎng)形控制點校正后點云精度 m

表2 300m不同網(wǎng)形控制點校正后點云精度 m

表3 500m不同網(wǎng)形控制點校正后點云精度 m

由表1可知,車載激光掃描系統(tǒng)在失鎖狀態(tài)下的點云平面精度與高程精度均較低,并且高程精度明顯大于平面精度。每100m布設(shè)1個控制點時,通過不同網(wǎng)形控制點進行點云校正后,點云的精度都有大幅度提高,其中高程中誤差從0.1044m變化至0.0282m,平面中誤差從0.5658m變化至0.096m。通過3種網(wǎng)形校正后,折線網(wǎng)形的點云平面精度最低,直線網(wǎng)形點云平面精度最高,折線網(wǎng)形高程精度最低,雙直線網(wǎng)形高程精度最高,其中雙直線網(wǎng)形與直線網(wǎng)形的高程精度基本一致,相差僅0.0046m。

由表2可知,在每300m布設(shè)1個控制點時,經(jīng)過3種控制點網(wǎng)形校正后的點云數(shù)據(jù)精度都有所提高,平面精度較高程精度提升更大,從0.5658m變化至0.1218m。點云校正后,直線網(wǎng)形的平面精度最低,折線網(wǎng)形的平面精度最高,同時折線網(wǎng)形的高程精度最低,直線網(wǎng)形的高程精度最高。

由表3可知,每500m布設(shè)1個控制點時, 3種校正后的點云數(shù)據(jù)精度都有一定程度提高,但是提高的幅度較小。平面精度從0.5658m最高提升至0.2110m,此時3種網(wǎng)形的平面精度較為一致,折線網(wǎng)形的高程精度最低,直線網(wǎng)形的高程精度最高。

3種網(wǎng)形點云校正后的點云數(shù)據(jù)精度見圖6。通過表1～表3與圖6可知,經(jīng)過控制點校正后的點云數(shù)據(jù)精度都有所提高,特別是平面精度提高幅度最大。在控制點布設(shè)間距一致時,雙直線網(wǎng)形與直線網(wǎng)形的控制點校正點云數(shù)據(jù)效果都較好,得到的點云數(shù)據(jù)精度較高。同一種控制點布設(shè)網(wǎng)形下,校正后的點云精度隨著控制點密度的增加而提高。3種網(wǎng)形布設(shè)控制點進行點云校正后,點云精度會隨著控制點密度的減小而逐步趨于一致。

圖6 校正后的點云精度

點云校正是通過將軌跡進行切割,通過每段內(nèi)控制點計算該段內(nèi)的軌跡校正參數(shù)。當(dāng)只有車行軌跡一側(cè)有控制點時,此時只會對X、Y、Z三軸的誤差進行校正(如直線網(wǎng)形);當(dāng)車行軌跡兩側(cè)都有控制點時,此時不僅可以對三軸誤差進行校正,還可校正車載過程中的姿態(tài)誤差(如折線網(wǎng)形和雙直線網(wǎng)形)。雙直線網(wǎng)形與直線網(wǎng)形校正后結(jié)果基本相同,表明在短時間失鎖時,車載系統(tǒng)仍能夠獲取準(zhǔn)確的姿態(tài)數(shù)據(jù)。因此,針對車載系統(tǒng)的短時間失鎖,使用直線網(wǎng)形布設(shè)控制點的方式進行點云數(shù)據(jù)校正可達到要求。

3 結(jié)論

在車載激光掃描GNSS系統(tǒng)失鎖下,分析不同控制網(wǎng)形布設(shè)控制點對校正后點云精度的影響。車載掃描系統(tǒng)經(jīng)過實驗區(qū)時,關(guān)閉GNSS接收裝置,使車載系統(tǒng)僅靠慣性導(dǎo)航系統(tǒng)并進行車載軌跡獲取。實驗表明,車載系統(tǒng)在GNSS失鎖狀態(tài)下的點云精度較低,通過布設(shè)控制點進行點云數(shù)據(jù)校正,可以明顯提高點云數(shù)據(jù)精度,并且點云精度隨著控制點布設(shè)密度的增加而提高。比較3種控制點布設(shè)網(wǎng)形的點云精度,可知直線網(wǎng)形較其他2種網(wǎng)形,能更直接地提高點云精度,且布設(shè)方法簡單。在實際生產(chǎn)過程中,如果車輛經(jīng)過信號遮擋區(qū)域?qū)е翯NSS失鎖時,建議以直線方式每100m布設(shè)1個控制點,以提高車載點云數(shù)據(jù)精度。