GNSS失鎖狀態下車載移動掃描系統的點云數據精度分析

段龍飛，戴華陽，廖孟光，徐衛東

(1.中國礦業大學(北京)，北京100083;2.拓普康(北京)科技發展有限公司，北京100176)

一、引 言

移動測量系統作為快速、高效和高集成度的海量點云數據的采集手段，已經成功應用于我國數字化信息城市建設中，它代表著未來測繪與地理信息技術的一個重要發展方向［1］。隨著科學技術的不斷革新，車載移動測量設備的硬件配置在不斷提高，從早期使用的機械陀螺發展為當今的光纖和激光陀螺，相機的像素從百萬級別提高到了千萬級［2］，數據采集精度也有了很大的提高［3］。

盡管移動測量設備集成了高精度的IMU和車輪編碼器［4］，但是其采集數據的精度主要依賴于GNSS設備。當在城市采集數據時，遇到高壓電線、高樓或強磁場等環境則可能會導致GNSS失鎖，此時移動測量設備的數據精度主要由IMU和車輪編碼器來維持［5］。隨著失鎖時間延長，數據的精度變得越來越差。

目前，針對移動測量系統的研究已經有了很多。如張卡等根據誤差傳播定律，推導了X、Y、Z 3個方向上的影像坐標誤差公式及點位誤差公式［6］;Yang等分析了移動測量系統點云數據在歷史文化遺產中的應用［7］;劉梅余等針對車載移動測量系統的精度和利用控制點提高點云數據精度進行了相關分析［8-9］。但是，對于移動測量系統的點云數據在GNSS失鎖狀態下的精度分析，暫未進行相關的試驗。本文旨在通過一系列的試驗，獲得移動測量系統失鎖狀態下的點云數據，分析和研究點云數據精度隨時間的變化規律。

二、點云精度分析

分析車載移動測量系統在GNSS失鎖狀態下的點位精度，必須建立一個理想的失鎖環境，本文通過人為操作拔掉GNSS天線來模擬車載失鎖狀態下的數據采集環境。

1.路線設計

選擇視野良好場所分別進行人為1 km失鎖和2 km失鎖試驗。失鎖狀態下，在不同長度距離上，對正常情況下和失鎖狀態下參考控制點進行計算，比較計算的結果。

(1)行走路線

選擇一條近似直線的道路，每隔50 m做一個標記點，如圖1所示。

圖1

(2)實地采集路線圖

本次設計路線長1.6 km，車速保持在30 km/h，標記點個數為3，當行駛至標記點位置時，降低車速至5 km/h。如圖2所示。

(3)試驗設計

①試驗1

試驗1如圖3所示。

圖2 實地采集路線

圖3

當車載系統失鎖1 km的路程時，對比兩次采集的標記點的坐標值，并求解誤差值。

②試驗2

試驗2如圖4所示。

圖4

當車載系統失鎖2 km的路程時，對比兩次采集的標記點的坐標值，并求解誤差值。

2.誤差分析

通過對試驗1和試驗2采集的數據進行整理，獲得車載系統在不同試驗下的3個標記點的坐標，求解獲得標記點在X、Y、Z、2D和3D上的誤差值，結果見表1。

以橫軸作為失鎖時長，縱軸作為標記點的坐標值與真值的差值，繪制線畫圖，如圖5所示。

分析以上圖表，可以獲得如下結論:

1)0 s outage失鎖狀況下，車載系統IMU幾乎沒有漂移，數據采集誤差分別為:X方向最大偏差為-0.023 m，Y 方向最大偏差為-0.021 m，Z 方向最大偏差為0.020 m，觀測結果較好。

表1 控制點的誤差值 m

2)15 s outage失鎖狀態下，標記點的坐標值誤差增大，IMU漂移值增大，數據采集誤差分別為:X方向最大偏差為0.120 m，Y方向最大偏差為0.126 m，Z 方向最大偏差為-0.028 m。

3)30 s outage失鎖狀態下，IMU漂移值進一步增大，標記點的坐標值誤差在X方向有所減低，Y方向和Z方向增大，數據誤差分別為:X方向最大偏差0.090 m，Y 方向最大偏差 0.187 m，Z 方向-0.086 m。

4)60 s outage失鎖狀態下，IMU漂移值繼續增大，且中誤差EMS值大于2.0，標記點的坐標值誤差在X方向上增減不一，(t_1)點誤差增大，(t_2)和(t_3)點的誤差值減小，最大誤差達到0.092 m;Y方向和Z方向的誤差值進一步急速增大，Y方向最大誤差為 0.284 m，Z 方向最大誤差為-0.345 m。

5)從平面(2D)誤差值表得出，(t_1)標記點的誤差值在失鎖30 s時有所減低，但是整體上誤差值在增大;(t_2)和(t_3)標記點的誤差值隨著失鎖時長的增加，誤差值急速增大。平面最大誤差為0.288 m。

6)從三維(3D)誤差值表得出，隨著失鎖時長的增加，標記點的誤差值逐漸增大。三維最大誤差達 0.443 m。

當失鎖 60 s時，數據的 3D最大誤差高達0.443 m。當遇到此類情況時，盡量快速通過失鎖區域，以保證數據整體的精度。

車載移動測量系統的失鎖時長大于30 s后的精度將無法保證，失鎖時長大于60 s后的精度將無法應用于工程領域中。

3.假設驗證

再次采集一段失鎖50 s的數據作進一步驗證，如圖6所示。

增加控制點個數至25個，監測車載移動測量系統在失鎖50 s時，25個標記點的X、Y、Z和2D坐標的平均值、最大值及中誤差的變化量，見表2。

表2 標記點的誤差值 m

當失鎖50 s時，25個標記點的平均值、最大值和中誤差值成倍增加，其中平面(2D)誤差值最大達到0.861 m，已經無法制作1∶5000的地形圖，更無法滿足一般使用用戶的精度要求。因此當移動測量系統失鎖時間達到50 s后，數據成果無法正常使用。

三、結 論

通過試驗得出，車載移動測量系統在1 min內的GNSS失鎖狀態下，數據精度的變化量呈現近似線性的變化規律。當失鎖時長達到50 s時，數據精度將無法達到工程項目的精度要求。根據IMU配置的不同，其斜率的變化量也不同。當采用機械陀螺集成的IMU，斜率變化量相對較大，而采用光纖陀螺或激光陀螺集成的IMU，斜率值變化較小。因此，當遇到GNSS失鎖狀態時，應盡量保證失鎖的時長小于50 s。

本文分析了在GNSS失鎖狀態下，由于IMU漂移導致定位誤差的試驗數據和基本規律。關于在GNSS失鎖狀態下，如何從算法上加以改正，從而獲得高精度的定位結果是下一步的研究內容。

針對數據的采集，給出如下建議:

1)選擇視野良好的場所啟動車載系統，等待數據接收穩定后，啟動車輛。

2)快速通過失鎖區域，保證失鎖時間在50 s以內。

3)車輛穩步啟動、緩慢剎車避免車身抖動過大，尤其在失鎖的臨界位置，要保證車輛在行駛過程中的連貫性。

［1］徐工，程效軍.移動測量系統點云精度評定及應用分析［J］.工程勘察，2013(9):42-46.

［2］張曉東.可量測影像與GPS/IMU融合高精度定位定姿方法研究［D］.鄭州:信息工程大學，2013.

［3］周靜，張書亮，房彩申.基于可量測實景影像的空間服務研究［J］.南京師范大學學報:工程技術版，2014(3):57-62.

［4］NüCHTER A，BORRMANN D，ELSEBERG J.Algorithmic Solutions for Computing Precise Maximum Likelihood 3D Point Clouds from Mobile Laser Scanning Platforms［J］.Remote Sensing，2013(5):5871-5906.

［5］DAHAI G，LIXIN W，JIANCHAO W，et al.Use the GPS/IMU New Technology for Photogrammetric Application:Geoscience and Remote Sensing Symposium［C］∥IEEE International Conference.Denver:［s.n.］，2006.

［6］張卡，盛業華，葉春，等.車載三維數據采集系統的絕對標定及精度分析［J］.武漢大學學報:信息科學版，2008，33(1):55-59.

［7］YANG W，CHEN M，YEN Y.An Application of Digital Point Cloud to Historic Architecture in Digital Archives［J］.Advances in Engineering Software，2011，42(9):690-699.

［8］劉梅余，鮑峰.基于已知點的移動測量系統測量精度提高［J］.測繪信息與工程，2009(3):35-36.

［9］劉梅余，王衛安，鮑峰.移動測量系統的精度分析及檢測［J］.測繪通報，2009(12):40-42.