NBCORS及車載LiDAR系統POS數據處理技術在道路竣工中的應用研究

文學東，陳　恒

(1. 武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430079； 2. 寧波市規劃局，浙江 寧波 315042；

3. 寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波 315042)

WEN Xuedong,CHEN Heng

NBCORS及車載LiDAR系統POS數據處理技術在道路竣工中的應用研究

文學東1，2，陳恒3

(1. 武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430079； 2. 寧波市規劃局，浙江 寧波 315042；

3. 寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波 315042)

Road As-built Drawing Surveying Research on POS Data Processing of Vehicle-borne LiDAR System and NBCORS

WEN Xuedong,CHEN Heng

摘要：針對車載LiDAR系統在城市道路竣工測繪中所面臨的問題，提出了采用城市CORS站替代單基站以差分解算POS，并通過設計試驗探明了基于單基站及多基站差分GPS解算POS獲得的激光點云數據精度。試驗結果表明，基于測區附近3個基準站獲得的點云平面精度可達4.9 cm，高程精度可達8.6 cm，能夠滿足城市道路竣工的精度要求，具有替代近距離單基站差分的潛力。

引文格式： 文學東，陳恒. NBCORS及車載LiDAR系統POS數據處理技術在道路竣工中的應用研究[J].測繪通報，2015(9)：60-63.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0280

關鍵詞：車載LiDAR系統；差分GPS；NBCORS；道路竣工測繪

中圖分類號：P234.4

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)09-0060-04

收稿日期：2015-06-17

作者簡介：文學東(1979—)，男，博士生，主要研究方向為攝影測量、遙感圖像處理和三維激光掃描測量技術。

E-mail: 553078256@qq.com

一、引言

車載LiDAR系統主要由GPS/IMU、激光掃描儀、全景相機等核心傳感器構成，其中，GPS/IMU系統獲取的原始數據稱為POS數據。POS數據是為系統提供絕對位置及姿態的，它的精度直接決定了最終激光點云數據的精度。目前，在城市道路竣工測繪應用中，車載LiDAR系統的POS數據處理主要采用單基站差分GPS的方法，但該方法需要單獨架設基站，耗時、費力；而現代城市一般都布設有CORS參考站，若能用其替代單基站，則可較大程度上降低作業成本、提高效率。

本文以NBCORS及寧波市測繪設計研究院的車載LiDAR系統為例，分別采用不同距離、不同數量的NBCORS基準站對車載LiDAR系統的POS數據進行處理,將基于該POS得到的點云數據與檢核點進行比較。試驗表明，采用多基站差分GPS的方法對車載LiDAR系統的POS數據進行后處理得到的點云數據,能夠滿足現行城市道路竣工測繪規范的要求。

二、車載LiDAR系統的組成及原理

本文以寧波市測繪設計研究院的車載激光掃描與全景成像城市測量系統(如圖1所示)為例，開展基于NBCORS的車載LiDAR系統POS數據處理在道路竣工中的應用研究。該系統各核心傳感器間通過機械結構保持相對位置固定，且各傳感器之間的嚴格幾何關系通過標定建立，測量過程中，各傳感器均使用GPS時間系統且保持時間同步，當車載系統以一定速度移動時，組合導航系統GPS和IMU以一定的頻率觀測并記錄系統瞬時的絕對位置和姿態數據；同時，激光掃描儀與全景相機也以一定頻率掃描和采集，獲得瞬時坐標系下的點云及全景影像，結合標定參數、系統絕對位置和姿態，即可得到絕對坐標系下的數據成果。

圖1　車載激光掃描與全景成像城市測量系統

三、基于差分GPS的POS數據處理方法

1. GPS觀測及誤差

一般而言，普通的GPS接收機能夠獲取3種觀測值：偽距、載波相位和多普勒頻移。其中，載波相位觀測是目前最精確的GPS觀測方法，車載LiDAR系統的數據解算通常選用該類觀測值。載波相位測量的基本原理是GPS接收機接收到的具有多普勒頻移的載波信號，與接收機產生的參考載波信號之間的相位差。載波相位的觀測值表示如下

(1)

載波相位觀測值含有多種誤差，按誤差性質,可分為系統誤差和隨機誤差兩類。系統誤差主要包括:衛星軌道誤差、衛星鐘差、電離層延遲、對流層延遲、接收機鐘差和接收機位置誤差；隨機誤差主要包括多路徑效應誤差和接收機噪聲。GPS測量誤差是車載LiDAR系統測量的主要誤差來源。

2. 差分GPS

差分GPS解算模式是利用已知精確三維坐標的差分GPS基準站，求得偽距修正量或位置修正量，再將這個修正量實時或事后發送給固定或移動的GPS接收機，對其測量數據進行修正，從而得到更高精度GPS數據的一種方法。通過差分，可以消除或減弱一些具有系統性誤差的影響，如衛星軌道誤差、衛星及接收機鐘差、大氣折射誤差等。依據基準站個數，差分GPS可分為單基準差分、多基準的局部區域差分和廣域差分。

差分GPS的理論基礎是流動站GPS與基準站存在空間相關性，對于單基站差分GPS而言，基準站與流動站2臺接收機同步跟蹤觀測相同的GPS衛星，二者的空間相關性會隨著距離的增加而減弱，其解算精度也會隨之變差；對于多基站差分GPS，一般要求基站數量不少于3個且網形覆蓋整個測區范圍，由于多個基準站在測區范圍內均勻分布，可精確估計對流層延遲、電離層延遲和衛星軌道誤差等基準站間的空間相關誤差，因而，可最大限度地消除空間誤差。

3. NBCORS

CORS，又稱連續運行參考站網系統，該系統一般指建立在城市或地區的永久性連續運行GNSS參考站，通過網絡能夠共享參考站數據。NBCORS則為在寧波市建立的CORS網，它自建了7個GNSS連續運行參考站，引入周邊城市7個GNSS連續運行參考站，建成包含14個參考站的連續運行參考站網，平均間距45 km，均勻覆蓋了寧波及周邊地區的區域，在寧波市區域任意一點離最近NBCORS站距離不大于40 km。NBCORS參考站點分布如圖2所示。

圖2　NBCORS參考站分布網圖

4. 車載LiDAR系統POS數據處理

在高精度的城市測繪應用中，車載LiDAR系統的原始POS數據包括基站數據及移動站數據。其中基站數據為GPS靜態觀測數據，供差分GPS使用；移動站數據包括GPS數據及慣導IMU數據。POS數據后處理首先需將移動站GPS數據與基站GPS數據進行差分處理，解算得到基于GPS的車載LiDAR系統軌跡；然后將GPS差分結果與慣導IMU數據進行緊耦合(tightly coupled,TC)，如果采用雙向緊耦合模式，需將雙向緊耦合結果進行組合，并將緊耦合結果進行平滑得到最終的高精度位置與姿態數據，同理可得采用松耦合模式時的解算；最后將處理結果輸出，即得到處理后的POS數據。其處理流程如圖3所示。

通過解算得到的POS數據并結合激光點云標定參數，即可將車載LiDAR系統同步采集的掃描儀坐標系下的激光點云數據轉換到絕對坐標系下,因而，可以用絕對坐標系下的激光點云精度間接評定車載LiDAR系統POS數據的精度。

圖3　基于差分GPS的POS數據處理

四、試驗及分析

本文試驗分兩個部分,分別為單基站及多基站差分GPS解算POS數據的精度分析，試驗選用測區附近的NBCORS站作為基站來完成。同時，在測區內架設單基站進行比對分析，并通過車載LiDAR系統在絕對坐標系下的激光點云數據精度來間接評定POS數據精度。

試驗主要數據設備包括:1臺Trimble R8 GPS接收機、3個NBCORS基準站、車載LiDAR系統。測區選在寧波市國際貿易展覽中心的1號—8號樓及其周邊區域，該區域為長500 m、寬400 m的近似矩形區域。試驗場內部較為空曠，可保證GPS信號良好；建筑棱角分明，可保證充足的試驗檢核點；試驗區域房屋不太高，能保證激光掃描儀掃描到房屋角點。在試驗區采集數據時，衛星狀況良好，數目在8~14顆之間。試驗場及場內標定點示意圖如圖4所示。

對于單基站差分GPS試驗，選用離測區最近的NBCORS基準站A、B、C分別與車載LiDAR系統的GPS數據進行差分解算，其中，基站A離測區的距離約為11.7 km、基站B為16.9 km、基站C為49.8 km，此外，為了進行比對分析，還在試驗區內的已知點上架設了基準站D，其離待測區域最遠點距離為560 m；對于多基站差分GPS試驗，則將基站A、B、C數據同時導入進行差分解算，3個基站及測區的分布如圖5所示。

圖4　試驗場及場內標定點示意圖

數據采集過程中，所有基站及車載GPS的采樣間隔均為1 s，數據采集過程中，車載LiDAR系統以20 km/h的速度運行；數據解算時，車載GPS與基站進行差分，差分后的結果與慣導IMU數據執行緊耦合解算和光滑處理得到處理后的POS數據(軌跡圖如圖6所示)，再結合車載LiDAR系統的標定參數，解算即可得到絕對坐標系下的激光點云數據，然后，利用檢核點即可評定點云精度，進而間接評定POS數據精度。

圖5　測區及附近的3個NBCORS基準站分布(三角符號表示基準站，矩形符號表示測區)

選取試驗區31個檢核點，并在對應的激光點云數據中采集對應點的平面及高程數據，檢定結果見表1。

圖6　POS數據處理試驗的軌跡

m

車載LiDAR系統在GNSS信號良好的情況下，可得出如下結論：從表1中單基站及多基站差分解算POS獲得的點云數據精度來看，點云數據的平面中誤差在0.049~0.108 m之間波動，高程中誤差則在0.055~0.108 m之間波動，平面及高程精度均滿足浙江省道路竣工的測量精度要求，因此，可考慮采用測區最鄰近3個NBCORS站替代單基站，從而達到節省費用、提高工作效率的目的。

五、結束語

本文以寧波市車載LiDAR系統為例，介紹了車載LiDAR系統的組成、工作原理，從單基站差分、多基站差分兩種POS數據處理方法出發，通過設計試驗探明了兩種方式對應的激光點云數據的測量精度，從而證明了在城市道路竣工測繪應用中，基于NBCORS的遠距離多基站差分技術具有替代近距離單基站差分的潛力，可為車載LiDAR系統在該類項目中的應用提供參考。

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