車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)精度影響因素分析研究

林 昀，廖 佳，萬(wàn)宏德

（1.寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315042）

車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)精度影響因素分析研究

林 昀1，廖 佳1，萬(wàn)宏德1

（1.寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315042）

以寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院的車載激光掃描與全景成像城市測(cè)量系統(tǒng)為例，在速度、激光入射角和GPS信號(hào)失鎖等不同外部條件影響下，獲取了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。綜合分析評(píng)價(jià)了車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)精度變化情況，為移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在各種城市測(cè)量環(huán)境中的適用性提供參考依據(jù)，以期擴(kuò)大該技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用。

車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)；數(shù)學(xué)精度；激光掃描儀；POS系統(tǒng)

隨著信息社會(huì)的深入發(fā)展，信息技術(shù)、空間技術(shù)已經(jīng)成為城市發(fā)展變革的驅(qū)動(dòng)力，城市空間信息的快速獲取和智能化處理是當(dāng)前測(cè)繪領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也是“智慧城市”亟待解決的問題。因此，高效率移動(dòng)測(cè)量方式必然成為城市空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段[1]。

與此同時(shí)，車載移動(dòng)測(cè)量作為目前新興的測(cè)繪手段，工程實(shí)踐應(yīng)用資料相對(duì)較為匱乏。由于城市測(cè)量環(huán)境較為復(fù)雜，對(duì)其精度的影響情況尚沒有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，一定程度上制約了車載系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用。因此，對(duì)車載系統(tǒng)的測(cè)量精度展開研究，明確其在城市不同測(cè)量環(huán)境中的精度變化情況，是目前車載系統(tǒng)發(fā)展亟需解決的問題[2,3]。

1 車載系統(tǒng)簡(jiǎn)介及影響因素分析

1.1 車載系統(tǒng)的組成

車載系統(tǒng)一般以汽車為移動(dòng)平臺(tái)，主要由激光掃描數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、POS系統(tǒng)（GPS+IMU）、高分辨率全景成像系統(tǒng)、同步控制單元組成，可以實(shí)時(shí)完成車輛載體的GPS定位、姿態(tài)解算、城市三維空間信息的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)及全景影像數(shù)據(jù)的采集。本文的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示[3]。

圖1 車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

1）激光掃描數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：本研究的車載系統(tǒng)搭載了2臺(tái)激光掃描儀，RIEGL VZ-400固定在測(cè)量車的右后側(cè)，能夠高效率地獲取兩側(cè)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，LMS-Q120i則主要用于獲取后方地表面點(diǎn)云。

2）POS系統(tǒng)：POS系統(tǒng)主要用于測(cè)量掃描投影中心的空間位置和測(cè)量裝置的空間姿態(tài)，其主要部分為GPS與IMU 2個(gè)部分，同時(shí)輔以車輪編碼器（ODO）。

3）全景影像采集系統(tǒng)：本研究的車載系統(tǒng)采用全景相機(jī)獲取真實(shí)場(chǎng)景紋理信息，并通過全景影像與車載點(diǎn)云的高精度配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)全景影像的可量測(cè)。

4）集成同步控制系統(tǒng)：集成控制系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)時(shí)鐘和GPS時(shí)鐘獲取時(shí)間基準(zhǔn)，控制全景成像系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，保證異源數(shù)據(jù)的時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一，從而使激光雷達(dá)系統(tǒng)和全景成像系統(tǒng)下的相對(duì)測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換到絕對(duì)測(cè)量坐標(biāo)系中。

1.2 影響因素分析

車載系統(tǒng)的精度主要由內(nèi)部的系統(tǒng)性誤差和外界測(cè)量環(huán)境2個(gè)部分決定[2]。系統(tǒng)本身的誤差來源主要有POS定姿定位誤差、激光測(cè)距誤差和系統(tǒng)集成誤差等。通過使用高精度的GPS和IMU、激光掃描儀和系統(tǒng)同步器等設(shè)備，進(jìn)行更高精度的系統(tǒng)標(biāo)定，可以減少系統(tǒng)內(nèi)部因素誤差對(duì)數(shù)學(xué)精度的影響。因此，這方面的因素從系統(tǒng)設(shè)計(jì)和投入使用時(shí)就是可控的和可預(yù)計(jì)的。

外界測(cè)量環(huán)境對(duì)數(shù)學(xué)精度的影響更為復(fù)雜，尤其是城市測(cè)量時(shí)，通常涉及多種因素的共同作用，使得無法通過理論模型對(duì)數(shù)學(xué)精度進(jìn)行估算，因而只能通過實(shí)驗(yàn)的方式，利用測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體綜合評(píng)價(jià)[3,4]。

本文主要從目前車載系統(tǒng)的生產(chǎn)實(shí)踐入手，針對(duì)不同傳感器的外部影響條件，分別進(jìn)行單一影響因素實(shí)驗(yàn)，計(jì)算檢核點(diǎn)平面位置和高程中誤差，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，以便指導(dǎo)車載系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)主要由3個(gè)方面組成：①在不同速度下的數(shù)學(xué)精度變化。②在不同激光入射角下的數(shù)學(xué)精度變化。③ 在GPS失鎖累積時(shí)間下的數(shù)學(xué)精度變化。

2 車載系統(tǒng)精度分析實(shí)驗(yàn)及評(píng)價(jià)

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)

本研究以寧波市國(guó)家貿(mào)易展覽中心及其周邊區(qū)域?yàn)閷?shí)驗(yàn)場(chǎng)地。該區(qū)域較為空曠，GPS信號(hào)接收條件良好。作為測(cè)量對(duì)象的建筑物，高度合理，結(jié)構(gòu)具有一定的復(fù)雜性，既能保證激光點(diǎn)云中檢核點(diǎn)的獲取，又能保證檢核點(diǎn)的空間分布特點(diǎn)[2-4]。

實(shí)驗(yàn)開始前，以利用靜態(tài)GPS測(cè)量和高精度全站儀布設(shè)附合導(dǎo)線網(wǎng)的方式獲取控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)，利用水準(zhǔn)儀布設(shè)四等水準(zhǔn)網(wǎng)的方式獲取控制點(diǎn)的高程值，再利用全站儀獲取各個(gè)不同平面和高度上角點(diǎn)的空間坐標(biāo)，保證坐標(biāo)檢核點(diǎn)的平面位置和高程中誤差在1 cm以下[3]。

2.2 實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)結(jié)果

1）速度影響因素。本次實(shí)驗(yàn)中，車載系統(tǒng)的激光掃描儀以前進(jìn)方向的正右方測(cè)量平行墻體，以10 km/h的速度進(jìn)行測(cè)量，每次測(cè)量速度遞增10 km/h，最高為50 km/h，共沿相同路徑測(cè)量5次。

計(jì)算不同速度下車載系統(tǒng)對(duì)檢核點(diǎn)坐標(biāo)的測(cè)量值與真實(shí)值的較差，從而計(jì)算中誤差，結(jié)果如表1。

表1 不同速度條件下的中誤差

2）激光入射角影響因素。本次實(shí)驗(yàn)中，車載系統(tǒng)以30 km/h的速度勻速前進(jìn)測(cè)量平行墻體，激光入射角分別為0°、15°、30°、45°，共沿相同路徑測(cè)量4次。

計(jì)算不同入射角條件下車載系統(tǒng)對(duì)檢核點(diǎn)坐標(biāo)的測(cè)量值與真實(shí)值的較差，從而計(jì)算中誤差，結(jié)果如表2。

表2 不同入射角條件下的中誤差

3）GPS失鎖累積時(shí)間影響因素。本次實(shí)驗(yàn)中，車載系統(tǒng)的激光掃描儀以前進(jìn)方向的正右方測(cè)量平行墻體，以30 km/h的速度勻速前進(jìn)。從遮蔽GPS信號(hào)接收線開始計(jì)時(shí)，并記錄在不同的信號(hào)失鎖時(shí)刻車載系統(tǒng)獲取的檢核點(diǎn)，待測(cè)量結(jié)束后恢復(fù)GPS信號(hào)接收，并在信號(hào)接收條件良好的區(qū)域靜止2 min，再次重復(fù)測(cè)量路徑。計(jì)算各時(shí)間點(diǎn)車載系統(tǒng)對(duì)檢核點(diǎn)坐標(biāo)的測(cè)量值與真實(shí)值的較差，結(jié)果如表3。

表3 GPS失鎖累積時(shí)間及恢復(fù)后的較差

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)

1）速度影響因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，車載系統(tǒng)測(cè)量精度對(duì)速度的變化不敏感，高程和平面位置精度基本不發(fā)生變化（見圖2、3），說明在車輛一般行進(jìn)速度范圍內(nèi)，對(duì)精度影響程度較小。作業(yè)時(shí)應(yīng)可提高車輛行駛速度，以提高作業(yè)效率。

2）激光入射角影響因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量精度隨激光入射角的增大而逐漸降低。因此作業(yè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)待測(cè)目標(biāo)位置設(shè)定不同的掃描角度，激光應(yīng)盡量垂直入射測(cè)量對(duì)象，以獲取精度較高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3）GPS失鎖累積時(shí)間影響因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，車載系統(tǒng)測(cè)量精度受GPS信號(hào)的影響較大，其精度與失鎖時(shí)間和軟件解算方式有較大關(guān)系，失鎖后高程較差變化較緩慢，平面位置精度下降很快。采用雙向積分緊耦合解算時(shí)，信號(hào)良好時(shí)段的GPS數(shù)據(jù)對(duì)失鎖時(shí)的定位精度有一定的改善，特別是失鎖后期的數(shù)據(jù)改善較為明顯。如采用松耦合解算，則會(huì)導(dǎo)致整體精度的嚴(yán)重下降。而高程對(duì)雙向積分解算修正的效果不明顯，平面位置對(duì)修正的效果則相對(duì)較好。

結(jié)果同時(shí)表明，雖然IMU可以在GPS失鎖條件下進(jìn)行輔助定位，但由于其誤差隨時(shí)間累積變大較明顯，不宜長(zhǎng)時(shí)間獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在城市測(cè)量環(huán)境中，GPS信號(hào)失鎖或較差的情況下，應(yīng)盡快恢復(fù)觀測(cè)條件，縮短GPS失鎖的時(shí)間。在GPS信號(hào)恢復(fù)后應(yīng)將車載系統(tǒng)靜止在GPS信號(hào)良好的區(qū)域一段時(shí)間后，再次開始 數(shù)據(jù)的采集，以便進(jìn)行補(bǔ)償。

圖2 平面位置較差隨失鎖時(shí)間累積和信號(hào)恢復(fù)后的變化曲線

圖3 高程較差隨失鎖時(shí)間積累和信號(hào)恢復(fù)后的變化曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)精度情況進(jìn)行定量分析，為如何提高車載系統(tǒng)測(cè)量精度提供了數(shù)據(jù)參考，也為車載系統(tǒng)在城市測(cè)量領(lǐng)域的深化應(yīng)用提供了生產(chǎn)指導(dǎo)。為提高系統(tǒng)精度，下一步應(yīng)將改進(jìn)的重點(diǎn)放在POS系統(tǒng)的升級(jí)改造上。

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1672-4623（2016）04-0024-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.04.008

林昀，碩士，工程師，主要從事攝影測(cè)量與遙感、機(jī)載激光雷達(dá)、車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)和地理國(guó)情普查等工作。

2014-07-10。