車載移動測量系統(tǒng)點云誤差分析及修正

唐德利，李兆雄

（1.國家測繪地理信息局重慶測繪院，重慶 400015）

車載移動測量系統(tǒng)點云誤差分析及修正

唐德利1，李兆雄1

（1.國家測繪地理信息局重慶測繪院，重慶 400015）

為使車載移動測量系統(tǒng)輸出更高精度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)——點云，對車載移動測量系統(tǒng)的定位誤差來源進(jìn)行分析，探索減小作業(yè)誤差以及利用控制點進(jìn)行點云修正的方法，通過實例驗證控制點布設(shè)數(shù)量與點云精度提高的密切關(guān)系，證明布設(shè)位置合理、數(shù)量足夠的控制點，能大幅提高點云精度。

車載移動測量；點云；誤差；控制點

車載移動測量系統(tǒng)是在GPS、GIS、航測遙感、光學(xué)、機(jī)械、電子、計算機(jī)等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是在機(jī)動車上安裝GPS、CCD、INS、激光掃描系統(tǒng)、里程計等先進(jìn)傳感器和設(shè)備，在車輛快速行進(jìn)中，采集行進(jìn)路線地面目標(biāo)的空間及屬性數(shù)據(jù)的空間地理信息高速采集系統(tǒng)[1]。車載移動測量系統(tǒng)主要應(yīng)用于城市建模、測圖、部件測量、公路建模、資產(chǎn)現(xiàn)狀調(diào)查、竣工測量、導(dǎo)航數(shù)據(jù)生產(chǎn)、地下車庫測量建模、地鐵隧道測量建模、地理市情調(diào)查與監(jiān)測等。 由于車載移動測量系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境千變?nèi)f化，對數(shù)據(jù)精度有很大影響，甚至可能產(chǎn)生不可預(yù)見的誤差。因此，要保證數(shù)據(jù)精度，除規(guī)范作業(yè)外還必須對其基本數(shù)據(jù)——點云進(jìn)行修正，以確保其數(shù)學(xué)精度符合要求。

1 車載移動測量系統(tǒng)誤差來源

1.1 POS定姿定位誤差

PoS系統(tǒng)是車載移動測量系統(tǒng)的核心，其產(chǎn)生的定姿定位誤差也是整個系統(tǒng)定位誤差的主要來源之一。其定姿定位誤差主要包括3個部分：GNSS動態(tài)（包括靜態(tài)）定位誤差；IMU慣性測量平臺姿態(tài)測量誤差；DMI里程計里程測量誤差[2]。

GNSS定位誤差來源與通常GNSS測量誤差來源相同，主要包括接收機(jī)鐘差、多路徑效應(yīng)、衛(wèi)星鐘差、星歷誤差、整周模糊度求解誤差、電離層時延誤差、觀測噪聲引起的誤差。為減小這些因素對GNSS定位精度的影響，可以建立多個測區(qū)內(nèi)的基準(zhǔn)站，以保證其動態(tài)定位差分計算結(jié)果精度符合要求。

IMU慣性測量平臺姿態(tài)測量誤差主要包括元件誤差、安裝誤差、原理誤差、外干擾誤差。元件誤差是加速度計與陀螺儀不完善引起的誤差，主要指陀螺的漂移和加速度計的零位偏差及元件刻度因數(shù)誤差；安裝誤差是加速度計和陀螺儀安裝在平臺上時不準(zhǔn)確造成的誤差；初始條件誤差是指初始對準(zhǔn)及輸入計算機(jī)的初始位置、初始速度不準(zhǔn)所形成的誤差；外干擾誤差主要是指車輛行駛時由振動引起的加速度干擾。DMI里程測量誤差，主要指DMI尺度因子不準(zhǔn)所導(dǎo)致的誤差。

1.2 激光掃描測距測角誤差

激光測距誤差產(chǎn)生的主要因素有儀器誤差和環(huán)境誤差。儀器誤差主要是指電子光學(xué)電路對經(jīng)過目標(biāo)點反射及空間傳播后的不規(guī)則激光回波信號進(jìn)行處理確定時間延遲帶來的距離測量誤差，還包括棱鏡旋轉(zhuǎn)誤差、振動誤差、電路響應(yīng)時間延遲誤差。環(huán)境誤差主要指由于反射面和反射線路的地理環(huán)境特征不同，在信號漫反射時產(chǎn)生信噪及信號傳遞中的大氣折射、溫度變化，使信號傳遞路徑產(chǎn)生彎曲而帶來的測距測角誤差[3]。

1.3 系統(tǒng)集成誤差

系統(tǒng)集成誤差主要包括傳感器安置誤差、時間同步誤差、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差等。

2 車載移動測量系統(tǒng)點云誤差

車載移動測量系統(tǒng)最基本的輸出數(shù)據(jù)就是點云數(shù)據(jù)，也是后續(xù)作業(yè)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時車載移動測量系統(tǒng)各個方面的誤差也會全面集中體現(xiàn)在點云數(shù)據(jù)中。由于眾多誤差源對點云數(shù)據(jù)的影響，所獲取的點云數(shù)據(jù)看起來并不完美。在室外掃描的過程中，不可避免地存在部分地面目標(biāo)的多次掃描，這部分點云會產(chǎn)生上下分層和重影，如圖1。這種情況會嚴(yán)重影響地面目標(biāo)的空間幾何特征提取，自動提取的構(gòu)件或要素會出現(xiàn)較多錯誤和重復(fù)。另一方面，在掃描區(qū)域內(nèi)如果存在局部的精密大比例尺地圖數(shù)據(jù)（包括城市地籍圖、城市規(guī)劃用地形圖等），通過數(shù)據(jù)疊加，發(fā)現(xiàn)點云與精密地圖數(shù)據(jù)間存在不小的空間偏移，這就是車載移動測量系統(tǒng)點云誤差帶來的結(jié)果。

圖1 點云分層和重影

3 點云誤差的削弱

車載移動測量系統(tǒng)點云數(shù)據(jù)誤差雖然不可避免，但可以盡可能削弱和修正。首先，要進(jìn)行系統(tǒng)檢校，以盡可能減小系統(tǒng)誤差對點云的影響，主要包括：① 室內(nèi)標(biāo)定，獲取傳感器與PoS之間的空間位置關(guān)系參數(shù)，納入后續(xù)數(shù)據(jù)處理；②運動檢校，在室外場地作業(yè)模式下進(jìn)行系統(tǒng)檢校，獲取DMI等其他參數(shù)[4]。通過數(shù)據(jù)處理精確測定所需參數(shù)，可以大幅削弱系統(tǒng)的點云誤差。其次，在室外掃描作業(yè)時，嚴(yán)格規(guī)劃路線和時間、規(guī)范操作，盡量避免天氣、交通狀況及不規(guī)范操作對數(shù)據(jù)精度的不利影響。

4 點云誤差的檢驗與修正

4.1 增測控制點方法

1）控制點的點位選取與密度。這里所說的控制點與通常的測量控制點有所不同，差別在于點的選取位置和使用目的不同。通常的測量控制點一般要求選擇在開闊、地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、利于保存的地方，布設(shè)目的是作為測站進(jìn)行大比例尺地形圖測量，而此處的控制點要求布設(shè)在地面目標(biāo)的幾何特征點上，目的是用于點云精度的檢驗與修正。點云修正分平面位置修正和高程修正，平面修正控制點要求布設(shè)在目標(biāo)的投影平面幾何特征點位置，高程修正控制點要布設(shè)在周邊比較平坦的目標(biāo)幾何特征點上。這樣選點是為了避免在點云精度檢驗和修正過程中點云選取的準(zhǔn)確性影響修正結(jié)果。控制點的選取位置和密度，還要根據(jù)重復(fù)點云的偏離程度及其分布情況來確定，在偏離較大、變化較多的地方要加大密度，在掃描區(qū)域的起始位置、結(jié)束位置須設(shè)置控制點，中間部分則根據(jù)項目精度要求適當(dāng)?shù)鼐鶆虿荚O(shè)。

2）控制點的觀測。控制點觀測方法應(yīng)根據(jù)作業(yè)區(qū)域所在地的情況來選擇。在居民地密集、GPS衛(wèi)星信號較差或極易受到干擾的地方，以選用全站儀測距導(dǎo)線方法施測為宜；在視野開闊、利于GPS觀測的區(qū)域，建議采用單基站RTK或網(wǎng)絡(luò)RTK方法施測。其精度應(yīng)不低于最低等級地形測量測站控制點的要求。

4.2 參照已有地形圖方法

如果在作業(yè)區(qū)域內(nèi)已有能滿足精度要求的精密地形圖，則可以在已有的地形圖上選取平面修正控制點和高程修正控制點來檢驗和修正點云誤差。選取方法相同，但要注意優(yōu)先選取開闊、突出，與原有控制點距離較小的要素特征點，避免原有地形圖誤差對點云精度檢驗和修正的可靠性造成不良影響。

4.3 建立修正用數(shù)據(jù)文件

修正用數(shù)據(jù)就是點云修正所需的文件數(shù)據(jù)，它包括控制點數(shù)據(jù)文件、控制點對應(yīng)的點云數(shù)據(jù)文件。以SSW系統(tǒng)為例說明建立方法。

1）首先在文本編輯器中編輯控制點文件。控制點文件為純文本文件，格式下：

其中，id為流水號；x、y、z為坐標(biāo)（東、北、高）；name為控制點名；time為時間列，此處賦0。

2） 將控制點文件轉(zhuǎn)為注記文件。在SWDY軟件中，選擇“3d或2d+dem文件→層”菜單。動作完成后，在原控制點文件所在文件夾中會生成一個.lab文件。按注記讀入此文件，控制點就映射到點云中了。

3）提取控制點對應(yīng)的點云坐標(biāo)。首先，建立點云采點坐標(biāo)文件，檢查點云信息選項是否正確。然后以注記方式采集點云點，并修改點名與控制點名一致。采點時，點云文件逐個顯示，同一控制點有多個點云時，每個點云都需要采點，同時保證id值的唯一性。依次采集其他控制點的點云坐標(biāo)。最后，保存輸出。

4.4 數(shù)據(jù)修正

1）修改采點文件。采點文件格式為標(biāo)準(zhǔn)格式。點云修正前，在最后一列增加每個點的運算屬性，1代表此點只參與高程修正；2代表此點只參與平面坐標(biāo)修正；3代表此點參與平面坐標(biāo)和高程修正。修改后的采點純文本文件格式如下：

各項內(nèi)容與控制點文件相同。

2）數(shù)據(jù)修正。數(shù)據(jù)修正有2種方式，點云數(shù)據(jù)修正和軌跡修正，如果只考慮數(shù)據(jù)精度，可采用點云數(shù)據(jù)修正，如果考慮修正后建立快速模型，可采用軌跡修正，然后用修正后的軌跡重新計算點云數(shù)據(jù)和影像姿態(tài)數(shù)據(jù)。①點云數(shù)據(jù)修正。點云數(shù)據(jù)修正完成后，在原點云文件夾中會生成一個新的DX文件夾，修正后數(shù)據(jù)存放在此文件夾中；②軌跡修正。當(dāng)選擇軌跡修正時，需要選擇坐標(biāo)系，待修正數(shù)據(jù)文件夾要選擇組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)所在文件夾。如果選擇地方坐標(biāo)系，還需要選擇轉(zhuǎn)換參數(shù)類型。計算完成后，會新生成一個文件名帶有DX字樣的組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)文件。重新計算點云數(shù)據(jù)時，請選擇軌跡已修正選項。影像姿態(tài)文件需要重新計算。

5 點云誤差修正與檢驗實例

5.1 作業(yè)區(qū)域概況

作業(yè)區(qū)域在重慶大學(xué)城的麒雅中央花園B區(qū)，交通狀況良好，區(qū)域內(nèi)地形較平坦，大型植被遮擋少，花園小區(qū)內(nèi)為矮小花木，對小區(qū)的建筑沒有形成封閉性遮擋，有利于車載移動測量系統(tǒng)掃描作業(yè)。但區(qū)域內(nèi)有高壓電力線穿過，對GNSS衛(wèi)星定位精度有一定影響。

5.2 數(shù)據(jù)采集情況

掃描作業(yè)歷時170 min，包括線路踏勘設(shè)計、GNSS基準(zhǔn)站架設(shè)、作業(yè)初始化、掃描作業(yè)、作業(yè)結(jié)束化、掃描數(shù)據(jù)下載與傳輸?shù)茸鳂I(yè)過程。掃描面積約36 000 m2，數(shù)據(jù)處理生成點云文件19個，點云數(shù)量約3 800萬個。

5.3 點云誤差修正與檢驗

點云修正及誤差檢驗以該區(qū)域原有1∶500數(shù)字地形圖為基礎(chǔ)，獲取控制點并作為檢驗依據(jù)，按不同控制點（固定地物點）數(shù)量、分布，多次修正并檢驗，精度統(tǒng)計參照地面目標(biāo)明顯的幾何特征點位置比對進(jìn)行，精度統(tǒng)計表如表1，誤差分布如圖2～5。

表1 不同數(shù)量控制點的點云精度統(tǒng)計表

由上述統(tǒng)計可以看出，當(dāng)增加控制點數(shù)量時,點云誤差逐漸減小。綜上所述，通過車載移動測量系統(tǒng)誤差的基本來源分析，并優(yōu)化作業(yè)方法、利用控制點修正點云數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)輸出的基本數(shù)據(jù)——點云的精度得到大幅度提高，為后續(xù)的數(shù)據(jù)應(yīng)用提供更為可靠的精度保證。

圖2 固定4個點的誤差分布

圖3 固定11個點的誤差分布

圖4 固定21個點的誤差分布

[1] 易延光,黃洪彬.車載移動測量系統(tǒng)的構(gòu)成與應(yīng)用[J].黑龍江水利科技,2011,39(3)：284-285

[2] 李鑫.車載移動測量系統(tǒng)誤差分析與檢校方法研究[D].鄭州：信息工程大學(xué),2012

[3] 馬耀昌,辛國.GPS測量誤差與數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量控制[J].地理空間信息,2006,4(2)：22-24

[4] 鄭德華,沈云中,劉春.三維激光掃描儀及其測量誤差影響因素分析[J].測繪工程,2005,14(2)：32-34

[5] 劉先林.SSW車載移動測量系統(tǒng)及其應(yīng)用[DB/oL]. (2012-11-08)[2015-06-21].http：//wenku.baidu.com/ view/2c3fb8c8a1c7aa00b52acb4d.html.

[6] 朱士才.LiDAR的技術(shù)原理以及在測繪中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代測繪,2006(4)：15-17

[7] 周忠謨,易杰軍,周琪.GPS衛(wèi)星測量原理與應(yīng)用[M].北京：測繪出版社,1999

[8] 張小紅.機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)理論與方法[M].武漢：武漢大學(xué)出版社,2007

P235

B

1672-4623（2016）08-0033-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.08.011

唐德利，工程師，主要從事測繪地理信息產(chǎn)品檢驗工作。

2015-08-18。