精密單點定位在背負式移動激光掃描系統中的應用

謝宏全，陳岳濤，趙 芳，劉國良，陳 晨，盧 霞，李金瑞

(淮海工學院 測繪與海洋信息學院，江蘇 連云港 222005)

隨著三維激光掃描的發展，為滿足不同領域的需求，各種三維激光掃描設備應運而生[1]。近幾年，國內外市場上出現的背負式移動激光掃描系統結合了DGPS技術和SLAM技術(Simultaneous localization and mapping)可在移動過程中快速獲取高精度定位定姿數據、高密度三維點云[2-3]。因DGPS技術必須架設基站的局限性，使得DGPS技術的應用區域受到限制。如沙漠、海洋等地區通常難以獲取高精度的已知參考點來進行GPS相對定位[4]。而SLAM技術雖然可完成無GPS信號下的定位與構圖，但是對特征點不明顯的沙堆、土堆等物體的激光點云數據進行連續拼接時發生拼接錯誤率較高[5-6]。針對以上問題，本文將PPP技術引入到背負式移動激光掃描系統中進行應用試驗研究，并通過傳統的測量方法分別對PPP與DGPS輔助獲取的點云數據成果進行精度分析。

1 PPP輔助點云數據獲取

采用背負式移動激光掃描系統為徠卡Pegasus Backpacks，對蘇州工業園區某小區進行了PPP輔助點云數據獲取試驗。規劃好掃描路線后，分別在小區東南西北道路彎處布設4個兩兩通視的靶標，將靶標中心作為控制點。應用蘇州CORS GNSS-RTK快速靜態測得靶標中心蘇州獨立坐標系下的平面坐標與高程后，對試驗區開始掃描，在掃描過程中嚴格按照規劃路線和時間，規范操作。

1.1 移動軌跡獲取

掃描結束后，首先進行徠卡Pegasus Backpacks移動軌跡解算，具體步驟如下：

1)首先將徠卡Pegasus Backpacks的POS數據里的GPS原始數據轉換為gpb格式；

2)從IGS下載時延為17 h的Rapid星歷產品，精度優于2.5 cm采樣間隔為15 min的衛星軌道(SP3)參數和精度優于75ps采樣間隔為5 min精密衛星鐘差(CLK)，設置KAR(Kinematic Ambigutiy Resolution)、Cycle slip等參數；

3)使用IE(Inertial Explore)軟件GPS/INS緊耦合組合解算模塊，選用PPP處理方法進行軌跡解算，經過對衛星鐘差采樣間隔進行內插和GPS與INS測量誤差互相修正后得到徠卡Pegasus Backpacks移動軌跡(如圖1所示)。

圖1 Pegasus Backpacks移動軌跡

1.2 三維點云模型獲取

利用PPP技術對軌跡文件進行解算后，應用Infinity軟件，通過設置橢球參數、坐標轉換7參數、投影方式等將激光點云的坐標系統轉換成蘇州獨立坐標系統；應用AoTuP(AoTumatic Processing)軟件，將軌跡文件和掃描文件通過GPST(GPS Time)時間對齊，生成三維激光點云數據，導出LAS格式三維點云模型(見圖2)。從圖2可以看出三維點云模型并沒有出現點云重影、分層等現象，這說明利用PPP技術輔助獲取的三維點云模型整體質量較好。

圖2 三維點云模型

2 PPP內符合精度與點云質量分析

2.1 PPP內符合精度分析

使用觀測值的標準差和坐標分量變化量來評價PPP方法的內符合精度或模型精度[7]。截取PPP初始化后的時間進行精度統計，坐標收斂精度隨時間變化逐漸穩定[8]，從圖3、圖4給出了每個歷元坐標分量變化量和觀測值的標準差可以看出，兩圖隨GPS time波動規律大致相同，坐標分量變化量越小，其對應的觀測值標準差值也越小。結合PPP固定解/浮點解統計表(見圖5)，當整周模糊度為固定解觀測值標準差大部分都在2 cm 以內， 當整周模糊度為浮點解時觀測值標準差波動較大，由此可以說明 PPP在動態定位中的整周模糊度為固定解時理論精度可以達到2 cm級的水平。

圖3 坐標分量變化量

圖4 觀測值標準差

圖5 PPP固定解/浮點解統計表

2.2 點云精度分析

為進一步論證PPP技術輔助移動激光掃描系統獲取點云精度的可靠性。將60個靶標均勻布設到整個測區，然后將靶標中心當做檢測點進行平面與高程檢測[9]，具體步驟如下：

1)利用GPS-RTK測得靶標中心三維坐標作為真實值；

2)使用RealWorks軟件，通過布設在小區道路拐彎處的4個控制點對PPP與DGPS獲取的點云數據進行平面和高程修正；

3)利用RealWorks軟件分別在PPP與DGPS獲取的點云模型中提取靶標中心坐標；

4)將兩種方法得到的三維坐標值與真實值進行比較(見表1)，利用式(1)進行兩種方法獲取的點云數據精度進行分析[10]。其中，m為中誤差；Δ為真實值與掃描值的較差；n為檢測點的個數。

(1)

由表1可知,PPP輔助獲取點云數據的誤差與DGPS輔助獲取的點云數據誤差落入的誤差范圍百分比基本相同。由式(1)計算可知,PPP輔助獲取點云數據的點位中誤差為±0.041 m，高程中誤差為±0.051 m；DGPS輔助獲取的點云數據的點位中誤差為±0.039 m，高程中誤差為±0.050 m。取兩倍中誤差為限差，對照表1可知粗差率也未超過5%。可見兩種技術輔助獲取點云數據的精度相當，所以在背負式移動激光掃描系統中PPP技術可完美代替DGPS技術。

表1 點云精度質量分析表 %

3 結速語

試驗證明PPP技術應用到背負式移動激光掃描系統中是完全可行的，可為PPP技術在其他移動激光掃描設備的應用進行參考。與DGPS技術相比，PPP技術具有可以實現無地面基站精確定位、不受作業距離的限制、節省基站建設費用開支等特點。這些特點對于我國海上工程測量、偏遠地區經濟建設具有重要意義。本文采用的時延為17 h的Rapid星歷產品雖然滿足背負式移動激光掃描系統的精度要求，但與DGPS技術相比時效性還是存在很大差距。未來隨著實時PPP技術的不斷發展，GPS初始化時間將逐漸變短，動態定位精度不斷提高，PPP技術取代DGPS技術必將成為未來發展趨勢[11]。