車載移動測量系統標定場的建設和精度評定

范冬麗，馬 松，劉 歡，唐 琴，楊 姝

(四川省安全科學技術研究院，成都，610045)

車載移動測量系統是一種兼具定位、測距、測角和攝影功能的自動化、數字化的系統，集成了GNSS、慣性測量單元（IMU）、激光掃描儀、數字相機以及自動控制等設備，以實現對目標區域的空間數據、屬性數據以及實景影像等多種信息的快速采集[1]。車載移動測量與傳統的測繪地理信息獲取方式相比，具有成本低、速度快、精度高、實時性強等顯著特點。近年來，車載移動測量技術己經成為道路測量、街景地圖數據獲取、城市三維建模等領域的主要技術手段之一，是對大比例尺測圖、航空攝影測量和衛星攝影測量的有力補充[2，3]。

車載移動測量系統獲取高精度的點云數據關鍵在于系統檢校，然而車載移動測量系統的誤差源眾多，對于系統誤差源的分析目前還沒有完整清晰的認識，也缺乏相應的誤差模型，也沒有公認的標準的檢校方法[4，5]。在實際工程應用中，車載移動測量系統的綜合精度始終是最重要的因素。為了確保系統的綜合精度，系統作業前需要經過嚴格的檢校。通過建立永久性的標定場，借助自制的特殊標志和建筑物拐角點作為特征點，便于點云特征提取，提出車載移動測量系統綜合精度評定的指標，進而完成系統的綜合精度評定。

1 系統標定場的建設

車載移動測量系統的最大測程可達250m，掃描角度為0°-360°，對于如此長的掃描距離和如此大的掃描角度，其對應的標定場必定是一個大型的標定場，人工建設一個如此大型的標定場不太實際，因此在建立系統標定場的時候，可充分利用現有固定的建筑物等，以建筑物的房屋角點、窗戶角點、交通標志等作為標定的控制點（圖1）。

圖1 系統標定場控制點示意圖

系統標定場的建立遵循以下原則：

（1）系統標定場應當建立在房屋有規則房屋角點、窗戶角點的區域，保證在點云中能夠高精度的提取這些特征點；

（2）保證控制點數量多、分布合理有一定的高程層次，特征顯著和方便提取；

（3）選在空曠、GPS信號良好的區域，以保證POS數據的精度；

系統標定場的已知特征控制點WGS84坐標通過RTK（徠卡GS14）控制測量和全站儀（徠卡TM50）測量方式進行。存在兩個互相通視控制點的情況下，可通過全站儀直接測量多次求取平均值得出各個特征控制點的WSG84坐標；在沒有兩個互相通視的控制點的情況下，需要首先采用靜態GPS測量方式獲得至少兩個高精度控制點，然后通過全站儀測量多次求取平均值獲取各個標定控制點的大地坐標。已建設完成的省安科院車載移動測量系統標定場如下圖2所示，由44個RTK控制點和157個全站儀測量點組成，南北長約1km，東西長約1.4km，有垂直和閉合的基線，控制網點分布均勻合理，點位精度優于2cm。

圖2 車載移動測量系統標定場控制點坐標示意圖

采用檢校場進行車載移動測量系統綜合精度評定的優點有：

（1）基準精度高。系統標定場中特征點的已知坐標是通過高精度全站儀測量得到，測角精度為0.5＂，測距精度為（0.5+lppm*D）mm，每個特征點通過3次測量取平均值得到，其精度高且穩定性好。

（2）特征提取方便。系統標定場中有適合激光提取的90%反射率的反射片，也有適合影像提取的特殊標志圖案，標志點數量多、分布合理、特征顯著、方便特征提取。

（3）復用性好。系統標定場的功能和目的明確，用途單一，便于長期使用；系統標定場也可用作精度測試等質量控制的任務；基準固定，便于制定檢定和測試的流程、規范、標準等；相同的基準、方法及流程，可用于同類系統性能的橫向比較。

2 數據采集與處理

2.1 數據采集

為了科學準確地評價車載移動測量系統的綜合精度，數據采集前制定了合理的采集方案、行車路線和必要的前期準備。具體數據采集主要過程如下：

（1）架設基準站

根據測量需求，選擇在安科大廈頂樓架設GNSS基準站，此地點位于系統標定場的中心，高程高，視角開闊。基準站通過靜態GPS獲取精確的三維坐標，系統標定場的測量區域與本基準站之間的距離都在1km以內。

（2）車載移動測量系統初始化

為保證GPS數據的準確性，車載移動測量系統開機后，將車輛開到一開闊地區，至少能接收不少于6顆衛星信號，靜止5-10min，然后按照“8”字型行進三四圈。其主要目的是完成IMU的初始化，即確定IMU的初始位置、姿態和地理北方向。

（3）車載移動測量系統數據采集

初始化完畢后，建立任務，設置各項參數，點擊開始。掃描過程中，數據采集人員根據光線調節照片亮度，根據行車速度調節圖像框距離來保障車載獲取最佳影像數據。掃描車速不應高于70km/h，盡量保持勻速，遇紅燈應減緩車速但最好不要將車輛停止。路況較差時，應盡量保持車體平穩。

（4）車載移動測量系統關閉

系統數據采集完畢后，將掃描車停在空曠處，停止采集數據，原地等待5-10min。下載采集數據，關閉系統、掃描儀和電源。

（5）RTK和全站儀同步數據采集控制點

在進行車載數據采集同時用RTK和全站儀同步采集控制點坐標，從而保障獲取的同時期的WSG84三維坐標。

2.2 數據處理

（1）數據預處理

利用Inertial Explorer軟件將掃描儀中的GPS數據、IMU數據與GPS基站數據進行拼接，并輸出成一個軌跡文件以供下一步數據處理使用。需要進行基站GPS數據轉換成GPB格式、將基站每小時的數據整合為一個基站數據文件、車載GPS數據轉換成GPB格式、將轉換后的車載與基站GPS文件加載到新建工程文件中并進行校正、整合GPS與慣導數據、檢查數據質量和輸出軌跡文件。

（2）生成三維點云

利用Auto PP軟件將Inertial Explore軟件中輸出的軌跡文件與6個照相機內的圖片文件進行匹配并結合掃描數據生成三維點云。需要進行坐標系設置、解壓圖片并校正時間、將相機文件和軌跡文件進行匹配、將點云文件與軌跡文件進行匹配，最終生成三維點云，以las文件導出。

車載移動測量系統通過對系統標定場進行數據采集和處理，生成了系統標定場的三維點云。通過ArcGDS軟件生成帶有彩色點云數據效果圖（圖3、圖4），可以看出采集的點云數據質量較好，能夠清晰地提取房屋窗口角點、路牌標識等，有利于下一步的精度評定。

圖3 點云數據局部效果圖

圖4 點云數據全局效果圖

3 絕對精度評定

車載移動測量系統絕對精度，是指RTK測量和全站儀聯測的WSG84坐標值作為真值，車載點云坐標相對于真值的X、Y、Z三個方向的中誤差值。

通過ArcGDS軟件提取系統標定場中特征點（建筑物的角點、窗戶角點、交通標志牌角點等）的三維坐標，與已知特征點坐標比較，通過公式進行絕對精度評定：

其中，（xg,yg,zg）為車載移動測量系統的特征點提取三維激光點云坐標，（xr,yr,zr）為特征點三維坐標，（σx, σy, σz）為車載測量系統三維的絕對精度。

在系統標定場中選擇了103個比較明顯的特征點進行絕對精度的評定，按照上述公式得到每個點的三維絕對精度（見表1-3），X方向平均絕對精度σx=0.192m，Y方向平均絕對精度σy=0.199m，Z方向平均絕對精度σz=0.281m。

表1 特征點X方向絕對精度統計表（部分）

表2 特征點Y方向絕對精度統計表（部分）

表3 特征點Z方向絕對精度統計表（部分）

4 相對精度評定

車載移動測量系統的相對精度是指兩點之間距離與已知線段的比較，主要指道路、電線桿、廣告牌、交通標志、井蓋、建筑物等線狀地物的長度或寬度的測量精度。在道路兩邊構建筑物及相關參數提取等應用領域，相對精度的獲取具有很重要的意義。

在系統標定場中，選擇具有明顯特征的線性構建筑物線段，如：窗口邊、路燈、交通標識牌、井蓋、斑馬線等等，利用全站儀測量出線段值作為基準值LRi。按照上文的方法，通過ArcGDS軟件提取系統標定場中對應目標線段的測量值Li。根據公式2計算相對精度σL：

其中，n為線段個數。

在系統標定場中選擇9段特征明顯的線段進行相對精度的評定，按照上述公式得到每個線段值的相對精度（表4），平均相對精度σL=0.039m。

表4 特征線段的相對精度統計表

5 結論

通過建立永久性的系統標定場，借助特征點，提出車載移動測量系統綜合精度評定的指標，利用傳統方法獲取這些特征點的高精度三維坐標和特征線的長度值作為基準值，通過與系統解算出來的特征點和特征線進行比較，從而完成系統的綜合精度評定。通過驗證點計算表明經過檢校后的某車載移動測量系統，X方向平均絕對精度σx=0.192m，Y方向平均絕對精度, σy=0.199m，Z方向平均絕對精度，σz=0.281m，相對精度σL=0.039m。

車載移動測量系統的應用越來越廣泛，對移動測量系統的精度要求也越來越高，通過建立固定的系統標定場，快速簡潔地獲取車載移動測量系統的精度，為其在實踐中的應用提供重要的數據精度判定依據。