基于控制點提高GNSS失鎖時點云數(shù)據(jù)精度的研究

孫波中，潘清元，鮑彥奇

(1.天水三和數(shù)碼測繪院有限公司,甘肅 天水 741000；2.甘肅省測繪工程技術(shù)研究中心，甘肅 天水 741000)

車載移動測量系統(tǒng)是在GPS、GIS、航測遙感、光學(xué)、機械、電子、計算機等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是在機動車上安裝GPS、CCD、INS、激光掃描系統(tǒng)、里程計等先進傳感器和設(shè)備，在車輛快速行進中，采集行進路線地面目標空間及屬性數(shù)據(jù)的空間地理信息高速采集系統(tǒng)[1-2]。它在測繪、規(guī)劃、交通、市政等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于車載移動測量系統(tǒng)是由多傳感器集成而來，因此其誤差來源較多，主要有激光測距誤差、掃描角誤差、GPS定位誤差、IMU姿態(tài)誤差、系統(tǒng)檢校誤差等[3]。為了提高車載移動測量系統(tǒng)的精度，魯勇[4]等通過試驗驗證了車載移動測量系統(tǒng)存在誤差，通過對數(shù)據(jù)執(zhí)行后處理才能滿足要求；劉梅余[5]等通過試驗得出利用控制點可以有效改善車載移動測量系統(tǒng)點云的平面精度；王永紅[6]等通過試驗得出了在車速一定、GPS衛(wèi)星信號良好的情況下，選用400 m間隔，以折線網(wǎng)形布設(shè)控制點，對點云進行校正，能夠很好地提高SSW車載移動測量系統(tǒng)點云數(shù)據(jù)精度。然而，針對衛(wèi)星失鎖情況下，基于控制點提高點云精度的研究還非常少。本文將以Trimble MX8車載移動測量系統(tǒng)在GPS衛(wèi)星信號失鎖環(huán)境下采集的數(shù)據(jù)為例，來研究分析不同控制點布設(shè)方法對點云精度的影響，為此類工程實踐提供相應(yīng)的參考。

1 試驗方案設(shè)計

根據(jù)段龍飛[7]等分析的失鎖狀態(tài)下車載移動測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)精度隨時間的變化規(guī)律：當失鎖時長達到50 s時，數(shù)據(jù)精度將無法達到工程項目的精度要求。為了保證試驗結(jié)果的準確性和科學(xué)性，試驗區(qū)的失鎖時長要大于50 s，控制點采取200 m、400 m、600 m三種密度布設(shè)，布設(shè)網(wǎng)形如圖1所示，驗證點要先在點云中選擇點位比較準確的特征點，然后用RTK和全站儀實地采集。

圖1 控制點布設(shè)網(wǎng)形

2 試驗方案實施

根據(jù)試驗設(shè)計方案，實施操作流程如圖2所示。

圖2 試驗實施操作流程

2.1 試驗前期準備

試驗前期準備工作有：試驗場地選擇、車載移動測量系統(tǒng)調(diào)試、GPS-RTK和全站儀校驗、控制點布設(shè)方法選擇等。

2.2 踏勘

通過踏勘確定本次試驗的場地為城市新區(qū)，試驗線路長度為1.6 km，控制點和驗證點選擇距離間隔均勻的路燈底座角點。相較高樓林立的城市中心，該區(qū)域空曠，道路平整，車輛來往較少，有利于控制點和驗證點坐標采集，但同樣GNSS信號較強，因此需反復(fù)拆裝GNSS天線來模擬失鎖環(huán)境。

2.3 數(shù)據(jù)采集

為了減少車速、掃描距離和IMU漂移誤差對點云平面精度的影響[8-9]，本次試驗要求在10 min之內(nèi)完成車載移動測量系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)初始化，并以20 km/h的速度勻速直線行駛，在進入試驗區(qū)前將GNSS天線快速拆掉，在試驗區(qū)外快速恢復(fù)天線原始狀態(tài)。

本次試驗按照設(shè)計的網(wǎng)形和間隔先在點云數(shù)據(jù)中選擇質(zhì)量較好的控制點和驗證點，然后采用GPS-RTK和全站儀進行坐標采集。

2.4 數(shù)據(jù)處理和點云校正

采用POSpac MMS 7.0處理定姿定位POS數(shù)據(jù)，然后采用Trident軟件解算點云數(shù)據(jù)以及進行點云校正。點云校正操作界面如圖3所示。

圖3 點云校正操作界面

2.5 精度統(tǒng)計分析

本次試驗采用同精度檢測方法[10-11]比較統(tǒng)計了22個點的精度，中誤差計算公式如下：

單點點云軸向誤差計算公式：

Δx=x′-X

Δy=y′-Y

Δz=z′-Z

(1)

式中，(x′,y′,z′)為點云單點坐標;(X,Y,Z)為RTK或全站儀測量的檢查點坐標。

中誤差計算公式：

(2)

式中，n為檢查點個數(shù)；Δ為測量值與真值的差值。

平面中誤差計算公式：

(3)

式中，σS為平面中誤差；σx為x軸中誤差；σy為y軸中誤差。

2.5.1 200 m不同網(wǎng)形控制點布設(shè)方法

各網(wǎng)形布設(shè)方法校正結(jié)果誤差如表1所示。

表1 200 m不同網(wǎng)形控制點布設(shè)方法校正結(jié)果誤差表/m

由表1可知，在GNSS失鎖狀態(tài)下，車載移動測量系統(tǒng)獲取的點云數(shù)據(jù)水平精度明顯低于高程精度；在控制點以200 m密度布設(shè)時，經(jīng)過三種布設(shè)網(wǎng)形校正后的點云數(shù)據(jù)精度明顯提高，尤其是平面精度，從0.541 7 m提升到0.086 2 m以上。比較三種布設(shè)網(wǎng)形校正后的精度，在平面精度方面，直線網(wǎng)形相對最高，雙直線網(wǎng)形次之，折線網(wǎng)形最低；而對于高程精度，雙直線網(wǎng)形相對最高，直線網(wǎng)形次之，折線網(wǎng)形最低，其中直線網(wǎng)形和雙直線網(wǎng)形精度只相差0.008 6 m，基本一致。

2.5.2 400 m不同網(wǎng)形控制點布設(shè)方法

各網(wǎng)形布設(shè)方法校正結(jié)果誤差如表2所示。

表2 400 m不同網(wǎng)形控制點布設(shè)方法校正結(jié)果誤差表/m

由表2可知，在控制點以400 m的密度布設(shè)時，經(jīng)過三種布設(shè)網(wǎng)形校正后的點云數(shù)據(jù)精度有較為明顯的提高，尤其是平面精度，從0.541 7 m提高到0.148 0 m以上。比較三種布設(shè)網(wǎng)形校正后的精度，在平面精度方面，折線網(wǎng)形相對最高，雙直線網(wǎng)形次之，直線網(wǎng)形最低；而對于高程精度，直線網(wǎng)形相對最高，雙直線網(wǎng)形次之，折線網(wǎng)形最低。

2.5.3 600 m不同網(wǎng)形控制點布設(shè)方法

各網(wǎng)形布設(shè)方法校正結(jié)果誤差如表3所示。

表3 600 m不同網(wǎng)形控制點布設(shè)方法校正結(jié)果誤差表/m

由表3可知，在控制點以600 m的密度布設(shè)時，經(jīng)過三種布設(shè)網(wǎng)形校正后的點云數(shù)據(jù)精度有較為明顯的提高，尤其是平面精度，從0.541 7 m提高到0.204 6 m以上。比較三種布設(shè)網(wǎng)形校正后的精度，在平面精度方面，三種網(wǎng)形基本一致；而對于高程精度，直線網(wǎng)形相對最高，雙直線網(wǎng)形次之，折線網(wǎng)形最低。

對比表1～表3中的平面中誤差和高程中誤差，如圖4可知，校正后點云的精度有明顯提高，尤其是平面精度。當控制點密度一定時，直線網(wǎng)形和雙直線網(wǎng)形控制點校正點云都能得到較高精度；當網(wǎng)形一定時，隨著控制點密度的增加，校正后的點云精度也會隨之提高；當控制點密度減小時，三種網(wǎng)形校正后的平面精度也會逐漸趨于一致。

圖4 不同控制點布設(shè)網(wǎng)形和密度對點云校正結(jié)果的精度影響

另外，在本次試驗中發(fā)現(xiàn)，當在最大區(qū)間長度(校正時是將軌跡分割為連續(xù)的區(qū)間，然后根據(jù)每個區(qū)間內(nèi)的控制點分別計算該區(qū)間的校正參數(shù))內(nèi)只有軌跡一側(cè)的控制點時，點云注冊功能只會校正X、Y、Z三軸的誤差，比如直線或折線網(wǎng)形；當在最大區(qū)間長度內(nèi)有軌跡兩側(cè)的控制點時，點云注冊功能不僅會對X、Y、Z三軸的誤差做出調(diào)整，同時會校正Heading和Roll的姿態(tài)誤差，比如雙直線或折線網(wǎng)形。直線網(wǎng)形和雙直線網(wǎng)形校正結(jié)果能基本保持一致，說明當車載移動測量系統(tǒng)在短時間內(nèi)失鎖時，能保障繼續(xù)獲取到準確的姿態(tài)數(shù)據(jù)。因此，當GNSS短時間失鎖時，采用直線網(wǎng)形校正即可。

3 結(jié) 論

通過本次試驗可知，車載移動測量系統(tǒng)以20 km/h的速度采集數(shù)據(jù)過程中，在GNSS失鎖時，點云數(shù)據(jù)精度會明顯降低，但是通過控制點校正的方法可以明顯改善點云精度，控制點密度越大，精度提高越明顯，而且直線網(wǎng)形布設(shè)法是最簡單、精度提高也最明顯的控制點布設(shè)方法。因此，在今后的作業(yè)過程中，車載移動測量系統(tǒng)若以20 km/h的速度采集數(shù)據(jù)時遇到GNSS失鎖情況，可以在失鎖區(qū)域內(nèi)采取200 m密度的直線網(wǎng)形控制點布設(shè)方法來提高點云數(shù)據(jù)的精度，以便減少外業(yè)作業(yè)量，提高作業(yè)效率。