不同GNSS時段對車載激光掃描影響的實驗研究

陳 輝，蔣明秀，江 瑞

（1.浙江省測繪科學技術研究院，浙江 杭州 311100）

車載激光掃描系統通過汽車平臺搭載的激光掃描儀、慣性測量單元（IMU）、全球導航衛星系統（GNSS）、車輪編碼器（DMI）以及全景相機等多種傳感器實時獲取行車軌跡兩側一定距離范圍內目標地物的三維坐標、強度和紋理信息，具有無接觸、主動、快速、高精度等特點，已成為一種獲取空間地理信息數據的重要技術手段。

目前，國內外研究多數集中在車載激光掃描系統的誤差來源[1-3]、后期控制糾正[3-5]以及系統應用[6-9]等方面，而在不同GNSS時段對車載激光掃描系統的影響方面還鮮有涉及。本文旨在通過一系列實驗獲取同一環境在同一天不同GNSS時段下的掃描數據，從而分析研究不同GNSS時段對車載激光掃描系統的影響，為車載激光掃描系統實際作業提供指導。

1 車載激光掃描系統原理與誤差構成

分析不同GNSS時段對車載激光掃描系統的影響之前，必須了解車載激光掃描系統的測量原理和誤差構成。車載激光掃描系統利用激光掃描儀獲取目標地物與激光中心的距離和角度信息，利用GNSS、 IMU、DMI分別記錄各傳感器在掃描過程中的位置、姿態與里程數據，再結合基站數據通過各傳感器相互位置關系融合生成具有絕對坐標信息的三維激光點云。坐標轉換公式[6]為：

其向量形式則可表示為：

式中，PWGS84為任意激光點在WGS84坐標系下的坐標；RW、RG分別為與當前位置有關的坐標轉換旋轉矩陣；RN、RL分別為實測或內插的與姿態角和掃描角有關的旋轉矩陣；RM為安置誤差旋轉矩陣；r為任意激光點在瞬時激光束坐標系中的位置向量；tL為激光掃描儀中心與IMU參考中心的偏心量；tG為天線相位中心與IMU參考中心的偏心量；APCWGS84為天線相位中心的瞬時位置。

由式（1）、式（2）可知，影響激光掃描測量的主要因素包括：①激光掃描儀測量誤差（激光測距誤差、掃描角誤差等）；②定位定姿誤差（GNSS動態定位誤差、IMU姿態測定誤差、DMI測距誤差）；③系統集成誤差（各傳感器之間的偏心量誤差、安置角誤差）。

2 不同GNSS時段對車載激光掃描影響實驗

2.1 實驗設計

1）實驗區域。實驗采用SSW車載激光掃描系統進行數據采集。實驗區域分為兩塊：①位于杭州市區（測區1），道路長約2.5 km，兩側建筑林立、行道樹高大密集；②位于杭州郊區（測區2），道路長約3.5 km，兩側建筑低矮、視野開闊。

2）實驗組1。在同一天的3個不同GNSS時段沿相同路徑對測區1進行掃描，時段分別為北京時間 11：00－11：45、14：25－15：15、17：25－18：15，其中車載激光掃描系統的初始化和結束化過程已按照要求在位于測區邊GNSS信號良好的空曠地帶進行。

3）實驗組2。在同一天的3個不同GNSS時段沿相同路徑對測區2進行掃描，時段分別為北京時間 06：50－08：00、08：30－09：30、11：30－12：30，其中車載激光掃描系統的初始化與結束化過程就在測區內進行。

2.2 實驗結果

由于各傳感器之間屬于剛性連接，車載激光掃描系統也經過嚴密標定，且每個實驗組內部均采用相同路徑對同一環境進行掃描，因此可認為激光掃描儀測量誤差與系統集成誤差在不同GNSS時段是基本不變的，定位定姿誤差直接決定了車載激光掃描系統最終的點云精度。

本文利用GNSS、IMU緊耦合組合導航解算結果來評定不同GNSS時段對車載激光掃描的影響。對實驗組1和實驗組2掃描所獲取的數據進行處理，獲取GNSS、IMU緊耦合組合導航解算結果。實驗組1和實驗組2的組合導航位置誤差如圖1、2所示。

圖1 實驗組1的組合導航位置誤差

2.3 結果分析研究

由圖1可知，3次掃描的數據可靠性均不高（其中曲線前后兩端的平穩時段是因為掃描車還處于初始化和結束化時間），且三者之間存在較大的差異，其排序為Test1-2＜Test1-1＜Test1-3，說明在測區1環境下不同GNSS時段對車載激光掃描系統的影響較大。

由圖2可知，3次掃描的數據可靠性非常好（可達cm級），考慮到GNSS本身cm級的動態定位誤差，Test2-1可靠性≈Test2-2可靠性≈Test2-3可靠性，說明在測區2環境下不同GNSS時段對車載激光掃描系統的影響可忽略不計。

圖2 實驗組2的組合導航位置誤差

為進一步研究產生上述區別的原因，本文對比分析了各次掃描所處GNSS時段的衛星數和PDOP值，如圖3、4所示，可以看出，實驗組1所處環境的GNSS信號在同一天的不同時間段（扣除初始化和結束化時段）也有較大差別，信號質量Test1-2＜Test1-1＜ Test1-3，這與三者的掃描數據可靠性差異是完全一致的；實驗組2所處環境的GNSS信號在3個時間段內雖有差異但整體均表現良好且明顯則優于實驗組1，因此可以得出以下結論：

圖3 實驗組1各次掃描的衛星數和PDOP值

圖4 實驗組2各次掃描的衛星數和PDOP值

1）在樹木、建筑物遮擋嚴重的GNSS信號較弱區域，不同GNSS時段對車載激光掃描的影響很大，掃描數據的可靠性由不同時段GNSS信號的優劣決定，這也驗證了車載激光掃描系統的主要精度依舊依賴于GNSS設備，即使擁有高精度IMU，但當系統較長時間處于GNSS信號較弱區域時，IMU對系統定位誤差的糾偏也非常有限。因此，在這種環境下作業時，需考慮不同GNSS時段對車載激光掃描的影響，盡量規劃一天中GNSS信號較好的時間段進行掃描作業，以提高最終點云數據的可靠性，計劃作業區域的GNSS信號優劣（衛星數量和PDOP值）可從衛星星歷預報軟件或平臺提前預報得知。

2）在視野開闊的GNSS信號良好區域，不同GNSS時段對車載激光掃描的影響微小，甚至可忽略不計。因此，在這種環境下作業時，無需考慮不同GNSS時段的影響。

3 結 語

本文通過一系列實驗，分析并研究了不同GNSS時段對同一環境下車載激光掃描的影響，得到了相應的結論，對于車載激光掃描系統的實際作業具有很強的參考意義，可大力提高車載激光掃描系統在城市作業的可靠性。