移動(dòng)測(cè)量激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度評(píng)價(jià)與快速校正方法

黃志

(1.重慶數(shù)字城市科技有限公司，重慶 401121； 2.重慶市移動(dòng)測(cè)量工程技術(shù)研究中心，重慶 401121)

1 引 言

近年來(lái)，移動(dòng)測(cè)量技術(shù)受到各行業(yè)的廣泛關(guān)注，隨著傳感器技術(shù)和空間信息技術(shù)的快速發(fā)展，成為工程測(cè)量、城市部件普查、大比例尺地形圖測(cè)繪等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的高科技測(cè)繪技術(shù)[1～4]。車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)由激光雷達(dá)、全景相機(jī)、慣性測(cè)量單元(IMU)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器(DMI)等傳感器組成，具有數(shù)據(jù)豐富、獲取速度快、精度高等特點(diǎn)，是目前最先進(jìn)的地面空間信息獲取技術(shù)之一[5，6]。

車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)作為一種測(cè)繪技術(shù)裝備，其精度是最主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括內(nèi)部因素和外部因素兩個(gè)方面[7]。其中內(nèi)部主要影響因素是激光雷達(dá)的錐掃角標(biāo)定、各傳感器相對(duì)位置標(biāo)定和各傳感器之間的時(shí)間同步精度，使用精確的測(cè)量?jī)x器和有效的時(shí)間同步機(jī)制能使內(nèi)因可控；外部因素包括天氣、GNSS基站精度、GNSS接收機(jī)信號(hào)等不可控的因素[8]，因此外部因素很難控制。因此，為了提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)和校正很有必要。

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度評(píng)價(jià)方面，陳曦等[9]使用南方測(cè)繪和中海達(dá)提供的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)分別采集黑龍江地理信息產(chǎn)業(yè)園的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)使用控制點(diǎn)與點(diǎn)云比對(duì)，評(píng)價(jià)點(diǎn)云精度；陳洪等[10]選用具有特征的地物的位置信息對(duì)農(nóng)作物點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，并分析了影響精度的因素；陶鵬杰等[11]使用高精度DLG的高程點(diǎn)和點(diǎn)云墻面點(diǎn)在平面上的投影點(diǎn)到DLG房屋矢量輪廓線的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)云高程和平面精度的評(píng)價(jià)。上述方法都是人工采集控制點(diǎn)的思想，針對(duì)大規(guī)模點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，實(shí)施工作量較大。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度校正方面，潘家寶[12]在采集區(qū)域內(nèi)布設(shè)一定密度的靶標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量靶標(biāo)點(diǎn)的高程來(lái)對(duì)點(diǎn)云高程進(jìn)行校正，可有效提高點(diǎn)云高程精度；陳世榮等[13]在高速路兩側(cè)布設(shè)一定間距的靶標(biāo)點(diǎn)，使用靶標(biāo)點(diǎn)校正高速路點(diǎn)云，可在一定范圍內(nèi)提高高速點(diǎn)云精度；孫波中等[14]從控制點(diǎn)布設(shè)網(wǎng)形和布設(shè)密度兩方面設(shè)計(jì)試驗(yàn)來(lái)校正點(diǎn)云，從實(shí)驗(yàn)角度提升了點(diǎn)云精度；郭如寶[15]利用航帶重疊區(qū)域內(nèi)的地面點(diǎn)和建筑點(diǎn)云提取連接線，并進(jìn)行最小二乘匹配，計(jì)算航線的改正值從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的校正，可有效提高機(jī)載點(diǎn)云的精度。然而針對(duì)大規(guī)模點(diǎn)云，快速進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度評(píng)價(jià)和校正研究太少。

本文利用RTK多基站、高精度、實(shí)時(shí)差分等特點(diǎn)，使用集成在移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)上的RTK設(shè)備，按一秒間隔記錄實(shí)時(shí)差分定位數(shù)據(jù)，以時(shí)間為基準(zhǔn)與位置姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的快速評(píng)價(jià)與校正，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析本方法的有效性。

2 精度評(píng)價(jià)

車載移動(dòng)測(cè)量激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的應(yīng)用中，絕對(duì)精度是非常重要的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，針對(duì)不同的應(yīng)用目的，激光點(diǎn)云的精度要求不同，如大比例地形圖測(cè)繪要求精度比用于建模的點(diǎn)云精度更高。對(duì)大規(guī)模點(diǎn)云精度的評(píng)價(jià)，一方面要考慮評(píng)價(jià)的效率，另一方面要保證評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和全面性。

POS(位置姿態(tài))數(shù)據(jù)是決定點(diǎn)云精度的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，它是由IMU(慣性測(cè)量單元)數(shù)據(jù)、DMI(旋轉(zhuǎn)編碼器)數(shù)據(jù)、連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)、移動(dòng)站數(shù)據(jù)通過(guò)后處理生成，使用單基站模式，通常位置精度為分米級(jí)。網(wǎng)絡(luò)RTK(實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù))是實(shí)時(shí)處理多個(gè)測(cè)量站載波相位觀測(cè)量的差分方法，能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度。通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)RTK設(shè)備集成到移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中，在移動(dòng)測(cè)量設(shè)備采集過(guò)程中記錄系統(tǒng)的高精度位置數(shù)據(jù)，然后通過(guò)時(shí)間與POS數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，計(jì)算匹配點(diǎn)之間的誤差，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度的快速評(píng)價(jià)。具體步驟如圖1所示：

圖1 點(diǎn)云精度評(píng)價(jià)流程

(1)RTK過(guò)濾

RTK設(shè)備的精度會(huì)受到遮擋、高壓線、天氣等因素的影響，為了將RTK位置精度控制在一定范圍內(nèi)，需要對(duì)RTK數(shù)據(jù)過(guò)濾。在RTK記錄數(shù)據(jù)中有VDOP、HDOP屬性值，分別用于評(píng)價(jià)RTK數(shù)據(jù)的高程精度和平面精度，通過(guò)設(shè)置高程誤差閾值和平面誤差閾值，將由于外界因素影響而導(dǎo)致誤差過(guò)大的RTK數(shù)據(jù)過(guò)濾，從而將RTK數(shù)據(jù)精度控制在允許的誤差范圍內(nèi)。

(2)計(jì)算POS誤差

在對(duì)誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，將RTK數(shù)據(jù)過(guò)濾閾值設(shè)置為毫米級(jí)，可以認(rèn)為RTK數(shù)據(jù)為該位置點(diǎn)的真值。將RTK數(shù)據(jù)的時(shí)間與POS數(shù)據(jù)的時(shí)間配準(zhǔn)，計(jì)算時(shí)間匹配點(diǎn)的POS位置誤差。設(shè)M(Xm，Ym，Zm)為POS點(diǎn)位置，與M時(shí)間匹配點(diǎn)N(Xn，Yn，Zn)為RTK位置，則其絕對(duì)精度誤差如式(1)所示：

(1)

(3)誤差統(tǒng)計(jì)

由于POS點(diǎn)誤差具有累積性，同時(shí)可視為真值的RTK位置數(shù)據(jù)具有隨機(jī)性，因此將所有與過(guò)濾后的RTK數(shù)據(jù)時(shí)間匹配的POS點(diǎn)求平面位置中誤差和高程中誤差，即求得POS數(shù)據(jù)的誤差，進(jìn)而評(píng)估了使用POS數(shù)據(jù)解算的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差。設(shè)dxi，dyi，dzi分別為第i個(gè)時(shí)間匹配點(diǎn)的X方向上的誤差，Y方向上的誤差，Z方向上的誤差，則平面誤差如式(2)所示：

(2)

高程誤差如式(3)所示：

(3)

其中n為POS與RTK時(shí)間匹配的位置點(diǎn)數(shù)，Dh為平面誤差統(tǒng)計(jì)值，Dv為高程誤差統(tǒng)計(jì)值。

3 校正方法

通過(guò)對(duì)點(diǎn)云精度評(píng)估，并結(jié)合點(diǎn)云的用途，分析點(diǎn)云是否滿足精度要求，若滿足精度要求，則可以直接使用原始POS數(shù)據(jù)生產(chǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而省去了原始POS校正的中間環(huán)節(jié)。針對(duì)不滿足精度要求的點(diǎn)云，設(shè)計(jì)了基于RTK的點(diǎn)云校正方法。移動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)校正流程如圖2所示。通過(guò)RTK數(shù)據(jù)與POS數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，然后對(duì)POS數(shù)據(jù)進(jìn)行校正獲得高精度POS數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行點(diǎn)云解算獲得高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)校正流程

如圖3所示，K1(Xk1，Yk1，Zk1)、K2(Xk2，YK2，Zk2)為RTK點(diǎn)，S1(Xs1，YS1，Zs1)、S2(Xs2，YS2，ZS2)分別為RTK對(duì)應(yīng)的POS點(diǎn)。則S1與K1的誤差計(jì)算公式為：

圖3 POS數(shù)據(jù)

(4)

S2與K2的誤差計(jì)算公式為：

(5)

根據(jù)式(4)、式(5)，可得S1、S2之間POS點(diǎn)Pi的平差，如下式。

(6)

則校正后的POS點(diǎn)坐標(biāo)為：

(7)

其中(xpi，ypi，zpi)為第i個(gè)POS點(diǎn)原始坐標(biāo)。

4 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論

實(shí)驗(yàn)使用重慶數(shù)字城市科技有限公司、重慶市勘測(cè)院聯(lián)合研制的車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)DCQ-MMS-X3采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，控制點(diǎn)數(shù)據(jù)由徠卡全站儀MS60(精度可達(dá)毫米級(jí))采集，如圖4所示，總共采集 10 km的移動(dòng)測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，200個(gè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。共進(jìn)行了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，一是精度評(píng)估實(shí)驗(yàn)，比較使用控制點(diǎn)評(píng)估點(diǎn)云精度和使用RTK數(shù)據(jù)評(píng)估點(diǎn)云精度；二是RTK數(shù)據(jù)校正實(shí)驗(yàn)，用控制點(diǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證校正后點(diǎn)云的精度。

圖4 點(diǎn)云及控制點(diǎn)數(shù)據(jù)

使用控制點(diǎn)統(tǒng)計(jì)精度情況表 表1

使用RTK數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)精度情況表 表2

使用RTK數(shù)據(jù)校正后精度統(tǒng)計(jì)情況表 表3

在使用外業(yè)人工采集的控制點(diǎn)評(píng)價(jià)點(diǎn)云精度實(shí)驗(yàn)中，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻采集了200個(gè)控制點(diǎn)，然后在生產(chǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中找到同名點(diǎn)，表1顯示了統(tǒng)計(jì)的精度；在使用隨系統(tǒng)的RTK點(diǎn)評(píng)價(jià)點(diǎn)云精度過(guò)程中，將平面誤差過(guò)濾閾值設(shè)置為 0.008 m，高程誤差過(guò)濾閾值設(shè)置為 0.01 m，過(guò)濾后總共443個(gè)點(diǎn)，通過(guò)時(shí)間與POS匹配來(lái)統(tǒng)計(jì)誤差，表2顯示誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果；通過(guò)比較，兩種方法的統(tǒng)計(jì)誤差差值在毫米級(jí)。

在使用RTK數(shù)據(jù)校正點(diǎn)云實(shí)驗(yàn)中，將平面誤差過(guò)濾閾值設(shè)置為 0.01 m，高程誤差過(guò)濾閾值設(shè)置為 0.015 m，對(duì)POS數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，然后使用校正后的POS生產(chǎn)點(diǎn)云，最后使用外業(yè)采集的控制點(diǎn)統(tǒng)計(jì)點(diǎn)云誤差，表3中顯示了校正后精度大幅提升。將過(guò)濾閾值設(shè)置為不同的值，閾值在一定的區(qū)間內(nèi)，點(diǎn)云誤差相差不大；閾值過(guò)大，達(dá)不到校正目的，閾值過(guò)小，會(huì)使過(guò)濾后的RTK數(shù)據(jù)變少，產(chǎn)生點(diǎn)云局部誤差過(guò)大情況。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度可以使用RTK數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，選擇合適的RTK過(guò)濾閾值，對(duì)POS數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，然后使用校正后的POS生產(chǎn)點(diǎn)云，能夠提升點(diǎn)云的精度。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度評(píng)價(jià)與校正方法，將RTK設(shè)備隨移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)架設(shè)，連續(xù)記錄RTK數(shù)據(jù)；通過(guò)時(shí)間與POS數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，然后進(jìn)行點(diǎn)云精度評(píng)價(jià)和校正，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。借助該方法，省去了外業(yè)采集控制點(diǎn)的工作，提升了工作效率和點(diǎn)云精度，為高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供支撐。