NBCORS及車載LiDAR系統(tǒng)POS數(shù)據(jù)處理技術(shù)在道路竣工中的應(yīng)用研究

文學(xué)東，陳　恒

(1. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 寧波市規(guī)劃局，浙江 寧波 315042；

3. 寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波 315042)

WEN Xuedong,CHEN Heng

NBCORS及車載LiDAR系統(tǒng)POS數(shù)據(jù)處理技術(shù)在道路竣工中的應(yīng)用研究

文學(xué)東1，2，陳恒3

(1. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 寧波市規(guī)劃局，浙江 寧波 315042；

3. 寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波 315042)

Road As-built Drawing Surveying Research on POS Data Processing of Vehicle-borne LiDAR System and NBCORS

WEN Xuedong,CHEN Heng

摘要：針對車載LiDAR系統(tǒng)在城市道路竣工測繪中所面臨的問題，提出了采用城市CORS站替代單基站以差分解算POS，并通過設(shè)計試驗探明了基于單基站及多基站差分GPS解算POS獲得的激光點云數(shù)據(jù)精度。試驗結(jié)果表明，基于測區(qū)附近3個基準(zhǔn)站獲得的點云平面精度可達(dá)4.9 cm，高程精度可達(dá)8.6 cm，能夠滿足城市道路竣工的精度要求，具有替代近距離單基站差分的潛力。

引文格式： 文學(xué)東，陳恒. NBCORS及車載LiDAR系統(tǒng)POS數(shù)據(jù)處理技術(shù)在道路竣工中的應(yīng)用研究[J].測繪通報，2015(9)：60-63.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0280

關(guān)鍵詞：車載LiDAR系統(tǒng)；差分GPS；NBCORS；道路竣工測繪

中圖分類號：P234.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)09-0060-04

收稿日期：2015-06-17

作者簡介：文學(xué)東(1979—)，男，博士生，主要研究方向為攝影測量、遙感圖像處理和三維激光掃描測量技術(shù)。

E-mail: 553078256@qq.com

一、引言

車載LiDAR系統(tǒng)主要由GPS/IMU、激光掃描儀、全景相機(jī)等核心傳感器構(gòu)成，其中，GPS/IMU系統(tǒng)獲取的原始數(shù)據(jù)稱為POS數(shù)據(jù)。POS數(shù)據(jù)是為系統(tǒng)提供絕對位置及姿態(tài)的，它的精度直接決定了最終激光點云數(shù)據(jù)的精度。目前，在城市道路竣工測繪應(yīng)用中，車載LiDAR系統(tǒng)的POS數(shù)據(jù)處理主要采用單基站差分GPS的方法，但該方法需要單獨架設(shè)基站，耗時、費力；而現(xiàn)代城市一般都布設(shè)有CORS參考站，若能用其替代單基站，則可較大程度上降低作業(yè)成本、提高效率。

本文以NBCORS及寧波市測繪設(shè)計研究院的車載LiDAR系統(tǒng)為例，分別采用不同距離、不同數(shù)量的NBCORS基準(zhǔn)站對車載LiDAR系統(tǒng)的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將基于該POS得到的點云數(shù)據(jù)與檢核點進(jìn)行比較。試驗表明，采用多基站差分GPS的方法對車載LiDAR系統(tǒng)的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理得到的點云數(shù)據(jù),能夠滿足現(xiàn)行城市道路竣工測繪規(guī)范的要求。

二、車載LiDAR系統(tǒng)的組成及原理

本文以寧波市測繪設(shè)計研究院的車載激光掃描與全景成像城市測量系統(tǒng)(如圖1所示)為例，開展基于NBCORS的車載LiDAR系統(tǒng)POS數(shù)據(jù)處理在道路竣工中的應(yīng)用研究。該系統(tǒng)各核心傳感器間通過機(jī)械結(jié)構(gòu)保持相對位置固定，且各傳感器之間的嚴(yán)格幾何關(guān)系通過標(biāo)定建立，測量過程中，各傳感器均使用GPS時間系統(tǒng)且保持時間同步，當(dāng)車載系統(tǒng)以一定速度移動時，組合導(dǎo)航系統(tǒng)GPS和IMU以一定的頻率觀測并記錄系統(tǒng)瞬時的絕對位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)；同時，激光掃描儀與全景相機(jī)也以一定頻率掃描和采集，獲得瞬時坐標(biāo)系下的點云及全景影像，結(jié)合標(biāo)定參數(shù)、系統(tǒng)絕對位置和姿態(tài)，即可得到絕對坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)成果。

圖1　車載激光掃描與全景成像城市測量系統(tǒng)

三、基于差分GPS的POS數(shù)據(jù)處理方法

1. GPS觀測及誤差

一般而言，普通的GPS接收機(jī)能夠獲取3種觀測值：偽距、載波相位和多普勒頻移。其中，載波相位觀測是目前最精確的GPS觀測方法，車載LiDAR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解算通常選用該類觀測值。載波相位測量的基本原理是GPS接收機(jī)接收到的具有多普勒頻移的載波信號，與接收機(jī)產(chǎn)生的參考載波信號之間的相位差。載波相位的觀測值表示如下

(1)

載波相位觀測值含有多種誤差，按誤差性質(zhì),可分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩類。系統(tǒng)誤差主要包括:衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲、對流層延遲、接收機(jī)鐘差和接收機(jī)位置誤差；隨機(jī)誤差主要包括多路徑效應(yīng)誤差和接收機(jī)噪聲。GPS測量誤差是車載LiDAR系統(tǒng)測量的主要誤差來源。

2. 差分GPS

差分GPS解算模式是利用已知精確三維坐標(biāo)的差分GPS基準(zhǔn)站，求得偽距修正量或位置修正量，再將這個修正量實時或事后發(fā)送給固定或移動的GPS接收機(jī)，對其測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而得到更高精度GPS數(shù)據(jù)的一種方法。通過差分，可以消除或減弱一些具有系統(tǒng)性誤差的影響，如衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星及接收機(jī)鐘差、大氣折射誤差等。依據(jù)基準(zhǔn)站個數(shù)，差分GPS可分為單基準(zhǔn)差分、多基準(zhǔn)的局部區(qū)域差分和廣域差分。

差分GPS的理論基礎(chǔ)是流動站GPS與基準(zhǔn)站存在空間相關(guān)性，對于單基站差分GPS而言，基準(zhǔn)站與流動站2臺接收機(jī)同步跟蹤觀測相同的GPS衛(wèi)星，二者的空間相關(guān)性會隨著距離的增加而減弱，其解算精度也會隨之變差；對于多基站差分GPS，一般要求基站數(shù)量不少于3個且網(wǎng)形覆蓋整個測區(qū)范圍，由于多個基準(zhǔn)站在測區(qū)范圍內(nèi)均勻分布，可精確估計對流層延遲、電離層延遲和衛(wèi)星軌道誤差等基準(zhǔn)站間的空間相關(guān)誤差，因而，可最大限度地消除空間誤差。

3. NBCORS

CORS，又稱連續(xù)運行參考站網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)一般指建立在城市或地區(qū)的永久性連續(xù)運行GNSS參考站，通過網(wǎng)絡(luò)能夠共享參考站數(shù)據(jù)。NBCORS則為在寧波市建立的CORS網(wǎng)，它自建了7個GNSS連續(xù)運行參考站，引入周邊城市7個GNSS連續(xù)運行參考站，建成包含14個參考站的連續(xù)運行參考站網(wǎng)，平均間距45 km，均勻覆蓋了寧波及周邊地區(qū)的區(qū)域，在寧波市區(qū)域任意一點離最近NBCORS站距離不大于40 km。NBCORS參考站點分布如圖2所示。

圖2　NBCORS參考站分布網(wǎng)圖

4. 車載LiDAR系統(tǒng)POS數(shù)據(jù)處理

在高精度的城市測繪應(yīng)用中，車載LiDAR系統(tǒng)的原始POS數(shù)據(jù)包括基站數(shù)據(jù)及移動站數(shù)據(jù)。其中基站數(shù)據(jù)為GPS靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)，供差分GPS使用；移動站數(shù)據(jù)包括GPS數(shù)據(jù)及慣導(dǎo)IMU數(shù)據(jù)。POS數(shù)據(jù)后處理首先需將移動站GPS數(shù)據(jù)與基站GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，解算得到基于GPS的車載LiDAR系統(tǒng)軌跡；然后將GPS差分結(jié)果與慣導(dǎo)IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行緊耦合(tightly coupled,TC)，如果采用雙向緊耦合模式，需將雙向緊耦合結(jié)果進(jìn)行組合，并將緊耦合結(jié)果進(jìn)行平滑得到最終的高精度位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)，同理可得采用松耦合模式時的解算；最后將處理結(jié)果輸出，即得到處理后的POS數(shù)據(jù)。其處理流程如圖3所示。

通過解算得到的POS數(shù)據(jù)并結(jié)合激光點云標(biāo)定參數(shù)，即可將車載LiDAR系統(tǒng)同步采集的掃描儀坐標(biāo)系下的激光點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到絕對坐標(biāo)系下,因而，可以用絕對坐標(biāo)系下的激光點云精度間接評定車載LiDAR系統(tǒng)POS數(shù)據(jù)的精度。

圖3　基于差分GPS的POS數(shù)據(jù)處理

四、試驗及分析

本文試驗分兩個部分,分別為單基站及多基站差分GPS解算POS數(shù)據(jù)的精度分析，試驗選用測區(qū)附近的NBCORS站作為基站來完成。同時，在測區(qū)內(nèi)架設(shè)單基站進(jìn)行比對分析，并通過車載LiDAR系統(tǒng)在絕對坐標(biāo)系下的激光點云數(shù)據(jù)精度來間接評定POS數(shù)據(jù)精度。

試驗主要數(shù)據(jù)設(shè)備包括:1臺Trimble R8 GPS接收機(jī)、3個NBCORS基準(zhǔn)站、車載LiDAR系統(tǒng)。測區(qū)選在寧波市國際貿(mào)易展覽中心的1號—8號樓及其周邊區(qū)域，該區(qū)域為長500 m、寬400 m的近似矩形區(qū)域。試驗場內(nèi)部較為空曠，可保證GPS信號良好；建筑棱角分明，可保證充足的試驗檢核點；試驗區(qū)域房屋不太高，能保證激光掃描儀掃描到房屋角點。在試驗區(qū)采集數(shù)據(jù)時，衛(wèi)星狀況良好，數(shù)目在8~14顆之間。試驗場及場內(nèi)標(biāo)定點示意圖如圖4所示。

對于單基站差分GPS試驗，選用離測區(qū)最近的NBCORS基準(zhǔn)站A、B、C分別與車載LiDAR系統(tǒng)的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算，其中，基站A離測區(qū)的距離約為11.7 km、基站B為16.9 km、基站C為49.8 km，此外，為了進(jìn)行比對分析，還在試驗區(qū)內(nèi)的已知點上架設(shè)了基準(zhǔn)站D，其離待測區(qū)域最遠(yuǎn)點距離為560 m；對于多基站差分GPS試驗，則將基站A、B、C數(shù)據(jù)同時導(dǎo)入進(jìn)行差分解算，3個基站及測區(qū)的分布如圖5所示。

圖4　試驗場及場內(nèi)標(biāo)定點示意圖

數(shù)據(jù)采集過程中，所有基站及車載GPS的采樣間隔均為1 s，數(shù)據(jù)采集過程中，車載LiDAR系統(tǒng)以20 km/h的速度運行；數(shù)據(jù)解算時，車載GPS與基站進(jìn)行差分，差分后的結(jié)果與慣導(dǎo)IMU數(shù)據(jù)執(zhí)行緊耦合解算和光滑處理得到處理后的POS數(shù)據(jù)(軌跡圖如圖6所示)，再結(jié)合車載LiDAR系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù)，解算即可得到絕對坐標(biāo)系下的激光點云數(shù)據(jù)，然后，利用檢核點即可評定點云精度，進(jìn)而間接評定POS數(shù)據(jù)精度。

圖5　測區(qū)及附近的3個NBCORS基準(zhǔn)站分布(三角符號表示基準(zhǔn)站，矩形符號表示測區(qū))

選取試驗區(qū)31個檢核點，并在對應(yīng)的激光點云數(shù)據(jù)中采集對應(yīng)點的平面及高程數(shù)據(jù)，檢定結(jié)果見表1。

圖6　POS數(shù)據(jù)處理試驗的軌跡

m

車載LiDAR系統(tǒng)在GNSS信號良好的情況下，可得出如下結(jié)論：從表1中單基站及多基站差分解算POS獲得的點云數(shù)據(jù)精度來看，點云數(shù)據(jù)的平面中誤差在0.049~0.108 m之間波動，高程中誤差則在0.055~0.108 m之間波動，平面及高程精度均滿足浙江省道路竣工的測量精度要求，因此，可考慮采用測區(qū)最鄰近3個NBCORS站替代單基站，從而達(dá)到節(jié)省費用、提高工作效率的目的。

五、結(jié)束語

本文以寧波市車載LiDAR系統(tǒng)為例，介紹了車載LiDAR系統(tǒng)的組成、工作原理，從單基站差分、多基站差分兩種POS數(shù)據(jù)處理方法出發(fā)，通過設(shè)計試驗探明了兩種方式對應(yīng)的激光點云數(shù)據(jù)的測量精度，從而證明了在城市道路竣工測繪應(yīng)用中，基于NBCORS的遠(yuǎn)距離多基站差分技術(shù)具有替代近距離單基站差分的潛力，可為車載LiDAR系統(tǒng)在該類項目中的應(yīng)用提供參考。

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