車載移動測量系統(tǒng)測量精度綜合研究

張文峰，李俊峰，陳屹

(寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波 315042)

1 引 言

車載移動測量系統(tǒng)能夠在移動過程中非接觸、高效率、高精度地獲取地物的三維點坐標(biāo)，但是當(dāng)該系統(tǒng)應(yīng)用于城市測量時，其測量精度會受到復(fù)雜環(huán)境因素的影響，如：高樓、隧道對GPS信號的遮擋等，因此，需要對這些因素進(jìn)行研究以提高系統(tǒng)測量成果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，擴(kuò)大該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。為此，本文從速度、激光入射角、失鎖時間三個方面進(jìn)行了相應(yīng)的測量精度實驗與分析，并以此為基礎(chǔ)總結(jié)出了有價值的數(shù)據(jù)采集方案。

2 車載移動測量系統(tǒng)測量原理

本文以寧波市測繪設(shè)計研究院和武漢大學(xué)共同開發(fā)研制的車載移動測量系統(tǒng)為例(如圖1所示)，開展移動測量精度研究。該系統(tǒng)各核心傳感器間相對位置固定，且通過標(biāo)定建立了相互間的嚴(yán)格幾何關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)以一定速度移動時，GPS和IMU同時觀測并記錄系統(tǒng)的位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)，同時激光掃描儀與全景相機(jī)以一定頻率掃描、采集影像，并通過同步控制系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步采集[1]。

圖1 車載移動測量系統(tǒng)

系統(tǒng)采集的地物原始坐標(biāo)可通過以下公式轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下[2]：

(1)

用向量表示為：

PWGS-84=RWRGRN(RMRL·r+tL-tG)+APCWGS-84式中，

PWGS-84=(x84，y84，z84)T是激光腳點在WGS-84系中的坐標(biāo)；

r=(0，0，ρ)T是激光腳點在瞬時激光束坐標(biāo)系中的位置向量；

RW、RG為和當(dāng)前位置有關(guān)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；

RN、RL為實測或內(nèi)插的姿態(tài)角和掃描角有關(guān)的旋轉(zhuǎn)矩陣；

RM是安置誤差旋轉(zhuǎn)矩陣。

3 車載系統(tǒng)測量誤差分析

車載系統(tǒng)測量誤差影響因素非常多，如環(huán)境溫度、反射源特性、系統(tǒng)集成誤差等，其中，POS定姿定位誤差和激光掃描儀測量誤差為車載系統(tǒng)測量系統(tǒng)的主要影響因素，因此，本文從這兩個方面進(jìn)行車載系統(tǒng)測量誤差分析。

3.1 POS定姿定位誤差

POS定姿定位誤差主要包括三部分：GPS動態(tài)定位誤差、INS姿態(tài)測量誤差、ODO距離測量誤差。其中，GPS信號失鎖對系統(tǒng)測量精度造成的影響較大，是系統(tǒng)在城市測量中面臨的主要問題之一。此外，速度對INS姿態(tài)測量誤差有一定的影響，因此，本文分別設(shè)計了GPS信號失鎖及不同速度情況下的測量精度評定實驗。

3.2 激光掃描儀測量誤差

激光掃描儀測量誤差主要為測角、測距誤差。因此，本文設(shè)計了入射角因素對系統(tǒng)測量精度的影響分析實驗。

3.3 系統(tǒng)集成誤差

系統(tǒng)集成誤差主要包括傳感器安置誤差、時間同步誤差、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換誤差等。系統(tǒng)集成誤差主要在系統(tǒng)標(biāo)定中予以分析解決，故不在本文研究之列。

4 實驗及分析

本文將實驗區(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。實驗場內(nèi)部較為空曠，可保證GPS信號良好；建筑棱角分明，可保證充足的實驗檢核點；實驗區(qū)域房屋不太高，能保證激光掃描儀能夠掃描到房屋角點。

4.1 速度因素分析

車載系統(tǒng)測量過程中速度太慢會降低測量效率，太快又可能影響測量精度，因此，需要定量地分析系統(tǒng)在不同速度下的測量精度。本實驗數(shù)據(jù)采集過程中，車載系統(tǒng)以 10 km/h的速度開始，每增加 10 km/h對實驗場掃描測量一次，直至速度增加到 50 km/h。并統(tǒng)計測量誤差，如表1所示，其中，檢查點數(shù)均為31個。

點云測量精度 表1

從表1中可以看出，不同速度下系統(tǒng)測量誤差相差并不大。平面中誤差最大值是 0.100 m，最小值為 0.075 m；高程中誤差最大值為 0.058 m，最小值為 0.042 m，測量精度可達(dá)厘米級，且誤差值相對比較平均。

結(jié)論：通過對車載系統(tǒng)在不同速度下獲取的外業(yè)數(shù)據(jù)精度進(jìn)行比較分析，可得出，車速對系統(tǒng)精度的影響不大。因此，在城市測量外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，在保證影像質(zhì)量、車輛安全、數(shù)據(jù)完整的前提下，可適當(dāng)加快行駛速度以獲取更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

4.2 入射角因素分析

車載系統(tǒng)在日常采集作業(yè)中發(fā)射的激光相對于待測目標(biāo)的入射角并不固定，因此，需要定量地了解不同入射角時的測量精度。實驗過程中，車載系統(tǒng)以 30 km/h的速度移動，激光入射角分別為：0°、15°、30°、45°；每個角度完成一次實驗場數(shù)據(jù)采集，并統(tǒng)計測量誤差，如表2所示，其中，檢查點數(shù)均為31個。

點云測量精度 表2

從表2中可以看出，當(dāng)入射角為0°時，平面中誤差為 0.100 m，高程中誤差為 0.044 m；而當(dāng)入射角增大到45°時，平面中誤差則增大到 0.202 m，高程中誤差增大到 0.063 m，目標(biāo)與掃描車間的入射角越大測量誤差也越大。

結(jié)論：在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，應(yīng)根據(jù)待測目標(biāo)位置設(shè)定不同的掃描方向，使得激光入射角盡量接近0°，從而獲取高精度的原始點云數(shù)據(jù)。

4.3 失鎖時間因素分析

車載系統(tǒng)在GPS信號較好地區(qū)測量時可以獲取高精度數(shù)據(jù)，但在城市中測量時，系統(tǒng)將面臨沒有GPS信號或信號受多路徑影響等問題。因此，需定量地了解系統(tǒng)在無GPS信號或GPS失鎖環(huán)境中的測量精度。實驗過程中，掃描車的速度為 30 km/h，從斷開GPS信號線開始計時(記為 0 s)，243 s后停止采集數(shù)據(jù)并重新連接GPS信號線，然后將車載系統(tǒng)停在空曠區(qū)域 2 min后，于 381 s時再次對實驗場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。對于采集的數(shù)據(jù)按照正常方法處理，即DGPS數(shù)據(jù)與IMU聯(lián)合解算得到航跡。將系統(tǒng)在不同失鎖時間以及GPS正常采集后的系統(tǒng)測量誤差繪制成圖，如圖2及圖3所示，圖中誤差曲線中的虛線部分為GPS失鎖狀態(tài)，實線部分為GPS信號恢復(fù)后的狀態(tài)。

圖2平面誤差隨失鎖時間變化曲線

圖3 高程誤差隨失鎖時間變化曲線

本次實驗失鎖時間為4 min 3 s，從平面誤差圖2中可以看出，隨著GPS失鎖時間增加平面誤差逐漸增大，在 2 min 50 s時達(dá)到最大，為 2.306 m，然后隨著時間的增加，系統(tǒng)雖仍處于失鎖狀態(tài)，但平面誤差逐漸減小，直至恢復(fù)正常。這是因為車載系統(tǒng)結(jié)束失鎖狀態(tài)后，在空曠區(qū)域靜態(tài)采集數(shù)據(jù) 2 min，給后處理雙向積分解算提供了良好的初值。通過比較圖2與圖3可以得出，系統(tǒng)失鎖后，高程精度恢復(fù)正常的時間要比平面精度長。當(dāng)GPS信號恢復(fù)采集后，車載系統(tǒng)再次測量時(即 6 min 21 s)，平面及高程精度均已恢復(fù)正常。

結(jié)論：車載系統(tǒng)測量精度受GPS信號的影響較大，在城市測量中遇到隧道或GPS信號失鎖的情況下，應(yīng)加快速度通過該區(qū)域，減少GPS失鎖的時間，且在GPS信號恢復(fù)后應(yīng)將車載系統(tǒng)停止在GPS信號良好的區(qū)域 2 min后，再次開始數(shù)據(jù)的采集。

5 結(jié) 語

本文以寧波市車載激光掃描與全景成像城市測量系統(tǒng)為例，從系統(tǒng)的組成、測量原理、誤差來源等方面出發(fā)，設(shè)計實驗探明了速度、入射角、失鎖時間因素對系統(tǒng)測量精度的影響，并得到了相應(yīng)精度指標(biāo)，提高了系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性和科學(xué)性，可為該類系統(tǒng)在城市測繪中的數(shù)據(jù)采集提供參照。