唐德利，李兆雄

（1.國(guó)家測(cè)繪地理信息局重慶測(cè)繪院，重慶 400015）

車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)點(diǎn)云誤差分析及修正

唐德利1，李兆雄1

（1.國(guó)家測(cè)繪地理信息局重慶測(cè)繪院，重慶 400015）

為使車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)輸出更高精度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)——點(diǎn)云，對(duì)車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的定位誤差來(lái)源進(jìn)行分析，探索減小作業(yè)誤差以及利用控制點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云修正的方法，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證控制點(diǎn)布設(shè)數(shù)量與點(diǎn)云精度提高的密切關(guān)系，證明布設(shè)位置合理、數(shù)量足夠的控制點(diǎn)，能大幅提高點(diǎn)云精度。

車(chē)載移動(dòng)測(cè)量；點(diǎn)云；誤差；控制點(diǎn)

車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)是在GPS、GIS、航測(cè)遙感、光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是在機(jī)動(dòng)車(chē)上安裝GPS、CCD、INS、激光掃描系統(tǒng)、里程計(jì)等先進(jìn)傳感器和設(shè)備，在車(chē)輛快速行進(jìn)中，采集行進(jìn)路線地面目標(biāo)的空間及屬性數(shù)據(jù)的空間地理信息高速采集系統(tǒng)[1]。車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)主要應(yīng)用于城市建模、測(cè)圖、部件測(cè)量、公路建模、資產(chǎn)現(xiàn)狀調(diào)查、竣工測(cè)量、導(dǎo)航數(shù)據(jù)生產(chǎn)、地下車(chē)庫(kù)測(cè)量建模、地鐵隧道測(cè)量建模、地理市情調(diào)查與監(jiān)測(cè)等。 由于車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)境千變?nèi)f化，對(duì)數(shù)據(jù)精度有很大影響，甚至可能產(chǎn)生不可預(yù)見(jiàn)的誤差。因此，要保證數(shù)據(jù)精度，除規(guī)范作業(yè)外還必須對(duì)其基本數(shù)據(jù)——點(diǎn)云進(jìn)行修正，以確保其數(shù)學(xué)精度符合要求。

1 車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)誤差來(lái)源

1.1 POS定姿定位誤差

PoS系統(tǒng)是車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的核心，其產(chǎn)生的定姿定位誤差也是整個(gè)系統(tǒng)定位誤差的主要來(lái)源之一。其定姿定位誤差主要包括3個(gè)部分：GNSS動(dòng)態(tài)（包括靜態(tài)）定位誤差；IMU慣性測(cè)量平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量誤差；DMI里程計(jì)里程測(cè)量誤差[2]。

GNSS定位誤差來(lái)源與通常GNSS測(cè)量誤差來(lái)源相同，主要包括接收機(jī)鐘差、多路徑效應(yīng)、衛(wèi)星鐘差、星歷誤差、整周模糊度求解誤差、電離層時(shí)延誤差、觀測(cè)噪聲引起的誤差。為減小這些因素對(duì)GNSS定位精度的影響，可以建立多個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)的基準(zhǔn)站，以保證其動(dòng)態(tài)定位差分計(jì)算結(jié)果精度符合要求。

IMU慣性測(cè)量平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量誤差主要包括元件誤差、安裝誤差、原理誤差、外干擾誤差。元件誤差是加速度計(jì)與陀螺儀不完善引起的誤差，主要指陀螺的漂移和加速度計(jì)的零位偏差及元件刻度因數(shù)誤差；安裝誤差是加速度計(jì)和陀螺儀安裝在平臺(tái)上時(shí)不準(zhǔn)確造成的誤差；初始條件誤差是指初始對(duì)準(zhǔn)及輸入計(jì)算機(jī)的初始位置、初始速度不準(zhǔn)所形成的誤差；外干擾誤差主要是指車(chē)輛行駛時(shí)由振動(dòng)引起的加速度干擾。DMI里程測(cè)量誤差，主要指DMI尺度因子不準(zhǔn)所導(dǎo)致的誤差。

1.2 激光掃描測(cè)距測(cè)角誤差

激光測(cè)距誤差產(chǎn)生的主要因素有儀器誤差和環(huán)境誤差。儀器誤差主要是指電子光學(xué)電路對(duì)經(jīng)過(guò)目標(biāo)點(diǎn)反射及空間傳播后的不規(guī)則激光回波信號(hào)進(jìn)行處理確定時(shí)間延遲帶來(lái)的距離測(cè)量誤差，還包括棱鏡旋轉(zhuǎn)誤差、振動(dòng)誤差、電路響應(yīng)時(shí)間延遲誤差。環(huán)境誤差主要指由于反射面和反射線路的地理環(huán)境特征不同，在信號(hào)漫反射時(shí)產(chǎn)生信噪及信號(hào)傳遞中的大氣折射、溫度變化，使信號(hào)傳遞路徑產(chǎn)生彎曲而帶來(lái)的測(cè)距測(cè)角誤差[3]。

1.3 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(shí)間同步誤差、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差等。

2 車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)點(diǎn)云誤差

車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)最基本的輸出數(shù)據(jù)就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)，也是后續(xù)作業(yè)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時(shí)車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)各個(gè)方面的誤差也會(huì)全面集中體現(xiàn)在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中。由于眾多誤差源對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的影響，所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)看起來(lái)并不完美。在室外掃描的過(guò)程中，不可避免地存在部分地面目標(biāo)的多次掃描，這部分點(diǎn)云會(huì)產(chǎn)生上下分層和重影，如圖1。這種情況會(huì)嚴(yán)重影響地面目標(biāo)的空間幾何特征提取，自動(dòng)提取的構(gòu)件或要素會(huì)出現(xiàn)較多錯(cuò)誤和重復(fù)。另一方面，在掃描區(qū)域內(nèi)如果存在局部的精密大比例尺地圖數(shù)據(jù)（包括城市地籍圖、城市規(guī)劃用地形圖等），通過(guò)數(shù)據(jù)疊加，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)云與精密地圖數(shù)據(jù)間存在不小的空間偏移，這就是車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)點(diǎn)云誤差帶來(lái)的結(jié)果。

圖1 點(diǎn)云分層和重影

3 點(diǎn)云誤差的削弱

車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差雖然不可避免，但可以盡可能削弱和修正。首先，要進(jìn)行系統(tǒng)檢校，以盡可能減小系統(tǒng)誤差對(duì)點(diǎn)云的影響，主要包括：① 室內(nèi)標(biāo)定，獲取傳感器與PoS之間的空間位置關(guān)系參數(shù)，納入后續(xù)數(shù)據(jù)處理；②運(yùn)動(dòng)檢校，在室外場(chǎng)地作業(yè)模式下進(jìn)行系統(tǒng)檢校，獲取DMI等其他參數(shù)[4]。通過(guò)數(shù)據(jù)處理精確測(cè)定所需參數(shù)，可以大幅削弱系統(tǒng)的點(diǎn)云誤差。其次，在室外掃描作業(yè)時(shí)，嚴(yán)格規(guī)劃路線和時(shí)間、規(guī)范操作，盡量避免天氣、交通狀況及不規(guī)范操作對(duì)數(shù)據(jù)精度的不利影響。

4 點(diǎn)云誤差的檢驗(yàn)與修正

4.1 增測(cè)控制點(diǎn)方法

1）控制點(diǎn)的點(diǎn)位選取與密度。這里所說(shuō)的控制點(diǎn)與通常的測(cè)量控制點(diǎn)有所不同，差別在于點(diǎn)的選取位置和使用目的不同。通常的測(cè)量控制點(diǎn)一般要求選擇在開(kāi)闊、地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、利于保存的地方，布設(shè)目的是作為測(cè)站進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)量，而此處的控制點(diǎn)要求布設(shè)在地面目標(biāo)的幾何特征點(diǎn)上，目的是用于點(diǎn)云精度的檢驗(yàn)與修正。點(diǎn)云修正分平面位置修正和高程修正，平面修正控制點(diǎn)要求布設(shè)在目標(biāo)的投影平面幾何特征點(diǎn)位置，高程修正控制點(diǎn)要布設(shè)在周邊比較平坦的目標(biāo)幾何特征點(diǎn)上。這樣選點(diǎn)是為了避免在點(diǎn)云精度檢驗(yàn)和修正過(guò)程中點(diǎn)云選取的準(zhǔn)確性影響修正結(jié)果?？刂泣c(diǎn)的選取位置和密度，還要根據(jù)重復(fù)點(diǎn)云的偏離程度及其分布情況來(lái)確定，在偏離較大、變化較多的地方要加大密度，在掃描區(qū)域的起始位置、結(jié)束位置須設(shè)置控制點(diǎn)，中間部分則根據(jù)項(xiàng)目精度要求適當(dāng)?shù)鼐鶆虿荚O(shè)。

2）控制點(diǎn)的觀測(cè)?？刂泣c(diǎn)觀測(cè)方法應(yīng)根據(jù)作業(yè)區(qū)域所在地的情況來(lái)選擇。在居民地密集、GPS衛(wèi)星信號(hào)較差或極易受到干擾的地方，以選用全站儀測(cè)距導(dǎo)線方法施測(cè)為宜；在視野開(kāi)闊、利于GPS觀測(cè)的區(qū)域，建議采用單基站RTK或網(wǎng)絡(luò)RTK方法施測(cè)。其精度應(yīng)不低于最低等級(jí)地形測(cè)量測(cè)站控制點(diǎn)的要求。

4.2 參照已有地形圖方法

如果在作業(yè)區(qū)域內(nèi)已有能滿足精度要求的精密地形圖，則可以在已有的地形圖上選取平面修正控制點(diǎn)和高程修正控制點(diǎn)來(lái)檢驗(yàn)和修正點(diǎn)云誤差。選取方法相同，但要注意優(yōu)先選取開(kāi)闊、突出，與原有控制點(diǎn)距離較小的要素特征點(diǎn)，避免原有地形圖誤差對(duì)點(diǎn)云精度檢驗(yàn)和修正的可靠性造成不良影響。

4.3 建立修正用數(shù)據(jù)文件

修正用數(shù)據(jù)就是點(diǎn)云修正所需的文件數(shù)據(jù)，它包括控制點(diǎn)數(shù)據(jù)文件、控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件。以SSW系統(tǒng)為例說(shuō)明建立方法。

1）首先在文本編輯器中編輯控制點(diǎn)文件。控制點(diǎn)文件為純文本文件，格式下：

其中，id為流水號(hào)；x、y、z為坐標(biāo)（東、北、高）；name為控制點(diǎn)名；time為時(shí)間列，此處賦0。

2） 將控制點(diǎn)文件轉(zhuǎn)為注記文件。在SWDY軟件中，選擇“3d或2d+dem文件→層”菜單。動(dòng)作完成后，在原控制點(diǎn)文件所在文件夾中會(huì)生成一個(gè).lab文件。按注記讀入此文件，控制點(diǎn)就映射到點(diǎn)云中了。

3）提取控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云坐標(biāo)。首先，建立點(diǎn)云采點(diǎn)坐標(biāo)文件，檢查點(diǎn)云信息選項(xiàng)是否正確。然后以注記方式采集點(diǎn)云點(diǎn)，并修改點(diǎn)名與控制點(diǎn)名一致。采點(diǎn)時(shí)，點(diǎn)云文件逐個(gè)顯示，同一控制點(diǎn)有多個(gè)點(diǎn)云時(shí)，每個(gè)點(diǎn)云都需要采點(diǎn)，同時(shí)保證id值的唯一性。依次采集其他控制點(diǎn)的點(diǎn)云坐標(biāo)。最后，保存輸出。

4.4 數(shù)據(jù)修正

1）修改采點(diǎn)文件。采點(diǎn)文件格式為標(biāo)準(zhǔn)格式。點(diǎn)云修正前，在最后一列增加每個(gè)點(diǎn)的運(yùn)算屬性，1代表此點(diǎn)只參與高程修正；2代表此點(diǎn)只參與平面坐標(biāo)修正；3代表此點(diǎn)參與平面坐標(biāo)和高程修正。修改后的采點(diǎn)純文本文件格式如下：

各項(xiàng)內(nèi)容與控制點(diǎn)文件相同。

2）數(shù)據(jù)修正。數(shù)據(jù)修正有2種方式，點(diǎn)云數(shù)據(jù)修正和軌跡修正，如果只考慮數(shù)據(jù)精度，可采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)修正，如果考慮修正后建立快速模型，可采用軌跡修正，然后用修正后的軌跡重新計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像姿態(tài)數(shù)據(jù)。①點(diǎn)云數(shù)據(jù)修正。點(diǎn)云數(shù)據(jù)修正完成后，在原點(diǎn)云文件夾中會(huì)生成一個(gè)新的DX文件夾，修正后數(shù)據(jù)存放在此文件夾中；②軌跡修正。當(dāng)選擇軌跡修正時(shí)，需要選擇坐標(biāo)系，待修正數(shù)據(jù)文件夾要選擇組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)所在文件夾。如果選擇地方坐標(biāo)系，還需要選擇轉(zhuǎn)換參數(shù)類(lèi)型。計(jì)算完成后，會(huì)新生成一個(gè)文件名帶有DX字樣的組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)文件。重新計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，請(qǐng)選擇軌跡已修正選項(xiàng)。影像姿態(tài)文件需要重新計(jì)算。

5 點(diǎn)云誤差修正與檢驗(yàn)實(shí)例

5.1 作業(yè)區(qū)域概況

作業(yè)區(qū)域在重慶大學(xué)城的麒雅中央花園B區(qū)，交通狀況良好，區(qū)域內(nèi)地形較平坦，大型植被遮擋少，花園小區(qū)內(nèi)為矮小花木，對(duì)小區(qū)的建筑沒(méi)有形成封閉性遮擋，有利于車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)掃描作業(yè)。但區(qū)域內(nèi)有高壓電力線穿過(guò)，對(duì)GNSS衛(wèi)星定位精度有一定影響。

5.2 數(shù)據(jù)采集情況

掃描作業(yè)歷時(shí)170 min，包括線路踏勘設(shè)計(jì)、GNSS基準(zhǔn)站架設(shè)、作業(yè)初始化、掃描作業(yè)、作業(yè)結(jié)束化、掃描數(shù)據(jù)下載與傳輸?shù)茸鳂I(yè)過(guò)程。掃描面積約36 000 m2，數(shù)據(jù)處理生成點(diǎn)云文件19個(gè)，點(diǎn)云數(shù)量約3 800萬(wàn)個(gè)。

5.3 點(diǎn)云誤差修正與檢驗(yàn)

點(diǎn)云修正及誤差檢驗(yàn)以該區(qū)域原有1∶500數(shù)字地形圖為基礎(chǔ)，獲取控制點(diǎn)并作為檢驗(yàn)依據(jù)，按不同控制點(diǎn)（固定地物點(diǎn)）數(shù)量、分布，多次修正并檢驗(yàn)，精度統(tǒng)計(jì)參照地面目標(biāo)明顯的幾何特征點(diǎn)位置比對(duì)進(jìn)行，精度統(tǒng)計(jì)表如表1，誤差分布如圖2～5。

表1 不同數(shù)量控制點(diǎn)的點(diǎn)云精度統(tǒng)計(jì)表

由上述統(tǒng)計(jì)可以看出，當(dāng)增加控制點(diǎn)數(shù)量時(shí),點(diǎn)云誤差逐漸減小。綜上所述，通過(guò)車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)誤差的基本來(lái)源分析，并優(yōu)化作業(yè)方法、利用控制點(diǎn)修正點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)輸出的基本數(shù)據(jù)——點(diǎn)云的精度得到大幅度提高，為后續(xù)的數(shù)據(jù)應(yīng)用提供更為可靠的精度保證。

圖2 固定4個(gè)點(diǎn)的誤差分布

圖3 固定11個(gè)點(diǎn)的誤差分布

圖4 固定21個(gè)點(diǎn)的誤差分布

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P235

B

1672-4623（2016）08-0033-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.08.011

唐德利，工程師，主要從事測(cè)繪地理信息產(chǎn)品檢驗(yàn)工作。

2015-08-18。