范冬麗，馬 松，劉 歡，唐 琴，楊 姝

(四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，成都，610045)

車載移動測量系統(tǒng)是一種兼具定位、測距、測角和攝影功能的自動化、數(shù)字化的系統(tǒng)，集成了GNSS、慣性測量單元（IMU）、激光掃描儀、數(shù)字相機(jī)以及自動控制等設(shè)備，以實現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域的空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及實景影像等多種信息的快速采集[1]。車載移動測量與傳統(tǒng)的測繪地理信息獲取方式相比，具有成本低、速度快、精度高、實時性強(qiáng)等顯著特點。近年來，車載移動測量技術(shù)己經(jīng)成為道路測量、街景地圖數(shù)據(jù)獲取、城市三維建模等領(lǐng)域的主要技術(shù)手段之一，是對大比例尺測圖、航空攝影測量和衛(wèi)星攝影測量的有力補(bǔ)充[2，3]。

車載移動測量系統(tǒng)獲取高精度的點云數(shù)據(jù)關(guān)鍵在于系統(tǒng)檢校，然而車載移動測量系統(tǒng)的誤差源眾多，對于系統(tǒng)誤差源的分析目前還沒有完整清晰的認(rèn)識，也缺乏相應(yīng)的誤差模型，也沒有公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)的檢校方法[4，5]。在實際工程應(yīng)用中，車載移動測量系統(tǒng)的綜合精度始終是最重要的因素。為了確保系統(tǒng)的綜合精度，系統(tǒng)作業(yè)前需要經(jīng)過嚴(yán)格的檢校。通過建立永久性的標(biāo)定場，借助自制的特殊標(biāo)志和建筑物拐角點作為特征點，便于點云特征提取，提出車載移動測量系統(tǒng)綜合精度評定的指標(biāo)，進(jìn)而完成系統(tǒng)的綜合精度評定。

1 系統(tǒng)標(biāo)定場的建設(shè)

車載移動測量系統(tǒng)的最大測程可達(dá)250m，掃描角度為0°-360°，對于如此長的掃描距離和如此大的掃描角度，其對應(yīng)的標(biāo)定場必定是一個大型的標(biāo)定場，人工建設(shè)一個如此大型的標(biāo)定場不太實際，因此在建立系統(tǒng)標(biāo)定場的時候，可充分利用現(xiàn)有固定的建筑物等，以建筑物的房屋角點、窗戶角點、交通標(biāo)志等作為標(biāo)定的控制點（圖1）。

圖1 系統(tǒng)標(biāo)定場控制點示意圖

系統(tǒng)標(biāo)定場的建立遵循以下原則：

（1）系統(tǒng)標(biāo)定場應(yīng)當(dāng)建立在房屋有規(guī)則房屋角點、窗戶角點的區(qū)域，保證在點云中能夠高精度的提取這些特征點；

（2）保證控制點數(shù)量多、分布合理有一定的高程層次，特征顯著和方便提??；

（3）選在空曠、GPS信號良好的區(qū)域，以保證POS數(shù)據(jù)的精度；

系統(tǒng)標(biāo)定場的已知特征控制點WGS84坐標(biāo)通過RTK（徠卡GS14）控制測量和全站儀（徠卡TM50）測量方式進(jìn)行。存在兩個互相通視控制點的情況下，可通過全站儀直接測量多次求取平均值得出各個特征控制點的WSG84坐標(biāo)；在沒有兩個互相通視的控制點的情況下，需要首先采用靜態(tài)GPS測量方式獲得至少兩個高精度控制點，然后通過全站儀測量多次求取平均值獲取各個標(biāo)定控制點的大地坐標(biāo)。已建設(shè)完成的省安科院車載移動測量系統(tǒng)標(biāo)定場如下圖2所示，由44個RTK控制點和157個全站儀測量點組成，南北長約1km，東西長約1.4km，有垂直和閉合的基線，控制網(wǎng)點分布均勻合理，點位精度優(yōu)于2cm。

圖2 車載移動測量系統(tǒng)標(biāo)定場控制點坐標(biāo)示意圖

采用檢校場進(jìn)行車載移動測量系統(tǒng)綜合精度評定的優(yōu)點有：

（1）基準(zhǔn)精度高。系統(tǒng)標(biāo)定場中特征點的已知坐標(biāo)是通過高精度全站儀測量得到，測角精度為0.5＂，測距精度為（0.5+lppm*D）mm，每個特征點通過3次測量取平均值得到，其精度高且穩(wěn)定性好。

（2）特征提取方便。系統(tǒng)標(biāo)定場中有適合激光提取的90%反射率的反射片，也有適合影像提取的特殊標(biāo)志圖案，標(biāo)志點數(shù)量多、分布合理、特征顯著、方便特征提取。

（3）復(fù)用性好。系統(tǒng)標(biāo)定場的功能和目的明確，用途單一，便于長期使用；系統(tǒng)標(biāo)定場也可用作精度測試等質(zhì)量控制的任務(wù)；基準(zhǔn)固定，便于制定檢定和測試的流程、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等；相同的基準(zhǔn)、方法及流程，可用于同類系統(tǒng)性能的橫向比較。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

為了科學(xué)準(zhǔn)確地評價車載移動測量系統(tǒng)的綜合精度，數(shù)據(jù)采集前制定了合理的采集方案、行車路線和必要的前期準(zhǔn)備。具體數(shù)據(jù)采集主要過程如下：

（1）架設(shè)基準(zhǔn)站

根據(jù)測量需求，選擇在安科大廈頂樓架設(shè)GNSS基準(zhǔn)站，此地點位于系統(tǒng)標(biāo)定場的中心，高程高，視角開闊?；鶞?zhǔn)站通過靜態(tài)GPS獲取精確的三維坐標(biāo)，系統(tǒng)標(biāo)定場的測量區(qū)域與本基準(zhǔn)站之間的距離都在1km以內(nèi)。

（2）車載移動測量系統(tǒng)初始化

為保證GPS數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，車載移動測量系統(tǒng)開機(jī)后，將車輛開到一開闊地區(qū)，至少能接收不少于6顆衛(wèi)星信號，靜止5-10min，然后按照“8”字型行進(jìn)三四圈。其主要目的是完成IMU的初始化，即確定IMU的初始位置、姿態(tài)和地理北方向。

（3）車載移動測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

初始化完畢后，建立任務(wù)，設(shè)置各項參數(shù)，點擊開始。掃描過程中，數(shù)據(jù)采集人員根據(jù)光線調(diào)節(jié)照片亮度，根據(jù)行車速度調(diào)節(jié)圖像框距離來保障車載獲取最佳影像數(shù)據(jù)。掃描車速不應(yīng)高于70km/h，盡量保持勻速，遇紅燈應(yīng)減緩車速但最好不要將車輛停止。路況較差時，應(yīng)盡量保持車體平穩(wěn)。

（4）車載移動測量系統(tǒng)關(guān)閉

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集完畢后，將掃描車停在空曠處，停止采集數(shù)據(jù)，原地等待5-10min。下載采集數(shù)據(jù)，關(guān)閉系統(tǒng)、掃描儀和電源。

（5）RTK和全站儀同步數(shù)據(jù)采集控制點

在進(jìn)行車載數(shù)據(jù)采集同時用RTK和全站儀同步采集控制點坐標(biāo)，從而保障獲取的同時期的WSG84三維坐標(biāo)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用Inertial Explorer軟件將掃描儀中的GPS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)與GPS基站數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，并輸出成一個軌跡文件以供下一步數(shù)據(jù)處理使用。需要進(jìn)行基站GPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GPB格式、將基站每小時的數(shù)據(jù)整合為一個基站數(shù)據(jù)文件、車載GPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GPB格式、將轉(zhuǎn)換后的車載與基站GPS文件加載到新建工程文件中并進(jìn)行校正、整合GPS與慣導(dǎo)數(shù)據(jù)、檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量和輸出軌跡文件。

（2）生成三維點云

利用Auto PP軟件將Inertial Explore軟件中輸出的軌跡文件與6個照相機(jī)內(nèi)的圖片文件進(jìn)行匹配并結(jié)合掃描數(shù)據(jù)生成三維點云。需要進(jìn)行坐標(biāo)系設(shè)置、解壓圖片并校正時間、將相機(jī)文件和軌跡文件進(jìn)行匹配、將點云文件與軌跡文件進(jìn)行匹配，最終生成三維點云，以las文件導(dǎo)出。

車載移動測量系統(tǒng)通過對系統(tǒng)標(biāo)定場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，生成了系統(tǒng)標(biāo)定場的三維點云。通過ArcGDS軟件生成帶有彩色點云數(shù)據(jù)效果圖（圖3、圖4），可以看出采集的點云數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，能夠清晰地提取房屋窗口角點、路牌標(biāo)識等，有利于下一步的精度評定。

圖3 點云數(shù)據(jù)局部效果圖

圖4 點云數(shù)據(jù)全局效果圖

3 絕對精度評定

車載移動測量系統(tǒng)絕對精度，是指RTK測量和全站儀聯(lián)測的WSG84坐標(biāo)值作為真值，車載點云坐標(biāo)相對于真值的X、Y、Z三個方向的中誤差值。

通過ArcGDS軟件提取系統(tǒng)標(biāo)定場中特征點（建筑物的角點、窗戶角點、交通標(biāo)志牌角點等）的三維坐標(biāo)，與已知特征點坐標(biāo)比較，通過公式進(jìn)行絕對精度評定：

其中，（xg,yg,zg）為車載移動測量系統(tǒng)的特征點提取三維激光點云坐標(biāo)，（xr,yr,zr）為特征點三維坐標(biāo)，（σx, σy, σz）為車載測量系統(tǒng)三維的絕對精度。

在系統(tǒng)標(biāo)定場中選擇了103個比較明顯的特征點進(jìn)行絕對精度的評定，按照上述公式得到每個點的三維絕對精度（見表1-3），X方向平均絕對精度σx=0.192m，Y方向平均絕對精度σy=0.199m，Z方向平均絕對精度σz=0.281m。

表1 特征點X方向絕對精度統(tǒng)計表（部分）

表2 特征點Y方向絕對精度統(tǒng)計表（部分）

表3 特征點Z方向絕對精度統(tǒng)計表（部分）

4 相對精度評定

車載移動測量系統(tǒng)的相對精度是指兩點之間距離與已知線段的比較，主要指道路、電線桿、廣告牌、交通標(biāo)志、井蓋、建筑物等線狀地物的長度或?qū)挾鹊臏y量精度。在道路兩邊構(gòu)建筑物及相關(guān)參數(shù)提取等應(yīng)用領(lǐng)域，相對精度的獲取具有很重要的意義。

在系統(tǒng)標(biāo)定場中，選擇具有明顯特征的線性構(gòu)建筑物線段，如：窗口邊、路燈、交通標(biāo)識牌、井蓋、斑馬線等等，利用全站儀測量出線段值作為基準(zhǔn)值LRi。按照上文的方法，通過ArcGDS軟件提取系統(tǒng)標(biāo)定場中對應(yīng)目標(biāo)線段的測量值Li。根據(jù)公式2計算相對精度σL：

其中，n為線段個數(shù)。

在系統(tǒng)標(biāo)定場中選擇9段特征明顯的線段進(jìn)行相對精度的評定，按照上述公式得到每個線段值的相對精度（表4），平均相對精度σL=0.039m。

表4 特征線段的相對精度統(tǒng)計表

5 結(jié)論

通過建立永久性的系統(tǒng)標(biāo)定場，借助特征點，提出車載移動測量系統(tǒng)綜合精度評定的指標(biāo)，利用傳統(tǒng)方法獲取這些特征點的高精度三維坐標(biāo)和特征線的長度值作為基準(zhǔn)值，通過與系統(tǒng)解算出來的特征點和特征線進(jìn)行比較，從而完成系統(tǒng)的綜合精度評定。通過驗證點計算表明經(jīng)過檢校后的某車載移動測量系統(tǒng)，X方向平均絕對精度σx=0.192m，Y方向平均絕對精度, σy=0.199m，Z方向平均絕對精度，σz=0.281m，相對精度σL=0.039m。

車載移動測量系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，對移動測量系統(tǒng)的精度要求也越來越高，通過建立固定的系統(tǒng)標(biāo)定場，快速簡潔地獲取車載移動測量系統(tǒng)的精度，為其在實踐中的應(yīng)用提供重要的數(shù)據(jù)精度判定依據(jù)。