山貓（Lynx）車載激光移動測量系統(tǒng)精度分析

周振明，唐秋祥

（湖南省第一測繪院，湖南衡陽 421001）

山貓（Lynx）車載激光移動測量系統(tǒng)精度分析

周振明*，唐秋祥

（湖南省第一測繪院，湖南衡陽 421001）

利用山貓（Lynx）車載激光移動測量系統(tǒng)采集了5條實驗路段的激光點云數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)聯(lián)合解算，采用不同間距的檢校點糾正方案，得出了有益的結(jié)論：車載激光移動測量系統(tǒng)沿帶狀線路進(jìn)行測量時，對沿線GPS基站的要求較高，數(shù)據(jù)采集位置距基站的平均距離不應(yīng)大于系統(tǒng)的標(biāo)稱值，超過標(biāo)稱基站距離的激光點云高程精度將大幅下降。要提高激光點云的位置精度，可布設(shè)檢校點對激光點云進(jìn)行糾正，應(yīng)根據(jù)不同的成圖精度選擇不同間距的檢校點布設(shè)方案。

車載激光移動測量系統(tǒng)；移動測量、激光點云；檢校點糾正

1　引 言

車載激光移動測量系統(tǒng)（MMS）將全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（GNSS）、慣性測量單元（IMU）、激光掃描儀（Li-DAR）、工業(yè)相機(jī)（CCD）、距離編碼器（DMI）等集成在車載平臺上，沿車行路徑快速采集多源空間地理信息數(shù)據(jù)，經(jīng)后期數(shù)據(jù)解算和處理，可以獲得高精度的三維激光點云和影像數(shù)據(jù)成果［1，2］。

由于全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)、慣性測量單元、距離編碼器受不同時段、不同天氣、不同區(qū)域、信號遮擋等多種因素干擾，加上激光掃描距離、基站設(shè)置距離以及檢校點間距等不同，最終影響到激光點云的空間位置精度。隨著移動測量技術(shù)的日益發(fā)展和普及，許多學(xué)者對移動測量的精度狀況從多角度進(jìn)行了研究，李峰用地面控制點來提高車載點云精度，取得了一定效果，但實驗數(shù)據(jù)僅200 m，結(jié)果不具普遍性［3］；徐工等研究了車速、掃描距離對移動點云精度的具體影響尺度［4］；程效軍等研究了點云配準(zhǔn)的誤差傳播規(guī)律［5］。然而，針對移動測量進(jìn)行大規(guī)模點云精度實驗研究尚不多。為了研究不利環(huán)境和實際野外作業(yè)工況下車載激光移動測量系統(tǒng)激光點云的精度狀況，本次實驗利用加拿大 Optech公司的山貓（Lynx）車載激光移動測量系統(tǒng)，選取了湖南省內(nèi)滬昆高速（中方-玉屏）段、包茂高速（中方-吉首）段、溆懷高速等進(jìn)行長距離移動測量精度測試，獲取大數(shù)據(jù)量的激光點云與對應(yīng)的影像數(shù)據(jù)。此高速路段涵蓋了山區(qū)GPS信號微弱、失鎖、隧道密集等各種對定位精度不利的因素，具有野外環(huán)境的代表性。

2　野外數(shù)據(jù)采集

根據(jù)計劃，項目組分兩次先后采集了選定路線的激光點云數(shù)據(jù)，具體線路情況如表1所示。

各實驗線路情況表　表1

可以看出，數(shù)據(jù)采集時間覆蓋了9:00～21:00，基本包含了測繪正常生產(chǎn)作業(yè)時段，可較好的反應(yīng)不同時間段環(huán)境對定位精度的影響。

野外數(shù)據(jù)采集方案:

（1）制訂計劃。掃描車作業(yè)前，經(jīng)過檢校場檢校，設(shè)備狀況良好。先規(guī)劃好作業(yè)范圍和掃描車行駛路徑，將作業(yè)圖導(dǎo)入至隨機(jī)軟件Lynx Survey并繪制路徑，方便導(dǎo)航作業(yè)范圍。

（2）GPS基站數(shù)據(jù)采集。掃描車作業(yè)前，提前30 min以上架設(shè)基站。

（3）激光點數(shù)據(jù)采集。掃描車按計劃開始作業(yè)，掃描結(jié)束后，掃描車靜止，車載POS需做5 min以上的靜態(tài)。靜態(tài)結(jié)束后，從車載激光系統(tǒng)的存儲器中，將車載POS數(shù)據(jù)拷貝至計算機(jī)。

（4）掃描作業(yè)結(jié)束后，基站繼續(xù)接收GPS信號至少30 min。

（5）為了提高激光點云空間精度，同期還安排技術(shù)人員采集檢校點三維坐標(biāo)。

外業(yè)采集獲取的數(shù)據(jù)包括:*.range格式的原始激光點數(shù)據(jù)、車載GPS實時測量的軌跡數(shù)據(jù)、GPS基站數(shù)據(jù)、距離編碼器數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和檢校點坐標(biāo)等。

3　數(shù)據(jù)后處理

3.1數(shù)據(jù)聯(lián)合解算

使用隨機(jī)軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算。

（1）解壓數(shù)據(jù):從作業(yè)硬盤里，解壓出原始的激光點數(shù)據(jù)。

（2）處理POS數(shù)據(jù)；使用POSPac MMS軟件加載車載POS數(shù)據(jù)和GPS基站數(shù)據(jù)，解算出高精度的車載軌跡線。

（3）數(shù)據(jù)整合:使用DASHMap處理整合數(shù)據(jù)，加載原始激光點數(shù)據(jù)、解算后POS數(shù)據(jù)、檢校參數(shù)，輸出las格式的激光點云數(shù)據(jù)。

由于受外部環(huán)境因素影響較大，聯(lián)合解算的激光點云空間精度不高，要提高其空間精度，必須利用高精度的檢校點對激光點云進(jìn)行糾正處理。

3.2激光點云糾正

選擇不同密度的檢校點方案，測試糾正后激光點云的空間位置精度。

主要步驟包括:激光點云數(shù)據(jù)分塊，分塊導(dǎo)入激光點數(shù)據(jù)，導(dǎo)入解算后的軌跡線數(shù)據(jù)，軌跡線分段，匹配對應(yīng)軌跡線編號，導(dǎo)入外業(yè)檢校點，人工匹配，計算系統(tǒng)方向改正值，修正軌跡線，輸出糾正后激光點數(shù)據(jù)等。

4　精度分析

4.1觀測參數(shù)

各實驗路段觀測參數(shù)情況如表2所示。

各實驗路段觀測參數(shù)情況　表2

4.2糾正前激光點云精度統(tǒng)計

以滿足1∶5 000、1∶10 000地形圖精度為前提，按照文獻(xiàn)［6］中1∶5 000、1∶10 000地形圖精度指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計。考慮測量方式的不同，地形類別認(rèn)定為丘陵地區(qū)，地物點平面位置中誤差應(yīng)優(yōu)于圖上0.5 mm（為便于統(tǒng)計，誤差均采用省略正負(fù)號表示，下同），高程中誤差應(yīng)優(yōu)于1.2 m［6］，超過兩倍中誤差視為粗差。統(tǒng)計糾正前各實驗路段激光點云精度如表3所示。

從表3可知，5條實驗路段的平面精度均滿足1∶10 000比例尺精度要求，但只有1條路段高程精度滿足規(guī)范要求。分析實驗路段觀測外部環(huán)境因素及解算精度情況，距基站平均距離均大于系統(tǒng)所要求的30 km（標(biāo)稱距離），最遠(yuǎn)達(dá)到60余千米，而中方-會同路段距基站平均距離最短，為32.1 km，平面和高程精度最高，甚至滿足1∶500地形圖精度要求（平面中誤差優(yōu)于0.3 m，高程中誤差優(yōu)于 0.4 m），當(dāng)野外GPS信號影響相差不大時，我們認(rèn)為距基站平均距離為影響成果精度的主要原因。

各實驗路段解算精度統(tǒng)計　表3

4.3糾正后激光點云精度統(tǒng)計

采用平均間距為1.5 km的檢校點對各實驗路段激光點云進(jìn)行糾正，按照文獻(xiàn)［7］中 1∶1 000、1∶2 000地形圖精度指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，丘陵地區(qū)地物點平面中誤差應(yīng)優(yōu)于圖上 0.6 mm，高程中誤差應(yīng)優(yōu)于0.5 m［7］，超過兩倍中誤差視為粗差，統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。

檢校點間距為1.5 km時各實驗路段激光點云精度統(tǒng)計　表4

可見，在檢校點間距為1.5 km的情況下，激光點云精度能完全滿足1∶1 000DLG的精度要求，且粗差率較低。

為檢驗不同間距的檢校點對激光點云糾正精度的影響，項目組對懷化-鳳凰路段分別采用 5 km和10 km間距的檢校點對激光點云進(jìn)行糾正，按1∶5 000、1∶10 000地形圖精度指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表5所示。

懷化-鳳凰路段不同檢校點間距糾正后激光點云精度統(tǒng)計 表5

采用5 km間距的檢校點進(jìn)行糾正，激光點云精度能夠滿足1∶5 000地形圖精度指標(biāo)；采用10 km間距的檢校點進(jìn)行糾正，激光點云精度滿足不了1∶10 000地形圖精度指標(biāo)，主要是高程精度超限。

5　結(jié) 論

車載激光移動測量系統(tǒng)因沿帶狀線路進(jìn)行測量，對沿線GPS基站的要求較高，數(shù)據(jù)采集位置距基站的平均距離不應(yīng)大于系統(tǒng)要求的30 km，超過 30 km后的激光點云高程精度將大幅下降。如需提高激光點云位置精度，應(yīng)布設(shè)檢校點對其進(jìn)行校正，可根據(jù)不同的成圖精度選擇不同間距的檢校點布設(shè)方案。實驗證明，檢校點間距對激光點云高程精度的影響要大于對平面精度的影響。要滿足1∶1 000、1∶2 000地形圖精度，宜布設(shè)間距為 1.5 km左右的檢校點；要滿足1∶5 000、1∶10 000地形圖精度，宜布設(shè)間距為5 km左右的檢校點。

［1］李德仁.移動測量技術(shù)及其應(yīng)用［J］.地理信息空間，2006，4（4）：1～5.

［2］宋楊.基于RIEGL VZ-400及Ladybug3全景相機(jī)的移動激光測量系統(tǒng)的研制及應(yīng)用［J］.城市勘測，2014（2）：91～95.

［3］李峰，余志偉，董前林等.車載激光點云數(shù)據(jù)精度的提高方法［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2011，21（9）：123～124.

［4］徐工，程效軍.移動測量系統(tǒng)點云精度評定及應(yīng)用分析［J］.工程勘察，2013，4（9）：42～46.

［5］程效軍，施貴剛，王峰等.點云配準(zhǔn)誤差傳播規(guī)律的研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報·自然科學(xué)版，2009，37（12）：1668～1672.

［6］CH/T 1011-2005.1∶5000 1∶10000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范數(shù)字線劃圖［S］.

［7］CH/T 9008.1-2010.基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500 1∶1000 1∶2000數(shù)字線劃圖［S］.

Accuracy Analysis of Lynx Mobile Laser Scanning Measurement System

Zhou Zhenming，Tang Qiuxiang
（The first surveying and mapping institute of Hunan Province，Hengyang 421001，China）

In this paper，we collect LiDAR（Light Detection and Ranging）datasets from five test roads using Lynx mobile laser scanning measurement system.By joint solution and correction between check points with different interval，we get promising results for peers to reference.Firstly，the measurement results given by mobile laser scanning measurement system strongly depend on the GPS（Global Position System）base stations all along.Secondly，the average distance between the base station and the data collection points should not be more than the system calibration values，or the measured height precision will decrease to a large extent.Finally，the position accuracies of LiDAR point clouds can be increased by setting check points to correct the point clouds.In addition，different check points setting approaches should be chosen according to different mapping precision.

mobile laser scanning measurement system；mobile measurement；LiDAR point cloud；check point correction

1672-8262（2016）04-65-03

P234.4

A

2016—03—09

周振明（1964—），男，高級工程師，注冊測繪師，主要從事測繪技術(shù)工作。

國家自然科學(xué)基金項目（41574006）