車載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)位置精度改善的研究

彭劍飛 方億鋒

（廣東省地質(zhì)局第七地質(zhì)大隊(duì)，廣東 惠州 516008）

1 引言

激光掃描系統(tǒng)能夠在高速移動(dòng)狀態(tài)下獲取道路以及道路兩側(cè)建筑物、樹木、交通標(biāo)牌等地物表面的精確三維信息，具有數(shù)據(jù)采集速度快、自動(dòng)化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富等傳統(tǒng)測(cè)繪手段無可比擬的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于提高測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)效率及自動(dòng)化水平具有十分重要的作用。

車載掃描系統(tǒng)通過非接觸的激光測(cè)距，高效獲取道路環(huán)境的高精度三維信息，在城市道路資產(chǎn)管理、高精度地圖、無人駕駛及農(nóng)、林業(yè)中有重要應(yīng)用，對(duì)獲取全息道路信息具有重要意義。 然而，城市樓房林立、城市綠化度越來越高，移動(dòng)測(cè)量車搭載的激光掃描儀在獲取三維激光點(diǎn)云時(shí)，由于GNSS 信號(hào)遮擋，IMU 漂移誤差積累嚴(yán)重，同一區(qū)域的重訪點(diǎn)云存在顯著的幾何偏差，點(diǎn)云的絕對(duì)位置精度也會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p失，大大影響了后續(xù)的語(yǔ)義信息提取與建模等實(shí)際應(yīng)用，因此，研究車載點(diǎn)云位置一致性改善與數(shù)據(jù)質(zhì)量改正十分必要[1]。

2 重訪點(diǎn)云數(shù)據(jù)位置一致性改善

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與解算

2.1.1 車載數(shù)據(jù)采集

車載激光掃描前的準(zhǔn)備工作通常包括設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)、測(cè)設(shè)基站、規(guī)劃行車路線、系統(tǒng)測(cè)試，選擇測(cè)區(qū)附近較為開闊的停車場(chǎng)，待設(shè)備安置完成后，開啟系統(tǒng)設(shè)備，測(cè)試全景相機(jī)拍照效果，在軟件中設(shè)置照片在平板電腦上的保存路徑，初始化時(shí)檢查平板中的GNSS、慣導(dǎo)，激光信號(hào)燈為綠色，GNSS 衛(wèi)星數(shù)量不宜小于10 顆，進(jìn)行靜止初始化，時(shí)長(zhǎng)超過5 分鐘。

2.1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算

在點(diǎn)云解算軟件中新建工程，選擇需要解算的工程文件夾和項(xiàng)目信息欄，導(dǎo)入POST 軌跡數(shù)據(jù)文件，在預(yù)處理中自定義點(diǎn)云解算中央子午線為項(xiàng)目所在地的中央子午線。解算工程文件夾一般存放在英文目錄文件夾。距離濾波值按照城市道路寬度酌情設(shè)置，至少能覆蓋人行道兩側(cè)，一般道路可設(shè)置為50 m。保存所有設(shè)置，在標(biāo)紅工程文件處刷新工程，點(diǎn)擊解算單個(gè)工程即可開始解算。

2.2 重訪區(qū)域獲取

重訪區(qū)域獲取是對(duì)采集的車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，獲得重疊點(diǎn)云區(qū)域，為重訪點(diǎn)云位置一致性改善提供數(shù)據(jù)支撐[2]。本文從車載掃描軌跡路線入手，將重訪點(diǎn)云區(qū)域的探測(cè)與獲取轉(zhuǎn)化為重疊軌跡獲取與重疊點(diǎn)云分段，首先通過軌跡獲取重疊區(qū)域點(diǎn)云。圖1 和圖2分別是某區(qū)域車載掃描的解算軌跡與解算點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

通過車載軌跡獲取重訪區(qū)域步驟如下：利用車載軌跡探測(cè)重訪區(qū)域，將搜索半徑設(shè)置為10 m，點(diǎn)云密度閾值設(shè)置為按照行車速度計(jì)算得到點(diǎn)云數(shù)量的1.3 倍。計(jì)算軌跡點(diǎn)10 m 內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)量，將點(diǎn)云數(shù)量與閾值進(jìn)行比較，大于閾值的軌跡點(diǎn)就是重訪區(qū)域軌跡點(diǎn)[3]。

探測(cè)出重訪區(qū)域后，部分車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)可能存在非剛性形變，因此需要對(duì)軌跡路線進(jìn)行點(diǎn)云分段[4]。主要包括三個(gè)過程 ：（1）基于加速度和角速度的分段點(diǎn)探測(cè)，將加速度閾值設(shè)為1.5 m/s，角速度閾值設(shè)為1000o/s。（2）重訪區(qū)域分段點(diǎn)孿生。分段點(diǎn)探測(cè)后，通過時(shí)間信息與航偏角獲取距離最近軌跡點(diǎn)，把最近軌跡點(diǎn)視為孿生分段點(diǎn)，以增加重訪區(qū)域的范圍。（3）分段點(diǎn)篩選。若分段點(diǎn)云過密，就篩選密集點(diǎn)云；若分段點(diǎn)云距離過遠(yuǎn)，則加密分段點(diǎn)云。將最大分段距離設(shè)為100 m，最小分段距離設(shè)為15 m，將分段后結(jié)果依次進(jìn)行點(diǎn)云解算，獲取重訪區(qū)域與點(diǎn)云分段[5]。

圖1 車載軌跡

圖2 車載點(diǎn)云

2.3 車載點(diǎn)云配準(zhǔn)

當(dāng)車載掃描點(diǎn)云含有對(duì)稱場(chǎng)景或者點(diǎn)云位置偏差較大時(shí)，配準(zhǔn)魯棒性較低。可以先通過粗分段進(jìn)行兩兩配準(zhǔn)，再通過細(xì)分段配準(zhǔn)解決此問題[6]。實(shí)驗(yàn)區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)結(jié)果如圖3 所示，其中重訪點(diǎn)云最大偏差可達(dá)到0.634 m，配準(zhǔn)后可減小至0.132 m。實(shí)驗(yàn)表明此方法可以改善重訪點(diǎn)云區(qū)域位置不一致的問題。

圖3 車載激光點(diǎn)云位置不一致性改善前后對(duì)比

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)絕對(duì)位置糾正

3.1 刺點(diǎn)糾正

根據(jù)獲得的高斯平面直角坐標(biāo)值和大地高，進(jìn)行坐標(biāo)文件格式處理，控制點(diǎn)文件格式如圖4 所示。文件說明：Datum=WGS84（坐標(biāo)系），1on_0=123（帶號(hào)），NUM=2648（控制點(diǎn)點(diǎn)數(shù)）。文件名為“非中文名.ctr”，文件放置于糾正軟件設(shè)置文件夾。

圖4 控制點(diǎn)文件格式

在糾正軟件中打開需糾正的項(xiàng)目，在擴(kuò)展功能菜單下選擇轉(zhuǎn)換成外存點(diǎn)云，選擇解算點(diǎn)云數(shù)據(jù)，選取線程數(shù)，點(diǎn)擊轉(zhuǎn)換外存點(diǎn)云，將原始點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為加載速度更快的外存點(diǎn)云。

在糾正軟件中直接從點(diǎn)云列表中逐個(gè)勾選點(diǎn)云，開始刺點(diǎn)。黃色顯示點(diǎn)為糾正控制點(diǎn)，首先確定點(diǎn)云中的點(diǎn)位（會(huì)顯示綠色點(diǎn)），接著輸入點(diǎn)名，就可以通過糾正同名特征點(diǎn)完成點(diǎn)云的整體糾正，刺點(diǎn)過程如圖5 所示。

圖5 刺點(diǎn)過程

3.2 精度檢查

在完成點(diǎn)云位置不一致性改善與絕對(duì)位置糾正后，針對(duì)處于絕對(duì)控制坐標(biāo)系下的車載點(diǎn)云，將外業(yè)控制點(diǎn)作為檢核點(diǎn)，進(jìn)行X、Y、Z三個(gè)方向上的位置精度檢查。

用檢驗(yàn)點(diǎn)在糾正后點(diǎn)云上進(jìn)行刺點(diǎn)，可自行選擇點(diǎn)云格式（解算點(diǎn)云、外存點(diǎn)云）進(jìn)行點(diǎn)云驗(yàn)證。導(dǎo)出控制點(diǎn)后，默認(rèn)文件夾目錄下生成的Excel 文件即為精度報(bào)告。導(dǎo)出控制點(diǎn)前注意將糾正時(shí)生成的糾正精度報(bào)告重命名，避免生成檢查精度報(bào)告時(shí)將其覆蓋。

檢查精度報(bào)表中的點(diǎn)云精度是否滿足項(xiàng)目要求。糾正后點(diǎn)云精度統(tǒng)計(jì)如表1 所示，可以看到，糾正后的點(diǎn)云平面精度達(dá)2.4 cm，高程精度達(dá)1.5 cm，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

表1 糾正后點(diǎn)云精度統(tǒng)計(jì)（m）

4 結(jié)論

本文研究在線路規(guī)劃重疊、GNSS 衛(wèi)星信號(hào)不好造成點(diǎn)云重影等的情況下，通過車載激光掃描得到了滿足實(shí)際生產(chǎn)需求的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用車載激光掃描對(duì)重訪區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，通過不同時(shí)相點(diǎn)云之間的匹配，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車載激光掃描點(diǎn)云的位置不一致問題的改正，同時(shí)保留了原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的全部信息，改善了點(diǎn)云重影、跳變等問題，提升了車載點(diǎn)云的相對(duì)精度和絕對(duì)精度。