GNSS失鎖時車載激光掃描點云精度提高方法研究

趙 祥

(浙江省測繪科學技術研究院,杭州 310030)

隨著空間信息技術的不斷發展,城市智能化程度也在不斷提高。智慧城市建設的意義在于,可以提升城市競爭力,推動城市可持續發展。對于城市三維信息數據的獲取,傳統方式(如全站儀、水準儀等)不僅耗時耗力,而且難以反映城市細節的三維信息特征。車載激光掃描系統可高效、快捷、準確獲取空間三維信息,已經成為信息化城市建設中重要的數據采集方式。車載激光掃描系統由多個子系統組成,其中,車載軌跡姿態主要通過POS數據、慣性導航IMU、GNSS接收機進行控制。對于車載激光掃描系統來說,在無信號遮擋、GNSS接收衛星數據良好的情況下,能夠達到厘米級的精度。但是在實際工程應用中,難免因信號遮擋造成GNSS失鎖等問題[1]。

為提高車載掃描系統GNSS失鎖后的點云精度,已有學者開展相關研究,段龍飛等通過實驗,發現增加控制點可以提高失鎖時點云精度[2];王永紅等以折線形式布設控制網,認為每400m布設1個控制點可有效提高車載掃描系統GNSS失鎖時的點云精度[3]。為進一步深入研究GNSS失鎖下控制點采集密度、布設形式對點云精度的影響,將車載激光掃描系統置于真實GNSS信號失鎖環境中進行實驗與分析,以期為實際工程中車載掃描系統GNSS信號失鎖時點云精度的改善提供參考方法。

1 車載激光掃描系統

車載激光掃描技術是一種將激光雷達(Lidar)、GNSS接收機、慣性測量系統(INS)、全景相機以及控制系統等搭載在機動車或非機動車等運動平臺上,通過對道路及其兩側的掃描來記錄目標的位置和反射強度等信息,以獲取地理實體的三維數據的空間信息技術[4],車載激光掃描原理見圖1。

圖1 車載激光掃描

一般情況下,車載移動掃描系統包括4個部分:移動平臺、定位定姿、數據采集與數據處理。其中,數據采集部分由多鏡頭相機與激光掃描頭組成,主要作用為獲取環境地物的紋理信息與幾何信息等;定位定姿部分主要由慣性測量系統IMU和里程計、GNSS接收機組成,用于獲取移動平臺瞬時的空間位置;數據處理部分主要包含車載軌跡結算、點云數據解算的軟硬件等[5]。

2 實驗實施與分析

2.1 儀器介紹

AS900車載激光掃描系統主要包括控制系統、供電系統、全景照片采集系統、慣性導航系統、GNSS接收機系統、激光掃描系統與車載平臺。車載激光掃描系統見圖2。

圖2 車載激光掃描系統

該車載激光掃描系統可以采集獲取環境中地理要素的大地坐標(B、L、H)與反射強度,并且全景照片系統可提供地理要素豐富的紋理與色彩信息,與點云配準后,可生成高質量彩色點云數據。

2.2 實驗設計

當車載激光掃描系統失鎖的時間達到50s時,采集得到的點云數據無法滿足項目生產所需精度要求[6]。為準確反映失鎖狀態下不同網形控制點校正后點云精度的差異,將車載激光掃描的失鎖時間設置為大于50s。在失鎖路段布設不同控制點網形,分別按照直線、雙直線、折線,每100,300,500m布設1個控制點,使用“GPS-RTK”技術采集車載點云數據中較為明顯的特征點三維坐標信息,控制點布設網形見圖3。

圖3 控制點布設網形

2.3 車載數據采集

車載激光掃描前準備工作通常包括:設計技術參數、測設基站、規劃行車路線、系統測試[7]。(1)選擇實驗區附近較為開闊的停車場,待設備安置完成后,開啟系統設備,測試全景相機拍照效果并在軟件中設置照片在平板電腦上的保存路徑;初始化時,檢查平板中GNSS、慣導、和激光信號,GNSS 衛星數量不宜小于10 顆[8],然后進行靜止初始化,時長超過5min;(2)靜止初始化完成后,行駛出停車場,進入實驗區前需要進行動態初始化,至少應包括一段直線和兩次拐彎;(3)完成動態初始化后,在進入實驗區域前開啟激光雷達進行掃描,同時全景相機將自動觸發開啟,采集過程中不宜與大車并行,行駛速度應滿足點云密度要求,以不超過30km/h的車行速度進行數據采集[9];(4)進入試驗區后,使用控制平板并關閉GNSS接收機,駛出試驗區后開啟GNSS接收機。使車載系統在實驗區采集數據時完全靠慣導系統進行點云位置獲取[10]。

2.4 車載數據處理

(1)車載軌跡解算

通過Inertial Explorer進行點云數據解算,首先將基站觀測處理得到的RINEX數據和移動站數據轉換成GPB數據[11];新建工程并保存到車次數據結構目錄POST文件夾下,在工程向導中加載移動站(ROVER)GPB數據、IMU數據以及DMI數據;加載基站(BASE)GPB數據。利用軟件進行基站與移動站數據緊耦合解算出車次POST文件[12]。

(2)點云數據解算

在點云解算軟件中,選擇需要解算的工程文件夾,選擇項目信息欄,導入POST軌跡數據文件,定義解算點云的中央子午線,距離濾波值按照城市道路寬度選取(設置至少覆蓋人行道兩側,一般道路可設置為50m)。保存所有設置,點擊解算單個工程即可開始解算。通過車載軌跡解算、點云解算后得到的車載點云數據見圖4。

圖4 實驗區點云數據

2.5 特征點數據采集

為驗證不同校正控制點布設對點云精度提高的影響,需將整體點云數據進行絕對位置校正。較為清晰的控制點可通過GPS-RTK進行同名點三維坐標采集,同時采集校正控制點與檢驗控制點。檢驗控制點應插空布設在校正控制點之間,校正點和檢驗點的命名要區分開,以免后續使用時混淆。校正控制點和檢驗控制點宜選取具有一定寬度和長度的道路標線(如停車線、標識、分隔線外角等),外業控制點采集見圖5。

圖5 利用CPS-RTK進行外業控制點采集

將外業測量所獲得的校正控制點和檢驗控制點的三維坐標轉換為對應的WGS84坐標系下經緯度坐標和大地高值,再將對應的經緯度坐標按照高斯投影歸算到123°帶的高斯平面直角坐標系中,即可得到可用于刺點校正或精度檢查的坐標形式。

2.6 點云數據校正

根據獲得的高斯平面直角坐標值和大地高值進行坐標文件格式處理,形成控制點文件,將文件放置于校正軟件設置文件夾中。在校正軟件中打開需校正的項目,再將原始點云選擇轉換成加載速度更快的外存點云。在校正軟件中直接從點云列表中進行逐個勾選點云,開始刺點,通過校正同名特征點完成點云的整體校正。

2.7 精度統計與分析

按照同精度檢測的方法,通過在點云上同名點刺點進行校正后點云精度檢驗[13-15],同名點點云軸向誤差計算公式為

式中,(X,Y,Z)為利用RTK測量得到的檢查點三維坐標;(x′,y′,z′)為點云中的檢驗點同名點。

中誤差公式為

式中,Δ為真值與測量值的差值;n為檢驗點個數。

平面中誤差σS可表示為

式中,σx為x軸中誤差;σy為y軸中誤差。

表1為每100m布設1個校正控制點后,校正后的點云檢驗誤差;表2為每300m布設1個校正控制點后,校正后的點云檢驗誤差;表3為每500m布設1個校正控制點后,校正后的點云檢驗誤差。

表1 100m不同網形控制點校正后點云精度 m

表2 300m不同網形控制點校正后點云精度 m

表3 500m不同網形控制點校正后點云精度 m

由表1可知,車載激光掃描系統在失鎖狀態下的點云平面精度與高程精度均較低,并且高程精度明顯大于平面精度。每100m布設1個控制點時,通過不同網形控制點進行點云校正后,點云的精度都有大幅度提高,其中高程中誤差從0.1044m變化至0.0282m,平面中誤差從0.5658m變化至0.096m。通過3種網形校正后,折線網形的點云平面精度最低,直線網形點云平面精度最高,折線網形高程精度最低,雙直線網形高程精度最高,其中雙直線網形與直線網形的高程精度基本一致,相差僅0.0046m。

由表2可知,在每300m布設1個控制點時,經過3種控制點網形校正后的點云數據精度都有所提高,平面精度較高程精度提升更大,從0.5658m變化至0.1218m。點云校正后,直線網形的平面精度最低,折線網形的平面精度最高,同時折線網形的高程精度最低,直線網形的高程精度最高。

由表3可知,每500m布設1個控制點時, 3種校正后的點云數據精度都有一定程度提高,但是提高的幅度較小。平面精度從0.5658m最高提升至0.2110m,此時3種網形的平面精度較為一致,折線網形的高程精度最低,直線網形的高程精度最高。

3種網形點云校正后的點云數據精度見圖6。通過表1～表3與圖6可知,經過控制點校正后的點云數據精度都有所提高,特別是平面精度提高幅度最大。在控制點布設間距一致時,雙直線網形與直線網形的控制點校正點云數據效果都較好,得到的點云數據精度較高。同一種控制點布設網形下,校正后的點云精度隨著控制點密度的增加而提高。3種網形布設控制點進行點云校正后,點云精度會隨著控制點密度的減小而逐步趨于一致。

圖6 校正后的點云精度

點云校正是通過將軌跡進行切割,通過每段內控制點計算該段內的軌跡校正參數。當只有車行軌跡一側有控制點時,此時只會對X、Y、Z三軸的誤差進行校正(如直線網形);當車行軌跡兩側都有控制點時,此時不僅可以對三軸誤差進行校正,還可校正車載過程中的姿態誤差(如折線網形和雙直線網形)。雙直線網形與直線網形校正后結果基本相同,表明在短時間失鎖時,車載系統仍能夠獲取準確的姿態數據。因此,針對車載系統的短時間失鎖,使用直線網形布設控制點的方式進行點云數據校正可達到要求。

3 結論

在車載激光掃描GNSS系統失鎖下,分析不同控制網形布設控制點對校正后點云精度的影響。車載掃描系統經過實驗區時,關閉GNSS接收裝置,使車載系統僅靠慣性導航系統并進行車載軌跡獲取。實驗表明,車載系統在GNSS失鎖狀態下的點云精度較低,通過布設控制點進行點云數據校正,可以明顯提高點云數據精度,并且點云精度隨著控制點布設密度的增加而提高。比較3種控制點布設網形的點云精度,可知直線網形較其他2種網形,能更直接地提高點云精度,且布設方法簡單。在實際生產過程中,如果車輛經過信號遮擋區域導致GNSS失鎖時,建議以直線方式每100m布設1個控制點,以提高車載點云數據精度。