免基站車載掃描測量系統(tǒng)在質(zhì)檢中的應(yīng)用

文政兵,毛明楷

(1. 廣東省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 廣東 廣州 510075; 2. 北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司,北京 100071)

近年來,大量的新技術(shù)應(yīng)用于4D測繪成果生產(chǎn),數(shù)據(jù)獲取速度與精度有了明顯的提升。隨著政府、社會群體對地理信息數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性的要求進(jìn)一步提高,每年獲取一次的地理信息數(shù)據(jù)已無法滿足其需求,地理信息數(shù)據(jù)正逐漸向每季度獲取一次甚至是每月獲取一次的方向發(fā)展,這必將對測繪產(chǎn)品的質(zhì)量檢測提出更高的要求。隨著激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展,車載激光掃描測量技術(shù)在地理信息數(shù)據(jù)獲取及測繪產(chǎn)品的質(zhì)檢等方面都發(fā)揮了越來越重要的作用,如今已成為測繪界最為前沿的科技之一,是近年來快速發(fā)展的一種新型集成高效的測量系統(tǒng)[1-3]。該技術(shù)在道路改擴(kuò)建、地形測量、三維建模、部件測量等領(lǐng)域也得到了廣泛深入的研究和應(yīng)用,并且在測繪產(chǎn)品質(zhì)量檢測方面的應(yīng)用也越來越多[4-16]。

目前車載激光掃描測量技術(shù)數(shù)據(jù)獲取的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)主要還是在WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)下,并且在數(shù)據(jù)采集時需要架設(shè)基準(zhǔn)站,進(jìn)行數(shù)據(jù)后差分解算軌跡,并需要配置基站守護(hù)人員,設(shè)備初始化作業(yè)前和結(jié)束后需要去接送基站與守護(hù)人員,在數(shù)據(jù)采集時要限定在基站附近一定范圍內(nèi),這將耗費(fèi)較大的人力成本。因此亟須研究一種免基站掃描技術(shù)可進(jìn)一步提高效率,以減少人力和采集時間。國內(nèi)外學(xué)者主要研究使用CORS站代替人工架設(shè)的基準(zhǔn)站或采用虛擬基準(zhǔn)站技術(shù)。本文在移動激光掃描測量系統(tǒng)上配置RTK模塊代替人工架設(shè)基準(zhǔn)站,其核心目的是最終獲取的軌跡與人工架設(shè)基站獲取的軌跡精度相當(dāng)。具體技術(shù)方案為:首先采用精密單點(diǎn)定位(PPP)的方式獲取初步的WGS-84平面坐標(biāo)、大地高的初步軌跡成果;然后利用RTK模塊連接廣東CORS(GDCORS)站,實(shí)時輸出固定解的CGCS2000坐標(biāo)和1985國家高程,采用時間同步和基于RTK模塊與系統(tǒng)接收機(jī)天線相位中心偏心標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)對匹配,不再需要測區(qū)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)對,求出平面轉(zhuǎn)換參數(shù)和高程擬合參數(shù),把初步軌跡成果轉(zhuǎn)換為CGCS2000坐標(biāo)和1985國家高程;最后利用RTK模塊獲取的固定解對轉(zhuǎn)換后的軌跡進(jìn)行修正,獲得生產(chǎn)點(diǎn)云成果的最終軌跡成果,并對基于CORS基站技術(shù)的移動激光掃描測量數(shù)據(jù)與外業(yè)RTK測量數(shù)據(jù)進(jìn)行精度比對,驗(yàn)證其精度并分析應(yīng)用的可靠性。

1 技術(shù)研究思路

首先根據(jù)需求對硬件設(shè)備進(jìn)行改裝,在掃描車車頂適當(dāng)固定位置加裝流動站,利用標(biāo)定軟件標(biāo)定加裝設(shè)備的偏心量;其次分別采用免基站和傳統(tǒng)RTK方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,同時進(jìn)行數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā);然后利用數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行軌跡修正,生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果;最后利用RTK采集的平高檢查點(diǎn)及免基站方式提取的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平高精度驗(yàn)證分析。具體研發(fā)技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 免基站研發(fā)技術(shù)路線

2 系統(tǒng)改裝與軟件研發(fā)

2.1 SSW系統(tǒng)介紹

車載掃描系統(tǒng)定位誤差主要包括:激光掃描測距測角誤差、系統(tǒng)集成誤差、POS定姿定位誤差。激光掃描測距測角誤差主要包括儀器誤差和環(huán)境誤差兩類。系統(tǒng)集成誤差主要包括傳感器安置誤差、時間同步誤差、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換誤差。POS定姿定位誤差主要包括GNSS動態(tài)定位誤差和INS姿態(tài)測量誤差。其中,GNSS動態(tài)定位誤差主要包括接收機(jī)鐘誤差、多路徑效應(yīng)、衛(wèi)星鐘鐘差、星歷誤差、整周模糊度求解誤差、大氣電離層誤差,觀測噪聲;INS姿態(tài)測量誤差主要包括元件誤差、安裝誤差、原理誤差、外干擾誤差。

本文采用的是SSW車載激光建模測量系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行了相應(yīng)的軟硬件改裝。SSW車載激光建模測量系統(tǒng)由中國測繪科學(xué)研究院、北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司、首都師范大學(xué)三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作研發(fā),目前已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)、推廣應(yīng)用,是國內(nèi)外水平較高的面向全息三維建模的測量型移動測量系統(tǒng)。系統(tǒng)由激光掃描儀、IMU、GNSS、全景相機(jī)、里程計、電源等主要傳感器硬件通過嚴(yán)密的機(jī)械和數(shù)據(jù)集合而成。

針對激光掃描測距測角誤差和系統(tǒng)集成誤差,SSW車載掃描系統(tǒng)在出廠前分別進(jìn)行了嚴(yán)密的標(biāo)定,包括激光掃描儀的距離和角度標(biāo)定、IMU標(biāo)定、綜合參數(shù)精確標(biāo)定。針對POS定姿定位誤差,SSW車載掃描系統(tǒng)采用中國航天33所研發(fā)的POSAF50,并經(jīng)過精密的安裝、測試、標(biāo)定等。該系統(tǒng)經(jīng)過嚴(yán)密的標(biāo)定之后,在GNSS信號完好的情況下的測試結(jié)果驗(yàn)證了以上影響因素對點(diǎn)云精度的影響也較小,可以忽略不計。

GNSS動態(tài)定位誤差對獲取點(diǎn)云的精度有直接的影響,但從GNSS后差分處理結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),在隧道及高樓林立區(qū),解算軌跡缺失;通過與IMU的組合結(jié)果分析,在短時間內(nèi)其組合結(jié)果影響較小,在長時間信號丟失或不佳的情況下解算軌跡會出現(xiàn)偏移、突變等情況,其最終的點(diǎn)云驗(yàn)證結(jié)果也與該結(jié)論相符。

綜上所述,點(diǎn)云成果誤差主要來源于GNSS信號缺失或不佳,加裝RTK模塊對軌跡進(jìn)行修正能有效地改善最終點(diǎn)云成果的精度。對于超過10 min以上無法接收信號地區(qū),不僅 RTK模塊無法接收信號,IMU也由于長時間誤差積累導(dǎo)致軌跡局部偏離而失真,此類情況下可以適當(dāng)在開始、結(jié)束位置及中間區(qū)域間隔一定距離布置控制點(diǎn),對局部數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量及完整性。

2.2 SSW車載掃描系統(tǒng)硬件改裝

在原有的SSW系統(tǒng)上配置基于CORS數(shù)據(jù)的采集模塊,安裝在系統(tǒng)主體平臺正前方,模塊連接GDCORS網(wǎng),采樣頻率設(shè)置為1 s,配置端口,輸出CGCS2000坐標(biāo)與1985國家高程;基于與原系統(tǒng)保持剛性連接的原則對系統(tǒng)集成加工,避免傳感器間遮擋及信號遮擋。傳感器間安置偏差直接影響數(shù)據(jù)精度,設(shè)計以下方案獲取相應(yīng)的偏差修正參數(shù)。首先采用全站儀測量RTK模塊相位中心相對于系統(tǒng)接收機(jī)天線相位中心偏心量坐標(biāo)(Δx,Δy,Δz),取測量值為偏差修正參數(shù)初值,然后利用掃描檢校場的方法精化直接量測的參數(shù)。改裝效果如圖2所示。

圖2 改裝效果

檢校場參數(shù)精化:系統(tǒng)往返掃描檢校場后,量取往返掃點(diǎn)云數(shù)據(jù)中同一目標(biāo)地物特征點(diǎn)的坐標(biāo),將其構(gòu)成測量點(diǎn)對,建立誤差方程式,迭代求取參數(shù),實(shí)現(xiàn)相對外方位元素的高精度標(biāo)定;同時利用同一物體在往返掃點(diǎn)云中桿狀地物關(guān)系(平行或重合)對以上參數(shù)進(jìn)行微調(diào),獲取更加準(zhǔn)確的參數(shù)。通過該方法對系統(tǒng)的參數(shù)精化,進(jìn)而確保數(shù)據(jù)量測的精度。軟件標(biāo)定界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)標(biāo)定軟件

系統(tǒng)改裝完成后,對系統(tǒng)自身精度進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證,在標(biāo)定場已知控制點(diǎn)上面布設(shè)標(biāo)靶,與點(diǎn)云中提取的同名點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對比,參照SSW系統(tǒng)出廠標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)精度滿足平面、高程中誤差均不大于2 cm時,認(rèn)定為滿足要求,標(biāo)靶布設(shè)如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 系統(tǒng)改裝精度測試

圖4 標(biāo)靶布設(shè)

3 方案驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)區(qū)選取

選取的試驗(yàn)區(qū)分別為肇慶地區(qū)15塊樣本中的塊7、塊5、塊2、塊3、塊4。其中,塊7和塊5主要為城市道路;塊2有一半城市道路,一半山路;塊3、塊4主要為山路。試驗(yàn)區(qū)地形涵蓋了整個肇慶測區(qū)的所有地形,具有代表性,每塊覆蓋面積為30 km2,分布如圖5所示。

3.2 數(shù)據(jù)獲取與后處理

首先使用改裝后SSW車載掃描系統(tǒng)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集,主要分為7個步驟:準(zhǔn)備工作、路徑規(guī)劃、GNSS基站布設(shè)(為了對利用GNSS RTK基準(zhǔn)站獲取數(shù)據(jù)和利用CORS技術(shù)免基站獲取數(shù)據(jù)兩種方式進(jìn)行比較,在數(shù)據(jù)外業(yè)采集中同時采用這兩種方式)、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、設(shè)備初始化、行車掃描、設(shè)備結(jié)束化。內(nèi)業(yè)處理的目的是從解算出來的點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)中提取地面點(diǎn)成果、目標(biāo)坐標(biāo)成果,用于和外業(yè)采集的檢查點(diǎn)成果進(jìn)行精度驗(yàn)證。

3.3 精度統(tǒng)計分析

從肇慶地區(qū)15塊樣本中選擇5塊,采用改裝后的設(shè)備進(jìn)行采集試驗(yàn),并用傳統(tǒng)的RTK及全站儀方案采集平高檢查點(diǎn),導(dǎo)入到點(diǎn)云成果中,進(jìn)行測繪成果同名點(diǎn)匹配和精度驗(yàn)證分析,同時生成精度統(tǒng)計報告。

3.3.1 點(diǎn)云位置精度檢測與分析

根據(jù)項(xiàng)目要求,對車載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果的絕對精度和相對精度進(jìn)行驗(yàn)證,以衡量本文免基站車載掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)精度。

為準(zhǔn)確而有效地選擇檢測目標(biāo)點(diǎn),將外業(yè)實(shí)測數(shù)據(jù)展點(diǎn)在樣本圖中;同時根據(jù)外業(yè)測點(diǎn)時對實(shí)測點(diǎn)點(diǎn)位的描述信息,利用點(diǎn)云編輯軟件進(jìn)行特征點(diǎn)的選取和采集。

根據(jù)《測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》(GB/T 24356—2033)的規(guī)定,采用高精度數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢測時,中誤差計算公式為

式中,n為檢測點(diǎn)(邊)個數(shù);Δi為較差。塊7平面高程檢查點(diǎn)分布如圖6所示。

圖6 塊7檢查點(diǎn)分布

3.3.2 平面位置誤差統(tǒng)計

在5個樣本區(qū)域內(nèi)用GNSS RTK或全站儀采集215個平面檢測點(diǎn)與車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的同名點(diǎn)進(jìn)行精度比對,得出平面位置精度統(tǒng)計結(jié)果(見表2,已剔除掉無GNSS信號點(diǎn)位)。檢測中誤差≤10 cm的有4塊,占80%;在10～20 cm之間的有1塊,占20%。5塊全部<25 cm,滿足《城市測量規(guī)范》(CJJ 8—2011)中1∶500地形圖平面精度限差要求。

表2 平面位置誤差統(tǒng)計

3.3.3 高程位置誤差統(tǒng)計

在5個樣本區(qū)域內(nèi)用GNSS RTK或全站儀采集209個高程檢測點(diǎn)與車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的同名高程進(jìn)行精度比對,得出高程精度統(tǒng)計結(jié)果(見表3)。5塊掃描區(qū)域點(diǎn)云高程精度檢測中誤差≤10 cm的有3塊,占60%;>10 cm且<15 cm的有2塊,占40%。滿足《城市測量規(guī)范》(CJJ 8—2011)中1∶500地形圖高程精度限差要求。

表3 高程精度誤差統(tǒng)計

3.3.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果精度評價及應(yīng)用范圍評估

根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)平面、高程中誤差統(tǒng)計結(jié)果分析,本次免基站方式獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果的平面和高程精度能夠達(dá)到優(yōu)于1∶1000比例尺地形圖成果(平地)的平面和高程精度要求。說明在GDCORS信號良好的情況下,能獲得精度良好的固定解數(shù)據(jù),能夠?qū)軉吸c(diǎn)解算的軌跡進(jìn)行有效的修正,從而最終獲取的點(diǎn)云成果可以用于檢測≤1∶2000比例尺精度要求的4D基礎(chǔ)測繪成果。

3.3.5 點(diǎn)云提取點(diǎn)用于檢查樣本區(qū)高精度DEM成果、DOM成果

在確定點(diǎn)云數(shù)據(jù)可靠性后應(yīng)用自動提取功能提取點(diǎn)云高程檢測點(diǎn)對“2018—2019年肇慶數(shù)字高程模型更新”項(xiàng)目成果進(jìn)行檢驗(yàn),得出以下高程精度統(tǒng)計結(jié)果:肇慶5塊點(diǎn)云提取點(diǎn)與DEM成果對比全部滿足中誤差限差50 cm的要求,檢測中誤差≤10 cm的有2組,占40%,在10～20 cm之間的有3組,占60%。

自動提取平面檢測點(diǎn)對“廣東省2019—2020年優(yōu)于0.2 m分辨率航空遙感影像DOM制作項(xiàng)目”成果進(jìn)行檢驗(yàn),得出其平面精度統(tǒng)計結(jié)果:肇慶5塊點(diǎn)云提取點(diǎn)與DOM成果對比全部滿足中誤差1.2 m的要求,檢測中誤差≤30 cm的有2組,占40%,在30～40 cm之間的有3組,占60%。

4 效率對比分析

免基站在采集效率和時間成本上有較大的優(yōu)勢,數(shù)學(xué)精度方面都能滿足1∶2000質(zhì)量檢查的需要;另外免基站模式對于有基于CORS模塊采集到固定解RTK點(diǎn)位200 m以內(nèi)的點(diǎn)云精度一般更高,都能在10 cm以內(nèi)(后期需要進(jìn)一步大量試驗(yàn)驗(yàn)證)。外業(yè)采集效率上人員可以減少基站守護(hù)人員,前期準(zhǔn)備工作量大大減少,可直接獲得地方坐標(biāo)數(shù)據(jù)。時間上可以扣除控制點(diǎn)布設(shè)時間,各個基站接送等待時間,有大量富余時間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,將這些折合成數(shù)據(jù)采集量和數(shù)據(jù)處理量。表4為兩種作業(yè)模式效率對比分析。經(jīng)統(tǒng)計計算,在同一工程任務(wù)的情況下,與架設(shè)基站采集模式相比,采用免基站模式在人員外業(yè)時間減少約50%;在專業(yè)技術(shù)人員(不計算司機(jī))數(shù)量上減少約50%;在工作效率上提高了50%,在成本(包括人力成本、時間成本)上節(jié)省了約60%。

表4 效率對比分析

5 結(jié) 語

通過對5塊樣本區(qū)的研究測試表明,本文提出的免基站車載掃描系統(tǒng)方式所采集的數(shù)據(jù)相對精度、絕對精度都具有穩(wěn)定性和可靠性,點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過自動或人工提取后的檢測數(shù)據(jù)完全可以用于1∶2000比例尺精度的4D基礎(chǔ)測繪成果檢驗(yàn),具有很高的實(shí)用性。一方面最終形成了車載激光掃描測量系統(tǒng)免基站采集方案與工藝流程,很大程度上提高了車載掃描的效率,大大降低了人工成本;另一方面通過本文研究成果工藝流程大大提高了質(zhì)檢工作效率,加快完善建立基礎(chǔ)測繪質(zhì)檢數(shù)據(jù)庫。本文為實(shí)現(xiàn)高效質(zhì)檢、智能質(zhì)檢提供了數(shù)據(jù)保證,對更好地服務(wù)自然資源管理具有重要意義。