車載移動測量系統(tǒng)標定場的建設和精度評定

范冬麗，馬 松，劉 歡，唐 琴，楊 姝

(四川省安全科學技術研究院，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)字相機以及自動控制等設備，以實現(xiàn)對目標區(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、實時性強等顯著特點。近年來，車載移動測量技術己經(jīng)成為道路測量、街景地圖數(shù)據(jù)獲取、城市三維建模等領域的主要技術手段之一，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識，也缺乏相應的誤差模型，也沒有公認的標準的檢校方法[4，5]。在實際工程應用中，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)過嚴格的檢校。通過建立永久性的標定場，借助自制的特殊標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，進而完成系統(tǒng)的綜合精度評定。

1 系統(tǒng)標定場的建設

車載移動測量系統(tǒng)的最大測程可達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，其對應的標定場必定是一個大型的標定場，人工建設一個如此大型的標定場不太實際，因此在建立系統(tǒng)標定場的時候，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、交通標志等作為標定的控制點（圖1）。

圖1 系統(tǒng)標定場控制點示意圖

系統(tǒng)標定場的建立遵循以下原則：

（1）系統(tǒng)標定場應當建立在房屋有規(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?。?/p>

（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)標定場的已知特征控制點WGS84坐標通過RTK（徠卡GS14）控制測量和全站儀（徠卡TM50）測量方式進行。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；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定控制點的大地坐標。已建設完成的省安科院車載移動測量系統(tǒng)標定場如下圖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)標定場控制點坐標示意圖

采用檢校場進行車載移動測量系統(tǒng)綜合精度評定的優(yōu)點有：

（1）基準精度高。系統(tǒng)標定場中特征點的已知坐標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志圖案，標志點數(shù)量多、分布合理、特征顯著、方便特征提取。

（3）復用性好。系統(tǒng)標定場的功能和目的明確，用途單一，便于長期使用；系統(tǒng)標定場也可用作精度測試等質量控制的任務；基準固定，便于制定檢定和測試的流程、規(guī)范、標準等；相同的基準、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

為了科學準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備。具體數(shù)據(jù)采集主要過程如下：

（1）架設基準站

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

（2）車載移動測量系統(tǒng)初始化

為保證GPS數(shù)據(jù)的準確性，車載移動測量系統(tǒng)開機后，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，設置各項參數(shù)，點擊開始。掃描過程中，數(shù)據(jù)采集人員根據(jù)光線調節(jié)照片亮度，根據(jù)行車速度調節(jié)圖像框距離來保障車載獲取最佳影像數(shù)據(jù)。掃描車速不應高于70km/h，盡量保持勻速，遇紅燈應減緩車速但最好不要將車輛停止。路況較差時，應盡量保持車體平穩(wěn)。

（4）車載移動測量系統(tǒng)關閉

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，從而保障獲取的同時期的WSG84三維坐標。

2.2 數(shù)據(jù)處理

（1）數(shù)據(jù)預處理

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。需要進行基站GPS數(shù)據(jù)轉換成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)轉換成GPB格式、將轉換后的車載與基站GPS文件加載到新建工程文件中并進行校正、整合GPS與慣導數(shù)據(jù)、檢查數(shù)據(jù)質量和輸出軌跡文件。

（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個照相機內的圖片文件進行匹配并結合掃描數(shù)據(jù)生成三維點云。需要進行坐標系設置、解壓圖片并校正時間、將相機文件和軌跡文件進行匹配、將點云文件與軌跡文件進行匹配，最終生成三維點云，以las文件導出。

車載移動測量系統(tǒng)通過對系統(tǒng)標定場進行數(shù)據(jù)采集和處理，生成了系統(tǒng)標定場的三維點云。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)質量較好，能夠清晰地提取房屋窗口角點、路牌標識等，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坐標值作為真值，車載點云坐標相對于真值的X、Y、Z三個方向的中誤差值。

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

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，（xr,yr,zr）為特征點三維坐標，（σx, σy, σz）為車載測量系統(tǒng)三維的絕對精度。

在系統(tǒng)標定場中選擇了103個比較明顯的特征點進行絕對精度的評定，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、交通標志、井蓋、建筑物等線狀地物的長度或寬度的測量精度。在道路兩邊構建筑物及相關參數(shù)提取等應用領域，相對精度的獲取具有很重要的意義。

在系統(tǒng)標定場中，選擇具有明顯特征的線性構建筑物線段，如：窗口邊、路燈、交通標識牌、井蓋、斑馬線等等，利用全站儀測量出線段值作為基準值LRi。按照上文的方法，通過ArcGDS軟件提取系統(tǒng)標定場中對應目標線段的測量值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)標定場中選擇9段特征明顯的線段進行相對精度的評定，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 結論

通過建立永久性的系統(tǒng)標定場，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，利用傳統(tǒng)方法獲取這些特征點的高精度三維坐標和特征線的長度值作為基準值，通過與系統(tǒng)解算出來的特征點和特征線進行比較，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，為其在實踐中的應用提供重要的數(shù)據(jù)精度判定依據(jù)。