融合定位及三維激光掃描技術(shù)獲取地下空間數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究

李照永，侯至群，何江龍，陳厚元

(昆明市城市地下空間規(guī)劃管理辦公室，云南 昆明 650041)

1 引 言

針對(duì)城市地下空間的三維信息獲取，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)手段工作的效率低、人工成本高、細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)獲取困難、三維數(shù)據(jù)需要后期轉(zhuǎn)化、普查成果資料的后期深度利用與潛在價(jià)值的挖掘較困難。為了有效拓展地下空間數(shù)據(jù)內(nèi)容、提高數(shù)據(jù)獲取效率；探索一種高效、高精度、全要素的地下空間三維信息獲取方案成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)[1]。

室內(nèi)空間下的定位和授時(shí)長(zhǎng)期以來是世界性的技術(shù)難題，GNSS導(dǎo)航定位不適合在室內(nèi)空間下或高樓密集區(qū)作業(yè)；IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)通過積分獲得自身的軌跡，短距離精度高，隨著距離增長(zhǎng)積分產(chǎn)生的誤差增大，SLAM技術(shù)在特征信息豐富的場(chǎng)景，易于測(cè)量，適合建筑物密集的城市中心或地下空間場(chǎng)景。而地下空間信息往往與地面存在連接，不但要獲取地面連接部分，同時(shí)還需要獲取地下部分，所以：GNSS & IMU & SLAM融合定位導(dǎo)航，三者可以互補(bǔ)，結(jié)合當(dāng)前較成熟的三維激光掃描技術(shù)是獲取地下空間數(shù)據(jù)的理想方案。廣大研究者及各大測(cè)繪及相關(guān)設(shè)備研發(fā)機(jī)構(gòu)也在積極進(jìn)行此類研究，但成熟穩(wěn)定的解決方案仍然甚少。截至目前，在GNSS & IMU & SLAM高度融合集成技術(shù)上，Pegasus：Backpack移動(dòng)背包掃描系統(tǒng)仍然處于領(lǐng)先地位，作為一項(xiàng)高新技術(shù)的出現(xiàn)，由于設(shè)備系統(tǒng)的在場(chǎng)景應(yīng)用時(shí)要求背負(fù)作業(yè)人員結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的運(yùn)行，對(duì)作業(yè)人員實(shí)時(shí)分析場(chǎng)景情況有較高的技術(shù)要求，加之價(jià)格昂貴、國(guó)內(nèi)保有數(shù)量稀少，導(dǎo)致應(yīng)用水平無突破，主要應(yīng)用于地面相關(guān)工作中，地下或室內(nèi)應(yīng)用成熟方案甚少。項(xiàng)目分別通過實(shí)例研究了系統(tǒng)在地下空間數(shù)據(jù)獲取過程中的關(guān)鍵工作要點(diǎn)、影響因素及優(yōu)化措施、點(diǎn)云數(shù)據(jù)紊亂及分層現(xiàn)象的處理方法等。

2 系統(tǒng)原理及核心技術(shù)

2.1 系統(tǒng)原理

Pegasus：Backpack移動(dòng)背包掃描系統(tǒng)集成了定位定姿系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，高度集成融合了GNSS & IMU & SLAM技術(shù)，系統(tǒng)配置了5個(gè)相機(jī)和2個(gè)三維激光掃描儀，將測(cè)量軌跡與三維點(diǎn)云、全景照片融合起來[2]，可生成指定空間坐標(biāo)系統(tǒng)的三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可應(yīng)用于GIS信息的提取、模型設(shè)計(jì)等方面，還可在全景影像上進(jìn)行測(cè)量、提取地物特征等操作。

2.2 GNSS技術(shù)

目前國(guó)際上可用的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(GNSS)有：美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國(guó)的北斗(COMPASS)、歐洲的GALILEO。隨著四大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展[3]，特別是北斗進(jìn)入全面組網(wǎng)建設(shè)階段，使得GNSS多星座組合導(dǎo)航定位技術(shù)得到較快發(fā)展，研究使用的掃描系統(tǒng)，充分利用了多星座組合導(dǎo)航定位信息，內(nèi)置了各星座坐標(biāo)框架和時(shí)間系統(tǒng)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換模塊及方法，實(shí)現(xiàn)了多星座組合導(dǎo)航定位功能[4]。

各大衛(wèi)星系統(tǒng)的導(dǎo)航定位原理基本相近，即：通過衛(wèi)星的星空位置、衛(wèi)星與GNSS接收機(jī)間的空間距離，采用空間后方交會(huì)方法得到接收機(jī)位置[5]。要實(shí)現(xiàn)這一目的，可以在衛(wèi)星星歷中查出星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間結(jié)合衛(wèi)星軌跡求出衛(wèi)星的星空位置[6]，再依據(jù)衛(wèi)星信號(hào)傳播至接收機(jī)的時(shí)間即信號(hào)傳播速度得到GNSS接收機(jī)到衛(wèi)星的空間距離[7]，由于信號(hào)傳播過程受電離層、對(duì)流層等相關(guān)因素干擾及衛(wèi)星和接收機(jī)鐘差影響，所求的這一距離并不是接收機(jī)與衛(wèi)星之間的準(zhǔn)確空間距離[8]，我們通常稱為偽距。通常要求接收不少于4顆衛(wèi)星的信號(hào)來計(jì)算求取GNSS接收機(jī)更為準(zhǔn)確可靠的位置信息，以消除衛(wèi)星及接收機(jī)鐘差等相關(guān)因素影響，通過建立電離層、對(duì)流層改正模型減弱對(duì)空間距離的影響，多星座組合導(dǎo)航定位功能有效增加了衛(wèi)星數(shù)量，并很好地增強(qiáng)了衛(wèi)星星座的幾何圖形強(qiáng)度。

2.3 INS技術(shù)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System)，即INS技術(shù)是一種利用陀螺和加速度計(jì)測(cè)量載體角運(yùn)動(dòng)和線運(yùn)動(dòng)[9]，經(jīng)過積分運(yùn)算求出載體瞬時(shí)姿態(tài)、速度和位置的導(dǎo)航技術(shù)[10]。它完全依靠自身的敏感器件完成導(dǎo)航任務(wù)，無須依賴任何外界信息，也不向外輻射任何能量[11]，是一種完全自主的導(dǎo)航系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)更新率高、短期精度高和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)[12]。慣性導(dǎo)航體系歸于推算導(dǎo)航方法，即從一已知點(diǎn)的方位依據(jù)連續(xù)測(cè)得的運(yùn)動(dòng)體航向角和速度推算出其下一點(diǎn)的方位[13]，因而可連續(xù)測(cè)出運(yùn)動(dòng)體的當(dāng)前方位。

慣性測(cè)量單元簡(jiǎn)稱IMU，是測(cè)量物體三軸姿態(tài)角(角速率)及加速度的裝置。陀螺儀和加速度計(jì)，是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心裝置[14]。借助內(nèi)置的加速度傳感器和陀螺儀，IMU可測(cè)量來自三個(gè)方向的線性加速度和旋轉(zhuǎn)角速率，通過解算可獲得載體的姿態(tài)、速度和位移等信息。系統(tǒng)集成融合了GNSS、INS技術(shù)，形成組合導(dǎo)航模式[15]。

2.4 SLAM技術(shù)

SLAM技術(shù)(Simultaneous Location And Mapping)，最早由Hugh Durrant-Whyte和John J.Leonard提出，又稱為實(shí)時(shí)定位與地圖構(gòu)建，一般包括：特征提取、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、狀態(tài)估計(jì)、狀態(tài)更新、特征更新等部分內(nèi)容，主要解決自身的實(shí)時(shí)定位與地圖構(gòu)建問題。理論模型如圖1所示，當(dāng)設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)傳感器對(duì)空間位置的變化進(jìn)行感知與觀測(cè)[16]，實(shí)時(shí)將特征點(diǎn)位置、系統(tǒng)移動(dòng)距離及向前移動(dòng)觀測(cè)所得的特征點(diǎn)空間位置相結(jié)合，得到系統(tǒng)瞬時(shí)位置與所處環(huán)境信息。實(shí)現(xiàn)了在無GNSS信號(hào)的環(huán)境下進(jìn)行位置測(cè)量，將它與移動(dòng)測(cè)量相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)景特征復(fù)雜的環(huán)境下地理信息數(shù)據(jù)的獲取。在地下空間數(shù)據(jù)的獲取工作中較為適用。

圖1 SLAM技術(shù)理論模型

3 研究過程及結(jié)果分析

3.1 研究方法及流程

典型研究方法有：模擬法、觀察法、試驗(yàn)方法、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)法等，結(jié)合本次研究目的及特點(diǎn)，使用的是試驗(yàn)方法和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)法。試驗(yàn)方法是獲取第一手科研資料的重要和有力手段，大量的、新的、精確的和系統(tǒng)的資料，往往是通過試驗(yàn)而獲得的，有許多科學(xué)理論和技術(shù)的正確與否都是通過實(shí)驗(yàn)的方法才能得到驗(yàn)證。所以說試驗(yàn)法是科研工作中非常重要的一種方法。經(jīng)驗(yàn)總結(jié)法是通過對(duì)實(shí)踐活動(dòng)中的具體情況，進(jìn)行歸納與分析，使之系統(tǒng)化、理論化，上升為經(jīng)驗(yàn)的一種方法。

研究工作流程主要包括6個(gè)部分：項(xiàng)目準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地調(diào)研與選擇、數(shù)據(jù)獲取方案設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)獲取與處理分析、實(shí)例驗(yàn)證分析、成果檢驗(yàn)及應(yīng)用。流程如圖2所示：

圖2 研究工作流程

3.2 數(shù)據(jù)獲取方案設(shè)計(jì)

3.2.1 軟硬件配置

(1)采用軟件主要有：徠卡背包式三維激光掃描系統(tǒng)配置的Leica Infinity、Inertial Explorer、Pegasus Manager軟件及GNSS多星座接收機(jī)配備的靜態(tài)數(shù)據(jù)處理軟件等。

(2)采用硬件主要有：Leica Pegasus：Backpack背包式三維激光掃描系統(tǒng)一套、2秒級(jí)站儀一臺(tái)、多星座GNSS接收機(jī)3臺(tái)套、圖形工作站2臺(tái)。

3.2.2 數(shù)據(jù)獲取技術(shù)路線及處理流程

以GNSS & IMU & SLAM融合定位技術(shù)、三維激光掃描等技術(shù)為基礎(chǔ)，參考現(xiàn)行測(cè)繪相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及有關(guān)規(guī)定，通過三維激光掃描系統(tǒng)傳感器主動(dòng)的、非接觸的方式獲取地下空間相關(guān)要素的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高效的、高精度地采集地下空間相關(guān)要素三維信息、要素細(xì)節(jié)信息，獲取處理流程如圖3所示：

圖3 數(shù)據(jù)獲取處理流程

3.3 數(shù)據(jù)獲取與處理

3.3.1 數(shù)據(jù)獲取

(1)基本要求

進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取前先對(duì)設(shè)備進(jìn)行各項(xiàng)檢查及相關(guān)參數(shù)的配置并進(jìn)行調(diào)試，對(duì)作業(yè)區(qū)進(jìn)行踏勘，設(shè)計(jì)詳細(xì)的軌跡路線，開始采集數(shù)據(jù)前嚴(yán)格依據(jù)操作方法進(jìn)行系統(tǒng)的初始化及慣性導(dǎo)航糾正；作業(yè)過程中遵循重復(fù)掃描、遵循盲區(qū)最小化原則、移動(dòng)物體進(jìn)入有效掃描范圍時(shí)暫停掃描、勻速慢速、行走姿態(tài)相對(duì)穩(wěn)定等原則。結(jié)束作業(yè)后，及時(shí)將獲取數(shù)據(jù)下載并導(dǎo)入存儲(chǔ)設(shè)備，并檢查基準(zhǔn)站與背包數(shù)據(jù)的時(shí)間吻合情況及點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋范圍完整性，對(duì)出現(xiàn)異常的數(shù)據(jù)，及時(shí)處理。

(2)獲取方法模式及步驟

系統(tǒng)設(shè)計(jì)作業(yè)方法模式：pure SLAM(純SLAM)、fused SLAM(融合SLAM)。研究主要采用fused SLAM方法模式，此方法模式的導(dǎo)航定位工作原理為：地面對(duì)空條件良好且能有效鎖定衛(wèi)星信號(hào)環(huán)境采用GNSS的差分定位技術(shù)，通過基準(zhǔn)站與背包間單基線解算獲得背包的瞬時(shí)空間位置；對(duì)空條件不良或者有效鎖定衛(wèi)星顆數(shù)少于4顆時(shí)，啟用IMU慣性測(cè)量單元輔助導(dǎo)航定位；地下或室內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)不能接收衛(wèi)星信號(hào)、IMU慣性測(cè)量誤差積累過大啟動(dòng)SLAM導(dǎo)航定位。數(shù)據(jù)獲取主要包括：控制點(diǎn)布設(shè)、檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)獲??；GNSS基準(zhǔn)站架設(shè)、背包姿態(tài)矯正；多模式、多行走路徑的數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)整理與處理。

3.3.2 數(shù)據(jù)處理與分析

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

將基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)導(dǎo)入GNSS接收機(jī)隨機(jī)配套的靜態(tài)數(shù)據(jù)處理軟件，導(dǎo)出Rinex數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)拷貝至背包系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取工程文件的master目錄下。再將背包系統(tǒng)數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)通過Inertial Explorer軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，檢查數(shù)據(jù)的包含關(guān)系、基準(zhǔn)站獲取數(shù)據(jù)的衛(wèi)星觀測(cè)情況等必要解算條件。

(2)數(shù)據(jù)處理

主要包括：軌跡解算、數(shù)據(jù)導(dǎo)入及處理參數(shù)設(shè)置、SLAM解算、點(diǎn)云及全景照片生成等。使用Inertial Explorer軟件解算軌跡時(shí)，應(yīng)結(jié)合GNSS建態(tài)數(shù)據(jù)處理的基線解算原則和要求進(jìn)行單基線解算，軌跡解算完成后查看組合導(dǎo)航定位的模式效果并選擇最優(yōu)組合導(dǎo)航定位模式數(shù)據(jù)成果。SLAM解算及點(diǎn)云數(shù)據(jù)等處理在Leica Pegasus manager軟件完成，包括：導(dǎo)入軌跡數(shù)據(jù)的參數(shù)設(shè)置(Import trajectory data)；生成三維點(diǎn)云設(shè)置(Generate 3D point cloud)；導(dǎo)出點(diǎn)云設(shè)置(Export Las files)；點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果掛機(jī)處理與輸出等。

(3)數(shù)據(jù)研究分析

由于這種技術(shù)方案無成熟經(jīng)驗(yàn)借鑒、可見文獻(xiàn)稀少，研究團(tuán)隊(duì)利用了GNSS技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、SLAM技術(shù)、控制測(cè)量及細(xì)部測(cè)量理論，依據(jù)地下空間測(cè)量的特殊性，結(jié)合Leica Pegasus：Backpack背包式三維激光掃描系統(tǒng)開展了有開創(chuàng)性的試驗(yàn)工作。針對(duì)典型地下空間設(shè)施，選擇了軌道交通的地鐵車站、城市隧道、綜合管廊、地下溶洞、地下停車場(chǎng)等場(chǎng)景情況應(yīng)用不同采集作業(yè)模式及方法逐一進(jìn)行了數(shù)據(jù)獲取及研究分析。

首先在城市隧道、地下溶洞進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取研究分析，摘取試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖4結(jié)合軌跡解算及點(diǎn)云處理情況得出：由于隧道內(nèi)高速移動(dòng)車輛較多、隧道較長(zhǎng)(2 160 M)、內(nèi)部特征點(diǎn)單一且規(guī)律分布、零速校正未做實(shí)時(shí)控制等因素影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)獲取結(jié)果出現(xiàn)點(diǎn)云分層嚴(yán)重、最弱部位出現(xiàn)點(diǎn)云紊亂現(xiàn)象，研究分析發(fā)現(xiàn)了基準(zhǔn)站、軌跡路線的設(shè)計(jì)、姿態(tài)的穩(wěn)定程度、移動(dòng)物體、場(chǎng)景特征及分布、零速校正功能的精準(zhǔn)使用、失鎖時(shí)間等因素對(duì)數(shù)據(jù)獲取均有影響，其中，關(guān)鍵影響因素為：基準(zhǔn)站、場(chǎng)景特征及分布、零速校正功能的精準(zhǔn)使用。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取精度與衛(wèi)星失鎖時(shí)間及地下工作時(shí)間成反比關(guān)系、行走軌跡的橫向精度優(yōu)于縱向精度。

圖4 城市隧道數(shù)據(jù)獲取情況

基于城市隧道獲取的數(shù)據(jù)研究分析結(jié)論，在地下溶洞方面進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取試驗(yàn)，并提出如下優(yōu)化及處理措施：

①選擇對(duì)空條件良好位置架設(shè)基準(zhǔn)站，考慮基準(zhǔn)站與施測(cè)區(qū)域的幾何圖形強(qiáng)度因素，確保GNSS接收機(jī)獲取良好的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，提高軌跡解算精度；

②優(yōu)化軌跡路線設(shè)計(jì)，盡量重復(fù)掃描軌跡路線節(jié)點(diǎn)部位、遵循盲區(qū)最小化原則、移動(dòng)物體進(jìn)入有效掃描范圍時(shí)暫停掃描、勻速慢速、行走姿態(tài)相對(duì)穩(wěn)定；

③數(shù)據(jù)獲取時(shí)及時(shí)結(jié)合場(chǎng)景復(fù)雜程度進(jìn)行零速校正，通過GNSS/INS Error值來控制時(shí)間長(zhǎng)短，此值大于5時(shí)延長(zhǎng)零速校正時(shí)間，直至GNSS/INS Error值穩(wěn)定在5以下，提高SLAM解算時(shí)的軌跡精度；

④掃描開始前熟知場(chǎng)景特征，對(duì)于無明顯棱角特征點(diǎn)分布或棱角特征點(diǎn)分布比較規(guī)律的場(chǎng)景，在掃描開始前人為增加特征點(diǎn)，比如：依據(jù)行走路線在路線兩側(cè)及上下部位設(shè)置棱角明顯的靶標(biāo)、固定物體等。

圖5 地下溶洞數(shù)據(jù)獲取情況

摘取試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖5結(jié)合軌跡解算及點(diǎn)云處理情況得出：數(shù)據(jù)獲取結(jié)果未出現(xiàn)點(diǎn)云分層嚴(yán)重現(xiàn)象及最弱部位點(diǎn)云紊亂現(xiàn)象，同時(shí)采用地面架站式激光掃描儀進(jìn)行同一區(qū)域重復(fù)掃描檢測(cè)，三維點(diǎn)云的橫向精度及縱向精度均較為吻合，數(shù)據(jù)可滿足溶洞的開發(fā)設(shè)計(jì)使用需求。但是在長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離衛(wèi)星失鎖時(shí)間段，仍然出現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取精度與衛(wèi)星失鎖時(shí)間及地下工作時(shí)間成反比關(guān)系，即：距離起點(diǎn) 400 m以后的數(shù)據(jù)依然出現(xiàn)精度衰減現(xiàn)象。

再基于城市隧道及地下溶洞獲取數(shù)據(jù)研究分析結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合GNSS靜態(tài)數(shù)據(jù)處理理論、控制測(cè)量導(dǎo)線施測(cè)原理及方法設(shè)計(jì)軌跡路線，同時(shí)研究分析點(diǎn)云配準(zhǔn)原理，設(shè)計(jì)了點(diǎn)云配準(zhǔn)可識(shí)別的自定義編碼圖案，在保留上述優(yōu)化及處理措施的同時(shí)增加如下具體措施：

①采用多星座GNSS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站設(shè)備，同時(shí)增加基準(zhǔn)站數(shù)量至3臺(tái)，分別進(jìn)行單基準(zhǔn)站、雙基準(zhǔn)站、多基準(zhǔn)站的軌跡解算與精度分析，提高GNSS&IMU導(dǎo)航定位精度。

②數(shù)據(jù)獲取時(shí)通過GNSS/INS Error值來控制零速校正時(shí)間長(zhǎng)短，將GNSS/INS Error值控制在2以下，進(jìn)一步提高SLAM解算時(shí)的軌跡精度；

③在場(chǎng)景特征簡(jiǎn)單且軌跡路線的結(jié)點(diǎn)位置增加明顯棱角特征點(diǎn)、自定義編碼圖案，提高點(diǎn)云配準(zhǔn)精度。

先后在地下停車場(chǎng)、綜合管廊、軌道交通工程的地鐵車站及區(qū)間隧道等場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取研究，驗(yàn)證了上述優(yōu)化措施可行可靠，但在軌跡路線長(zhǎng)度大于 400 m時(shí)需要在最弱部位加測(cè)控制點(diǎn)，通過導(dǎo)線平差原理對(duì)軌跡路線進(jìn)行平差處理或者針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分層現(xiàn)象，使用幾何改正和強(qiáng)度校正的方法進(jìn)行處理，建立相應(yīng)的強(qiáng)度校正模型來修正激光入射角度、掃描系統(tǒng)與對(duì)象的間距等因素對(duì)點(diǎn)云反射強(qiáng)度的影響。即：使用軟件的軌跡糾正功能(SLAM QC Tool模塊)。才能解決長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集會(huì)導(dǎo)致誤差累計(jì)過大問題。經(jīng)優(yōu)化處理后摘取軌道交通工程的地鐵車站及區(qū)間隧道試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示：

圖6 地鐵車站及區(qū)間隧道數(shù)據(jù)獲取情況

從圖6可以看出：軌跡數(shù)據(jù)無異常、點(diǎn)云數(shù)據(jù)無分層及其他異常情況、點(diǎn)云厚度均小于 5 cm。試驗(yàn)段全長(zhǎng) 1 300 m，已在中間最弱部位及最弱部位兩側(cè)各 200 m附近共設(shè)3對(duì)控制點(diǎn)，分別對(duì)軌跡及點(diǎn)云進(jìn)行平差處理，再采用全站儀沿軌跡路線附近分別對(duì)數(shù)據(jù)獲取區(qū)域間隔 100 m附近實(shí)測(cè)一點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)云的絕對(duì)精度情況，共計(jì)實(shí)測(cè)16點(diǎn)，精度統(tǒng)計(jì)如表1所示：

實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)云精度統(tǒng)計(jì)情況 表1

分析表1精度檢測(cè)結(jié)果得出：起點(diǎn)和終點(diǎn)附近數(shù)據(jù)精度優(yōu)于軌跡中間最弱部位，整體數(shù)據(jù)精度在經(jīng)平差處理后的剔除9號(hào)點(diǎn)計(jì)算坐標(biāo)中誤差為： 13.0 cm；高程中誤差為：9.5 cm，獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以滿足地下空間信息化使用需要。如需更高精度的數(shù)據(jù)還可在數(shù)據(jù)獲取區(qū)域布設(shè)更高精度的控制點(diǎn)對(duì)軌跡及點(diǎn)云進(jìn)行平差處理，以達(dá)到具體要求。

4 結(jié) 論

通過對(duì)不同場(chǎng)景條件下的地下空間設(shè)施數(shù)據(jù)獲取結(jié)果研究分析，得出了GNSS & IMU & SLAM融合定位及三維激光掃描技術(shù)在地下空間數(shù)據(jù)獲取中的關(guān)鍵影響因素，并提出和驗(yàn)證了相應(yīng)優(yōu)化處理措施，形成了高效的數(shù)據(jù)采集方案及流程，研究結(jié)論如下：

(1)地下空間數(shù)據(jù)獲取過程關(guān)鍵要點(diǎn)：軌跡路線的設(shè)計(jì)及優(yōu)化；基準(zhǔn)站的對(duì)空條件與基站和測(cè)區(qū)的幾何強(qiáng)度；姿態(tài)的相對(duì)穩(wěn)定及零速校正的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制。

(2)GNSS對(duì)空條件復(fù)雜環(huán)境下雙基準(zhǔn)站或多基準(zhǔn)站組合導(dǎo)航(GNSS/IMU)的定位精度優(yōu)于單基準(zhǔn)站模式；基準(zhǔn)站數(shù)量相同時(shí)，多星座GNSS接收機(jī)解算的軌跡精度優(yōu)于單星座或雙星座。

(3)針對(duì)軌跡縱向偏移、點(diǎn)云數(shù)據(jù)分層現(xiàn)象，可采用幾何改正和強(qiáng)度校正的方法進(jìn)行處理，有效解決長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)獲取會(huì)導(dǎo)致定位誤差累計(jì)過大問題。

(4)通過研究區(qū)域的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該三維激光掃描系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集時(shí)抗干擾算法、GNSS & IMU & SLAM融合定位模式的人工干預(yù)方面應(yīng)加強(qiáng)研發(fā)，以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離室內(nèi)定位的應(yīng)用。