GNSS失鎖狀態(tài)下車載移動掃描系統(tǒng)的點云數(shù)據(jù)精度分析

段龍飛，戴華陽，廖孟光，徐衛(wèi)東

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京100083;2.拓普康(北京)科技發(fā)展有限公司，北京100176)

一、引 言

移動測量系統(tǒng)作為快速、高效和高集成度的海量點云數(shù)據(jù)的采集手段，已經(jīng)成功應(yīng)用于我國數(shù)字化信息城市建設(shè)中，它代表著未來測繪與地理信息技術(shù)的一個重要發(fā)展方向［1］。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷革新，車載移動測量設(shè)備的硬件配置在不斷提高，從早期使用的機(jī)械陀螺發(fā)展為當(dāng)今的光纖和激光陀螺，相機(jī)的像素從百萬級別提高到了千萬級［2］，數(shù)據(jù)采集精度也有了很大的提高［3］。

盡管移動測量設(shè)備集成了高精度的IMU和車輪編碼器［4］，但是其采集數(shù)據(jù)的精度主要依賴于GNSS設(shè)備。當(dāng)在城市采集數(shù)據(jù)時，遇到高壓電線、高樓或強(qiáng)磁場等環(huán)境則可能會導(dǎo)致GNSS失鎖，此時移動測量設(shè)備的數(shù)據(jù)精度主要由IMU和車輪編碼器來維持［5］。隨著失鎖時間延長，數(shù)據(jù)的精度變得越來越差。

目前，針對移動測量系統(tǒng)的研究已經(jīng)有了很多。如張卡等根據(jù)誤差傳播定律，推導(dǎo)了X、Y、Z 3個方向上的影像坐標(biāo)誤差公式及點位誤差公式［6］;Yang等分析了移動測量系統(tǒng)點云數(shù)據(jù)在歷史文化遺產(chǎn)中的應(yīng)用［7］;劉梅余等針對車載移動測量系統(tǒng)的精度和利用控制點提高點云數(shù)據(jù)精度進(jìn)行了相關(guān)分析［8-9］。但是，對于移動測量系統(tǒng)的點云數(shù)據(jù)在GNSS失鎖狀態(tài)下的精度分析，暫未進(jìn)行相關(guān)的試驗。本文旨在通過一系列的試驗，獲得移動測量系統(tǒng)失鎖狀態(tài)下的點云數(shù)據(jù)，分析和研究點云數(shù)據(jù)精度隨時間的變化規(guī)律。

二、點云精度分析

分析車載移動測量系統(tǒng)在GNSS失鎖狀態(tài)下的點位精度，必須建立一個理想的失鎖環(huán)境，本文通過人為操作拔掉GNSS天線來模擬車載失鎖狀態(tài)下的數(shù)據(jù)采集環(huán)境。

1.路線設(shè)計

選擇視野良好場所分別進(jìn)行人為1 km失鎖和2 km失鎖試驗。失鎖狀態(tài)下，在不同長度距離上，對正常情況下和失鎖狀態(tài)下參考控制點進(jìn)行計算，比較計算的結(jié)果。

(1)行走路線

選擇一條近似直線的道路，每隔50 m做一個標(biāo)記點，如圖1所示。

圖1

(2)實地采集路線圖

本次設(shè)計路線長1.6 km，車速保持在30 km/h，標(biāo)記點個數(shù)為3，當(dāng)行駛至標(biāo)記點位置時，降低車速至5 km/h。如圖2所示。

(3)試驗設(shè)計

①試驗1

試驗1如圖3所示。

圖2 實地采集路線

圖3

當(dāng)車載系統(tǒng)失鎖1 km的路程時，對比兩次采集的標(biāo)記點的坐標(biāo)值，并求解誤差值。

②試驗2

試驗2如圖4所示。

圖4

當(dāng)車載系統(tǒng)失鎖2 km的路程時，對比兩次采集的標(biāo)記點的坐標(biāo)值，并求解誤差值。

2.誤差分析

通過對試驗1和試驗2采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，獲得車載系統(tǒng)在不同試驗下的3個標(biāo)記點的坐標(biāo)，求解獲得標(biāo)記點在X、Y、Z、2D和3D上的誤差值，結(jié)果見表1。

以橫軸作為失鎖時長，縱軸作為標(biāo)記點的坐標(biāo)值與真值的差值，繪制線畫圖，如圖5所示。

分析以上圖表，可以獲得如下結(jié)論:

1)0 s outage失鎖狀況下，車載系統(tǒng)IMU幾乎沒有漂移，數(shù)據(jù)采集誤差分別為:X方向最大偏差為-0.023 m，Y 方向最大偏差為-0.021 m，Z 方向最大偏差為0.020 m，觀測結(jié)果較好。

表1 控制點的誤差值 m

2)15 s outage失鎖狀態(tài)下，標(biāo)記點的坐標(biāo)值誤差增大，IMU漂移值增大，數(shù)據(jù)采集誤差分別為:X方向最大偏差為0.120 m，Y方向最大偏差為0.126 m，Z 方向最大偏差為-0.028 m。

3)30 s outage失鎖狀態(tài)下，IMU漂移值進(jìn)一步增大，標(biāo)記點的坐標(biāo)值誤差在X方向有所減低，Y方向和Z方向增大，數(shù)據(jù)誤差分別為:X方向最大偏差0.090 m，Y 方向最大偏差 0.187 m，Z 方向-0.086 m。

4)60 s outage失鎖狀態(tài)下，IMU漂移值繼續(xù)增大，且中誤差EMS值大于2.0，標(biāo)記點的坐標(biāo)值誤差在X方向上增減不一，(t_1)點誤差增大，(t_2)和(t_3)點的誤差值減小，最大誤差達(dá)到0.092 m;Y方向和Z方向的誤差值進(jìn)一步急速增大，Y方向最大誤差為 0.284 m，Z 方向最大誤差為-0.345 m。

5)從平面(2D)誤差值表得出，(t_1)標(biāo)記點的誤差值在失鎖30 s時有所減低，但是整體上誤差值在增大;(t_2)和(t_3)標(biāo)記點的誤差值隨著失鎖時長的增加，誤差值急速增大。平面最大誤差為0.288 m。

6)從三維(3D)誤差值表得出，隨著失鎖時長的增加，標(biāo)記點的誤差值逐漸增大。三維最大誤差達(dá) 0.443 m。

當(dāng)失鎖 60 s時，數(shù)據(jù)的 3D最大誤差高達(dá)0.443 m。當(dāng)遇到此類情況時，盡量快速通過失鎖區(qū)域，以保證數(shù)據(jù)整體的精度。

車載移動測量系統(tǒng)的失鎖時長大于30 s后的精度將無法保證，失鎖時長大于60 s后的精度將無法應(yīng)用于工程領(lǐng)域中。

3.假設(shè)驗證

再次采集一段失鎖50 s的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步驗證，如圖6所示。

增加控制點個數(shù)至25個，監(jiān)測車載移動測量系統(tǒng)在失鎖50 s時，25個標(biāo)記點的X、Y、Z和2D坐標(biāo)的平均值、最大值及中誤差的變化量，見表2。

表2 標(biāo)記點的誤差值 m

當(dāng)失鎖50 s時，25個標(biāo)記點的平均值、最大值和中誤差值成倍增加，其中平面(2D)誤差值最大達(dá)到0.861 m，已經(jīng)無法制作1∶5000的地形圖，更無法滿足一般使用用戶的精度要求。因此當(dāng)移動測量系統(tǒng)失鎖時間達(dá)到50 s后，數(shù)據(jù)成果無法正常使用。

三、結(jié) 論

通過試驗得出，車載移動測量系統(tǒng)在1 min內(nèi)的GNSS失鎖狀態(tài)下，數(shù)據(jù)精度的變化量呈現(xiàn)近似線性的變化規(guī)律。當(dāng)失鎖時長達(dá)到50 s時，數(shù)據(jù)精度將無法達(dá)到工程項目的精度要求。根據(jù)IMU配置的不同，其斜率的變化量也不同。當(dāng)采用機(jī)械陀螺集成的IMU，斜率變化量相對較大，而采用光纖陀螺或激光陀螺集成的IMU，斜率值變化較小。因此，當(dāng)遇到GNSS失鎖狀態(tài)時，應(yīng)盡量保證失鎖的時長小于50 s。

本文分析了在GNSS失鎖狀態(tài)下，由于IMU漂移導(dǎo)致定位誤差的試驗數(shù)據(jù)和基本規(guī)律。關(guān)于在GNSS失鎖狀態(tài)下，如何從算法上加以改正，從而獲得高精度的定位結(jié)果是下一步的研究內(nèi)容。

針對數(shù)據(jù)的采集，給出如下建議:

1)選擇視野良好的場所啟動車載系統(tǒng)，等待數(shù)據(jù)接收穩(wěn)定后，啟動車輛。

2)快速通過失鎖區(qū)域，保證失鎖時間在50 s以內(nèi)。

3)車輛穩(wěn)步啟動、緩慢剎車避免車身抖動過大，尤其在失鎖的臨界位置，要保證車輛在行駛過程中的連貫性。

［1］徐工，程效軍.移動測量系統(tǒng)點云精度評定及應(yīng)用分析［J］.工程勘察，2013(9):42-46.

［2］張曉東.可量測影像與GPS/IMU融合高精度定位定姿方法研究［D］.鄭州:信息工程大學(xué)，2013.

［3］周靜，張書亮，房彩申.基于可量測實景影像的空間服務(wù)研究［J］.南京師范大學(xué)學(xué)報:工程技術(shù)版，2014(3):57-62.

［4］NüCHTER A，BORRMANN D，ELSEBERG J.Algorithmic Solutions for Computing Precise Maximum Likelihood 3D Point Clouds from Mobile Laser Scanning Platforms［J］.Remote Sensing，2013(5):5871-5906.

［5］DAHAI G，LIXIN W，JIANCHAO W，et al.Use the GPS/IMU New Technology for Photogrammetric Application:Geoscience and Remote Sensing Symposium［C］∥IEEE International Conference.Denver:［s.n.］，2006.

［6］張卡，盛業(yè)華，葉春，等.車載三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的絕對標(biāo)定及精度分析［J］.武漢大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版，2008，33(1):55-59.

［7］YANG W，CHEN M，YEN Y.An Application of Digital Point Cloud to Historic Architecture in Digital Archives［J］.Advances in Engineering Software，2011，42(9):690-699.

［8］劉梅余，鮑峰.基于已知點的移動測量系統(tǒng)測量精度提高［J］.測繪信息與工程，2009(3):35-36.

［9］劉梅余，王衛(wèi)安，鮑峰.移動測量系統(tǒng)的精度分析及檢測［J］.測繪通報，2009(12):40-42.