精密單點(diǎn)定位在背負(fù)式移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)中的應(yīng)用

謝宏全，陳岳濤，趙 芳，劉國(guó)良，陳 晨，盧 霞，李金瑞

(淮海工學(xué)院 測(cè)繪與海洋信息學(xué)院，江蘇 連云港 222005)

隨著三維激光掃描的發(fā)展，為滿(mǎn)足不同領(lǐng)域的需求，各種三維激光掃描設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生[1]。近幾年，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上出現(xiàn)的背負(fù)式移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)結(jié)合了DGPS技術(shù)和SLAM技術(shù)(Simultaneous localization and mapping)可在移動(dòng)過(guò)程中快速獲取高精度定位定姿數(shù)據(jù)、高密度三維點(diǎn)云[2-3]。因DGPS技術(shù)必須架設(shè)基站的局限性，使得DGPS技術(shù)的應(yīng)用區(qū)域受到限制。如沙漠、海洋等地區(qū)通常難以獲取高精度的已知參考點(diǎn)來(lái)進(jìn)行GPS相對(duì)定位[4]。而SLAM技術(shù)雖然可完成無(wú)GPS信號(hào)下的定位與構(gòu)圖，但是對(duì)特征點(diǎn)不明顯的沙堆、土堆等物體的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)拼接時(shí)發(fā)生拼接錯(cuò)誤率較高[5-6]。針對(duì)以上問(wèn)題，本文將PPP技術(shù)引入到背負(fù)式移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)研究，并通過(guò)傳統(tǒng)的測(cè)量方法分別對(duì)PPP與DGPS輔助獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果進(jìn)行精度分析。

1 PPP輔助點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

采用背負(fù)式移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)為徠卡Pegasus Backpacks，對(duì)蘇州工業(yè)園區(qū)某小區(qū)進(jìn)行了PPP輔助點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取試驗(yàn)。規(guī)劃好掃描路線(xiàn)后，分別在小區(qū)東南西北道路彎處布設(shè)4個(gè)兩兩通視的靶標(biāo)，將靶標(biāo)中心作為控制點(diǎn)。應(yīng)用蘇州CORS GNSS-RTK快速靜態(tài)測(cè)得靶標(biāo)中心蘇州獨(dú)立坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)與高程后，對(duì)試驗(yàn)區(qū)開(kāi)始掃描，在掃描過(guò)程中嚴(yán)格按照規(guī)劃路線(xiàn)和時(shí)間，規(guī)范操作。

1.1 移動(dòng)軌跡獲取

掃描結(jié)束后，首先進(jìn)行徠卡Pegasus Backpacks移動(dòng)軌跡解算，具體步驟如下：

1)首先將徠卡Pegasus Backpacks的POS數(shù)據(jù)里的GPS原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為gpb格式；

2)從IGS下載時(shí)延為17 h的Rapid星歷產(chǎn)品，精度優(yōu)于2.5 cm采樣間隔為15 min的衛(wèi)星軌道(SP3)參數(shù)和精度優(yōu)于75ps采樣間隔為5 min精密衛(wèi)星鐘差(CLK)，設(shè)置KAR(Kinematic Ambigutiy Resolution)、Cycle slip等參數(shù)；

3)使用IE(Inertial Explore)軟件GPS/INS緊耦合組合解算模塊，選用PPP處理方法進(jìn)行軌跡解算，經(jīng)過(guò)對(duì)衛(wèi)星鐘差采樣間隔進(jìn)行內(nèi)插和GPS與INS測(cè)量誤差互相修正后得到徠卡Pegasus Backpacks移動(dòng)軌跡(如圖1所示)。

圖1 Pegasus Backpacks移動(dòng)軌跡

1.2 三維點(diǎn)云模型獲取

利用PPP技術(shù)對(duì)軌跡文件進(jìn)行解算后，應(yīng)用Infinity軟件，通過(guò)設(shè)置橢球參數(shù)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換7參數(shù)、投影方式等將激光點(diǎn)云的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成蘇州獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)；應(yīng)用AoTuP(AoTumatic Processing)軟件，將軌跡文件和掃描文件通過(guò)GPST(GPS Time)時(shí)間對(duì)齊，生成三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)出LAS格式三維點(diǎn)云模型(見(jiàn)圖2)。從圖2可以看出三維點(diǎn)云模型并沒(méi)有出現(xiàn)點(diǎn)云重影、分層等現(xiàn)象，這說(shuō)明利用PPP技術(shù)輔助獲取的三維點(diǎn)云模型整體質(zhì)量較好。

圖2 三維點(diǎn)云模型

2 PPP內(nèi)符合精度與點(diǎn)云質(zhì)量分析

2.1 PPP內(nèi)符合精度分析

使用觀(guān)測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)差和坐標(biāo)分量變化量來(lái)評(píng)價(jià)PPP方法的內(nèi)符合精度或模型精度[7]。截取PPP初始化后的時(shí)間進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)，坐標(biāo)收斂精度隨時(shí)間變化逐漸穩(wěn)定[8]，從圖3、圖4給出了每個(gè)歷元坐標(biāo)分量變化量和觀(guān)測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)差可以看出，兩圖隨GPS time波動(dòng)規(guī)律大致相同，坐標(biāo)分量變化量越小，其對(duì)應(yīng)的觀(guān)測(cè)值標(biāo)準(zhǔn)差值也越小。結(jié)合PPP固定解/浮點(diǎn)解統(tǒng)計(jì)表(見(jiàn)圖5)，當(dāng)整周模糊度為固定解觀(guān)測(cè)值標(biāo)準(zhǔn)差大部分都在2 cm 以?xún)?nèi)， 當(dāng)整周模糊度為浮點(diǎn)解時(shí)觀(guān)測(cè)值標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)較大，由此可以說(shuō)明 PPP在動(dòng)態(tài)定位中的整周模糊度為固定解時(shí)理論精度可以達(dá)到2 cm級(jí)的水平。

圖3 坐標(biāo)分量變化量

圖4 觀(guān)測(cè)值標(biāo)準(zhǔn)差

圖5 PPP固定解/浮點(diǎn)解統(tǒng)計(jì)表

2.2 點(diǎn)云精度分析

為進(jìn)一步論證PPP技術(shù)輔助移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)獲取點(diǎn)云精度的可靠性。將60個(gè)靶標(biāo)均勻布設(shè)到整個(gè)測(cè)區(qū)，然后將靶標(biāo)中心當(dāng)做檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行平面與高程檢測(cè)[9]，具體步驟如下：

1)利用GPS-RTK測(cè)得靶標(biāo)中心三維坐標(biāo)作為真實(shí)值；

2)使用RealWorks軟件，通過(guò)布設(shè)在小區(qū)道路拐彎處的4個(gè)控制點(diǎn)對(duì)PPP與DGPS獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行平面和高程修正；

3)利用RealWorks軟件分別在PPP與DGPS獲取的點(diǎn)云模型中提取靶標(biāo)中心坐標(biāo)；

4)將兩種方法得到的三維坐標(biāo)值與真實(shí)值進(jìn)行比較(見(jiàn)表1)，利用式(1)進(jìn)行兩種方法獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度進(jìn)行分析[10]。其中，m為中誤差；Δ為真實(shí)值與掃描值的較差；n為檢測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

(1)

由表1可知,PPP輔助獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差與DGPS輔助獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差落入的誤差范圍百分比基本相同。由式(1)計(jì)算可知,PPP輔助獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)位中誤差為±0.041 m，高程中誤差為±0.051 m；DGPS輔助獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)位中誤差為±0.039 m，高程中誤差為±0.050 m。取兩倍中誤差為限差，對(duì)照表1可知粗差率也未超過(guò)5%?？梢?jiàn)兩種技術(shù)輔助獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度相當(dāng)，所以在背負(fù)式移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)中PPP技術(shù)可完美代替DGPS技術(shù)。

表1 點(diǎn)云精度質(zhì)量分析表 %

3 結(jié)速語(yǔ)

試驗(yàn)證明PPP技術(shù)應(yīng)用到背負(fù)式移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)中是完全可行的，可為PPP技術(shù)在其他移動(dòng)激光掃描設(shè)備的應(yīng)用進(jìn)行參考。與DGPS技術(shù)相比，PPP技術(shù)具有可以實(shí)現(xiàn)無(wú)地面基站精確定位、不受作業(yè)距離的限制、節(jié)省基站建設(shè)費(fèi)用開(kāi)支等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)對(duì)于我國(guó)海上工程測(cè)量、偏遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要意義。本文采用的時(shí)延為17 h的Rapid星歷產(chǎn)品雖然滿(mǎn)足背負(fù)式移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)的精度要求，但與DGPS技術(shù)相比時(shí)效性還是存在很大差距。未來(lái)隨著實(shí)時(shí)PPP技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS初始化時(shí)間將逐漸變短，動(dòng)態(tài)定位精度不斷提高，PPP技術(shù)取代DGPS技術(shù)必將成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[11]。