車載激光點云數(shù)據(jù)位置精度改善的研究

彭劍飛 方億鋒

（廣東省地質(zhì)局第七地質(zhì)大隊，廣東 惠州 516008）

1 引言

激光掃描系統(tǒng)能夠在高速移動狀態(tài)下獲取道路以及道路兩側(cè)建筑物、樹木、交通標牌等地物表面的精確三維信息，具有數(shù)據(jù)采集速度快、自動化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富等傳統(tǒng)測繪手段無可比擬的優(yōu)勢，對于提高測繪產(chǎn)品生產(chǎn)效率及自動化水平具有十分重要的作用。

車載掃描系統(tǒng)通過非接觸的激光測距，高效獲取道路環(huán)境的高精度三維信息，在城市道路資產(chǎn)管理、高精度地圖、無人駕駛及農(nóng)、林業(yè)中有重要應(yīng)用，對獲取全息道路信息具有重要意義。 然而，城市樓房林立、城市綠化度越來越高，移動測量車搭載的激光掃描儀在獲取三維激光點云時，由于GNSS 信號遮擋，IMU 漂移誤差積累嚴重，同一區(qū)域的重訪點云存在顯著的幾何偏差，點云的絕對位置精度也會受到嚴重損失，大大影響了后續(xù)的語義信息提取與建模等實際應(yīng)用，因此，研究車載點云位置一致性改善與數(shù)據(jù)質(zhì)量改正十分必要[1]。

2 重訪點云數(shù)據(jù)位置一致性改善

2.1 實驗數(shù)據(jù)采集與解算

2.1.1 車載數(shù)據(jù)采集

車載激光掃描前的準備工作通常包括設(shè)計技術(shù)參數(shù)、測設(shè)基站、規(guī)劃行車路線、系統(tǒng)測試，選擇測區(qū)附近較為開闊的停車場，待設(shè)備安置完成后，開啟系統(tǒng)設(shè)備，測試全景相機拍照效果，在軟件中設(shè)置照片在平板電腦上的保存路徑，初始化時檢查平板中的GNSS、慣導(dǎo)，激光信號燈為綠色，GNSS 衛(wèi)星數(shù)量不宜小于10 顆，進行靜止初始化，時長超過5 分鐘。

2.1.2 點云數(shù)據(jù)解算

在點云解算軟件中新建工程，選擇需要解算的工程文件夾和項目信息欄，導(dǎo)入POST 軌跡數(shù)據(jù)文件，在預(yù)處理中自定義點云解算中央子午線為項目所在地的中央子午線。解算工程文件夾一般存放在英文目錄文件夾。距離濾波值按照城市道路寬度酌情設(shè)置，至少能覆蓋人行道兩側(cè)，一般道路可設(shè)置為50 m。保存所有設(shè)置，在標紅工程文件處刷新工程，點擊解算單個工程即可開始解算。

2.2 重訪區(qū)域獲取

重訪區(qū)域獲取是對采集的車載點云數(shù)據(jù)進行判斷，獲得重疊點云區(qū)域，為重訪點云位置一致性改善提供數(shù)據(jù)支撐[2]。本文從車載掃描軌跡路線入手，將重訪點云區(qū)域的探測與獲取轉(zhuǎn)化為重疊軌跡獲取與重疊點云分段，首先通過軌跡獲取重疊區(qū)域點云。圖1 和圖2分別是某區(qū)域車載掃描的解算軌跡與解算點云數(shù)據(jù)。

通過車載軌跡獲取重訪區(qū)域步驟如下：利用車載軌跡探測重訪區(qū)域，將搜索半徑設(shè)置為10 m，點云密度閾值設(shè)置為按照行車速度計算得到點云數(shù)量的1.3 倍。計算軌跡點10 m 內(nèi)的點云數(shù)量，將點云數(shù)量與閾值進行比較，大于閾值的軌跡點就是重訪區(qū)域軌跡點[3]。

探測出重訪區(qū)域后，部分車載點云數(shù)據(jù)可能存在非剛性形變，因此需要對軌跡路線進行點云分段[4]。主要包括三個過程 ：（1）基于加速度和角速度的分段點探測，將加速度閾值設(shè)為1.5 m/s，角速度閾值設(shè)為1000o/s。（2）重訪區(qū)域分段點孿生。分段點探測后，通過時間信息與航偏角獲取距離最近軌跡點，把最近軌跡點視為孿生分段點，以增加重訪區(qū)域的范圍。（3）分段點篩選。若分段點云過密，就篩選密集點云；若分段點云距離過遠，則加密分段點云。將最大分段距離設(shè)為100 m，最小分段距離設(shè)為15 m，將分段后結(jié)果依次進行點云解算，獲取重訪區(qū)域與點云分段[5]。

圖1 車載軌跡

圖2 車載點云

2.3 車載點云配準

當(dāng)車載掃描點云含有對稱場景或者點云位置偏差較大時，配準魯棒性較低?？梢韵韧ㄟ^粗分段進行兩兩配準，再通過細分段配準解決此問題[6]。實驗區(qū)點云數(shù)據(jù)配準結(jié)果如圖3 所示，其中重訪點云最大偏差可達到0.634 m，配準后可減小至0.132 m。實驗表明此方法可以改善重訪點云區(qū)域位置不一致的問題。

圖3 車載激光點云位置不一致性改善前后對比

3 點云數(shù)據(jù)絕對位置糾正

3.1 刺點糾正

根據(jù)獲得的高斯平面直角坐標值和大地高，進行坐標文件格式處理，控制點文件格式如圖4 所示。文件說明：Datum=WGS84（坐標系），1on_0=123（帶號），NUM=2648（控制點點數(shù)）。文件名為“非中文名.ctr”，文件放置于糾正軟件設(shè)置文件夾。

圖4 控制點文件格式

在糾正軟件中打開需糾正的項目，在擴展功能菜單下選擇轉(zhuǎn)換成外存點云，選擇解算點云數(shù)據(jù)，選取線程數(shù)，點擊轉(zhuǎn)換外存點云，將原始點云轉(zhuǎn)換為加載速度更快的外存點云。

在糾正軟件中直接從點云列表中逐個勾選點云，開始刺點。黃色顯示點為糾正控制點，首先確定點云中的點位（會顯示綠色點），接著輸入點名，就可以通過糾正同名特征點完成點云的整體糾正，刺點過程如圖5 所示。

圖5 刺點過程

3.2 精度檢查

在完成點云位置不一致性改善與絕對位置糾正后，針對處于絕對控制坐標系下的車載點云，將外業(yè)控制點作為檢核點，進行X、Y、Z三個方向上的位置精度檢查。

用檢驗點在糾正后點云上進行刺點，可自行選擇點云格式（解算點云、外存點云）進行點云驗證。導(dǎo)出控制點后，默認文件夾目錄下生成的Excel 文件即為精度報告。導(dǎo)出控制點前注意將糾正時生成的糾正精度報告重命名，避免生成檢查精度報告時將其覆蓋。

檢查精度報表中的點云精度是否滿足項目要求。糾正后點云精度統(tǒng)計如表1 所示，可以看到，糾正后的點云平面精度達2.4 cm，高程精度達1.5 cm，滿足實際生產(chǎn)要求。

表1 糾正后點云精度統(tǒng)計（m）

4 結(jié)論

本文研究在線路規(guī)劃重疊、GNSS 衛(wèi)星信號不好造成點云重影等的情況下，通過車載激光掃描得到了滿足實際生產(chǎn)需求的點云數(shù)據(jù)。利用車載激光掃描對重訪區(qū)域進行檢測，通過不同時相點云之間的匹配，實現(xiàn)了對車載激光掃描點云的位置不一致問題的改正，同時保留了原始點云數(shù)據(jù)的全部信息，改善了點云重影、跳變等問題，提升了車載點云的相對精度和絕對精度。