不同GNSS時段對車載激光掃描影響的實驗研究

陳 輝，蔣明秀，江 瑞

（1.浙江省測繪科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州 311100）

車載激光掃描系統(tǒng)通過汽車平臺搭載的激光掃描儀、慣性測量單元（IMU）、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、車輪編碼器（DMI）以及全景相機等多種傳感器實時獲取行車軌跡兩側(cè)一定距離范圍內(nèi)目標(biāo)地物的三維坐標(biāo)、強度和紋理信息，具有無接觸、主動、快速、高精度等特點，已成為一種獲取空間地理信息數(shù)據(jù)的重要技術(shù)手段。

目前，國內(nèi)外研究多數(shù)集中在車載激光掃描系統(tǒng)的誤差來源[1-3]、后期控制糾正[3-5]以及系統(tǒng)應(yīng)用[6-9]等方面，而在不同GNSS時段對車載激光掃描系統(tǒng)的影響方面還鮮有涉及。本文旨在通過一系列實驗獲取同一環(huán)境在同一天不同GNSS時段下的掃描數(shù)據(jù)，從而分析研究不同GNSS時段對車載激光掃描系統(tǒng)的影響，為車載激光掃描系統(tǒng)實際作業(yè)提供指導(dǎo)。

1 車載激光掃描系統(tǒng)原理與誤差構(gòu)成

分析不同GNSS時段對車載激光掃描系統(tǒng)的影響之前，必須了解車載激光掃描系統(tǒng)的測量原理和誤差構(gòu)成。車載激光掃描系統(tǒng)利用激光掃描儀獲取目標(biāo)地物與激光中心的距離和角度信息，利用GNSS、 IMU、DMI分別記錄各傳感器在掃描過程中的位置、姿態(tài)與里程數(shù)據(jù)，再結(jié)合基站數(shù)據(jù)通過各傳感器相互位置關(guān)系融合生成具有絕對坐標(biāo)信息的三維激光點云。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式[6]為：

其向量形式則可表示為：

式中，PWGS84為任意激光點在WGS84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；RW、RG分別為與當(dāng)前位置有關(guān)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)矩陣；RN、RL分別為實測或內(nèi)插的與姿態(tài)角和掃描角有關(guān)的旋轉(zhuǎn)矩陣；RM為安置誤差旋轉(zhuǎn)矩陣；r為任意激光點在瞬時激光束坐標(biāo)系中的位置向量；tL為激光掃描儀中心與IMU參考中心的偏心量；tG為天線相位中心與IMU參考中心的偏心量；APCWGS84為天線相位中心的瞬時位置。

由式（1）、式（2）可知，影響激光掃描測量的主要因素包括：①激光掃描儀測量誤差（激光測距誤差、掃描角誤差等）；②定位定姿誤差（GNSS動態(tài)定位誤差、IMU姿態(tài)測定誤差、DMI測距誤差）；③系統(tǒng)集成誤差（各傳感器之間的偏心量誤差、安置角誤差）。

2 不同GNSS時段對車載激光掃描影響實驗

2.1 實驗設(shè)計

1）實驗區(qū)域。實驗采用SSW車載激光掃描系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。實驗區(qū)域分為兩塊：①位于杭州市區(qū)（測區(qū)1），道路長約2.5 km，兩側(cè)建筑林立、行道樹高大密集；②位于杭州郊區(qū)（測區(qū)2），道路長約3.5 km，兩側(cè)建筑低矮、視野開闊。

2）實驗組1。在同一天的3個不同GNSS時段沿相同路徑對測區(qū)1進行掃描，時段分別為北京時間 11：00－11：45、14：25－15：15、17：25－18：15，其中車載激光掃描系統(tǒng)的初始化和結(jié)束化過程已按照要求在位于測區(qū)邊GNSS信號良好的空曠地帶進行。

3）實驗組2。在同一天的3個不同GNSS時段沿相同路徑對測區(qū)2進行掃描，時段分別為北京時間 06：50－08：00、08：30－09：30、11：30－12：30，其中車載激光掃描系統(tǒng)的初始化與結(jié)束化過程就在測區(qū)內(nèi)進行。

2.2 實驗結(jié)果

由于各傳感器之間屬于剛性連接，車載激光掃描系統(tǒng)也經(jīng)過嚴密標(biāo)定，且每個實驗組內(nèi)部均采用相同路徑對同一環(huán)境進行掃描，因此可認為激光掃描儀測量誤差與系統(tǒng)集成誤差在不同GNSS時段是基本不變的，定位定姿誤差直接決定了車載激光掃描系統(tǒng)最終的點云精度。

本文利用GNSS、IMU緊耦合組合導(dǎo)航解算結(jié)果來評定不同GNSS時段對車載激光掃描的影響。對實驗組1和實驗組2掃描所獲取的數(shù)據(jù)進行處理，獲取GNSS、IMU緊耦合組合導(dǎo)航解算結(jié)果。實驗組1和實驗組2的組合導(dǎo)航位置誤差如圖1、2所示。

圖1 實驗組1的組合導(dǎo)航位置誤差

2.3 結(jié)果分析研究

由圖1可知，3次掃描的數(shù)據(jù)可靠性均不高（其中曲線前后兩端的平穩(wěn)時段是因為掃描車還處于初始化和結(jié)束化時間），且三者之間存在較大的差異，其排序為Test1-2＜Test1-1＜Test1-3，說明在測區(qū)1環(huán)境下不同GNSS時段對車載激光掃描系統(tǒng)的影響較大。

由圖2可知，3次掃描的數(shù)據(jù)可靠性非常好（可達cm級），考慮到GNSS本身cm級的動態(tài)定位誤差，Test2-1可靠性≈Test2-2可靠性≈Test2-3可靠性，說明在測區(qū)2環(huán)境下不同GNSS時段對車載激光掃描系統(tǒng)的影響可忽略不計。

圖2 實驗組2的組合導(dǎo)航位置誤差

為進一步研究產(chǎn)生上述區(qū)別的原因，本文對比分析了各次掃描所處GNSS時段的衛(wèi)星數(shù)和PDOP值，如圖3、4所示，可以看出，實驗組1所處環(huán)境的GNSS信號在同一天的不同時間段（扣除初始化和結(jié)束化時段）也有較大差別，信號質(zhì)量Test1-2＜Test1-1＜ Test1-3，這與三者的掃描數(shù)據(jù)可靠性差異是完全一致的；實驗組2所處環(huán)境的GNSS信號在3個時間段內(nèi)雖有差異但整體均表現(xiàn)良好且明顯則優(yōu)于實驗組1，因此可以得出以下結(jié)論：

圖3 實驗組1各次掃描的衛(wèi)星數(shù)和PDOP值

圖4 實驗組2各次掃描的衛(wèi)星數(shù)和PDOP值

1）在樹木、建筑物遮擋嚴重的GNSS信號較弱區(qū)域，不同GNSS時段對車載激光掃描的影響很大，掃描數(shù)據(jù)的可靠性由不同時段GNSS信號的優(yōu)劣決定，這也驗證了車載激光掃描系統(tǒng)的主要精度依舊依賴于GNSS設(shè)備，即使擁有高精度IMU，但當(dāng)系統(tǒng)較長時間處于GNSS信號較弱區(qū)域時，IMU對系統(tǒng)定位誤差的糾偏也非常有限。因此，在這種環(huán)境下作業(yè)時，需考慮不同GNSS時段對車載激光掃描的影響，盡量規(guī)劃一天中GNSS信號較好的時間段進行掃描作業(yè)，以提高最終點云數(shù)據(jù)的可靠性，計劃作業(yè)區(qū)域的GNSS信號優(yōu)劣（衛(wèi)星數(shù)量和PDOP值）可從衛(wèi)星星歷預(yù)報軟件或平臺提前預(yù)報得知。

2）在視野開闊的GNSS信號良好區(qū)域，不同GNSS時段對車載激光掃描的影響微小，甚至可忽略不計。因此，在這種環(huán)境下作業(yè)時，無需考慮不同GNSS時段的影響。

3 結(jié) 語

本文通過一系列實驗，分析并研究了不同GNSS時段對同一環(huán)境下車載激光掃描的影響，得到了相應(yīng)的結(jié)論，對于車載激光掃描系統(tǒng)的實際作業(yè)具有很強的參考意義，可大力提高車載激光掃描系統(tǒng)在城市作業(yè)的可靠性。