车载移动测量系统标定场的建设和精度评定

范冬丽，马 松，刘 欢，唐 琴，杨 姝

(四川省安全科学技术研究院，成都，610045)

车载移动测量系统是一种兼具定位、测距、测角和摄影功能的自动化、数字化的系统，集成了GNSS、惯性测量单元（IMU）、激光扫描仪、数字相机以及自动控制等设备，以实现对目标区域的空间数据、属性数据以及实景影像等多种信息的快速采集[1]。车载移动测量与传统的测绘地理信息获取方式相比，具有成本低、速度快、精度高、实时性强等显著特点。近年来，车载移动测量技术己经成为道路测量、街景地图数据获取、城市三维建模等领域的主要技术手段之一，是对大比例尺测图、航空摄影测量和卫星摄影测量的有力补充[2，3]。

车载移动测量系统获取高精度的点云数据关键在于系统检校，然而车载移动测量系统的误差源众多，对于系统误差源的分析目前还没有完整清晰的认识，也缺乏相应的误差模型，也没有公认的标准的检校方法[4，5]。在实际工程应用中，车载移动测量系统的综合精度始终是最重要的因素。为了确保系统的综合精度，系统作业前需要经过严格的检校。通过建立永久性的标定场，借助自制的特殊标志和建筑物拐角点作为特征点，便于点云特征提取，提出车载移动测量系统综合精度评定的指标，进而完成系统的综合精度评定。

1 系统标定场的建设

车载移动测量系统的最大测程可达250m，扫描角度为0°-360°，对于如此长的扫描距离和如此大的扫描角度，其对应的标定场必定是一个大型的标定场，人工建设一个如此大型的标定场不太实际，因此在建立系统标定场的时候，可充分利用现有固定的建筑物等，以建筑物的房屋角点、窗户角点、交通标志等作为标定的控制点（图1）。

图1 系统标定场控制点示意图

系统标定场的建立遵循以下原则：

（1）系统标定场应当建立在房屋有规则房屋角点、窗户角点的区域，保证在点云中能够高精度的提取这些特征点；

（2）保证控制点数量多、分布合理有一定的高程层次，特征显著和方便提取；

（3）选在空旷、GPS信号良好的区域，以保证POS数据的精度；

系统标定场的已知特征控制点WGS84坐标通过RTK（徕卡GS14）控制测量和全站仪（徕卡TM50）测量方式进行。存在两个互相通视控制点的情况下，可通过全站仪直接测量多次求取平均值得出各个特征控制点的WSG84坐标；在没有两个互相通视的控制点的情况下，需要首先采用静态GPS测量方式获得至少两个高精度控制点，然后通过全站仪测量多次求取平均值获取各个标定控制点的大地坐标。已建设完成的省安科院车载移动测量系统标定场如下图2所示，由44个RTK控制点和157个全站仪测量点组成，南北长约1km，东西长约1.4km，有垂直和闭合的基线，控制网点分布均匀合理，点位精度优于2cm。

图2 车载移动测量系统标定场控制点坐标示意图

采用检校场进行车载移动测量系统综合精度评定的优点有：

（1）基准精度高。系统标定场中特征点的已知坐标是通过高精度全站仪测量得到，测角精度为0.5＂，测距精度为（0.5+lppm*D）mm，每个特征点通过3次测量取平均值得到，其精度高且稳定性好。

（2）特征提取方便。系统标定场中有适合激光提取的90%反射率的反射片，也有适合影像提取的特殊标志图案，标志点数量多、分布合理、特征显著、方便特征提取。

（3）复用性好。系统标定场的功能和目的明确，用途单一，便于长期使用；系统标定场也可用作精度测试等质量控制的任务；基准固定，便于制定检定和测试的流程、规范、标准等；相同的基准、方法及流程，可用于同类系统性能的横向比较。

2 数据采集与处理

2.1 数据采集

为了科学准确地评价车载移动测量系统的综合精度，数据采集前制定了合理的采集方案、行车路线和必要的前期准备。具体数据采集主要过程如下：

（1）架设基准站

根据测量需求，选择在安科大厦顶楼架设GNSS基准站，此地点位于系统标定场的中心，高程高，视角开阔。基准站通过静态GPS获取精确的三维坐标，系统标定场的测量区域与本基准站之间的距离都在1km以内。

（2）车载移动测量系统初始化

为保证GPS数据的准确性，车载移动测量系统开机后，将车辆开到一开阔地区，至少能接收不少于6颗卫星信号，静止5-10min，然后按照“8”字型行进三四圈。其主要目的是完成IMU的初始化，即确定IMU的初始位置、姿态和地理北方向。

（3）车载移动测量系统数据采集

初始化完毕后，建立任务，设置各项参数，点击开始。扫描过程中，数据采集人员根据光线调节照片亮度，根据行车速度调节图像框距离来保障车载获取最佳影像数据。扫描车速不应高于70km/h，尽量保持匀速，遇红灯应减缓车速但最好不要将车辆停止。路况较差时，应尽量保持车体平稳。

（4）车载移动测量系统关闭

系统数据采集完毕后，将扫描车停在空旷处，停止采集数据，原地等待5-10min。下载采集数据，关闭系统、扫描仪和电源。

（5）RTK和全站仪同步数据采集控制点

在进行车载数据采集同时用RTK和全站仪同步采集控制点坐标，从而保障获取的同时期的WSG84三维坐标。

2.2 数据处理

（1）数据预处理

利用Inertial Explorer软件将扫描仪中的GPS数据、IMU数据与GPS基站数据进行拼接，并输出成一个轨迹文件以供下一步数据处理使用。需要进行基站GPS数据转换成GPB格式、将基站每小时的数据整合为一个基站数据文件、车载GPS数据转换成GPB格式、将转换后的车载与基站GPS文件加载到新建工程文件中并进行校正、整合GPS与惯导数据、检查数据质量和输出轨迹文件。

（2）生成三维点云

利用Auto PP软件将Inertial Explore软件中输出的轨迹文件与6个照相机内的图片文件进行匹配并结合扫描数据生成三维点云。需要进行坐标系设置、解压图片并校正时间、将相机文件和轨迹文件进行匹配、将点云文件与轨迹文件进行匹配，最终生成三维点云，以las文件导出。

车载移动测量系统通过对系统标定场进行数据采集和处理，生成了系统标定场的三维点云。通过ArcGDS软件生成带有彩色点云数据效果图（图3、图4），可以看出采集的点云数据质量较好，能够清晰地提取房屋窗口角点、路牌标识等，有利于下一步的精度评定。

图3 点云数据局部效果图

图4 点云数据全局效果图

3 绝对精度评定

车载移动测量系统绝对精度，是指RTK测量和全站仪联测的WSG84坐标值作为真值，车载点云坐标相对于真值的X、Y、Z三个方向的中误差值。

通过ArcGDS软件提取系统标定场中特征点（建筑物的角点、窗户角点、交通标志牌角点等）的三维坐标，与已知特征点坐标比较，通过公式进行绝对精度评定：

其中，（xg,yg,zg）为车载移动测量系统的特征点提取三维激光点云坐标，（xr,yr,zr）为特征点三维坐标，（σx, σy, σz）为车载测量系统三维的绝对精度。

在系统标定场中选择了103个比较明显的特征点进行绝对精度的评定，按照上述公式得到每个点的三维绝对精度（见表1-3），X方向平均绝对精度σx=0.192m，Y方向平均绝对精度σy=0.199m，Z方向平均绝对精度σz=0.281m。

表1 特征点X方向绝对精度统计表（部分）

表2 特征点Y方向绝对精度统计表（部分）

表3 特征点Z方向绝对精度统计表（部分）

4 相对精度评定

车载移动测量系统的相对精度是指两点之间距离与已知线段的比较，主要指道路、电线杆、广告牌、交通标志、井盖、建筑物等线状地物的长度或宽度的测量精度。在道路两边构建筑物及相关参数提取等应用领域，相对精度的获取具有很重要的意义。

在系统标定场中，选择具有明显特征的线性构建筑物线段，如：窗口边、路灯、交通标识牌、井盖、斑马线等等，利用全站仪测量出线段值作为基准值LRi。按照上文的方法，通过ArcGDS软件提取系统标定场中对应目标线段的测量值Li。根据公式2计算相对精度σL：

其中，n为线段个数。

在系统标定场中选择9段特征明显的线段进行相对精度的评定，按照上述公式得到每个线段值的相对精度（表4），平均相对精度σL=0.039m。

表4 特征线段的相对精度统计表

5 结论

通过建立永久性的系统标定场，借助特征点，提出车载移动测量系统综合精度评定的指标，利用传统方法获取这些特征点的高精度三维坐标和特征线的长度值作为基准值，通过与系统解算出来的特征点和特征线进行比较，从而完成系统的综合精度评定。通过验证点计算表明经过检校后的某车载移动测量系统，X方向平均绝对精度σx=0.192m，Y方向平均绝对精度, σy=0.199m，Z方向平均绝对精度，σz=0.281m，相对精度σL=0.039m。

车载移动测量系统的应用越来越广泛，对移动测量系统的精度要求也越来越高，通过建立固定的系统标定场，快速简洁地获取车载移动测量系统的精度，为其在实践中的应用提供重要的数据精度判定依据。