基于控制点提高GNSS失锁时点云数据精度的研究

孙波中，潘清元，鲍彦奇

(1.天水三和数码测绘院有限公司,甘肃 天水 741000；2.甘肃省测绘工程技术研究中心，甘肃 天水 741000)

车载移动测量系统是在GPS、GIS、航测遥感、光学、机械、电子、计算机等技术基础上发展起来的，是在机动车上安装GPS、CCD、INS、激光扫描系统、里程计等先进传感器和设备，在车辆快速行进中，采集行进路线地面目标空间及属性数据的空间地理信息高速采集系统[1-2]。它在测绘、规划、交通、市政等领域得到了广泛应用。由于车载移动测量系统是由多传感器集成而来，因此其误差来源较多，主要有激光测距误差、扫描角误差、GPS定位误差、IMU姿态误差、系统检校误差等[3]。为了提高车载移动测量系统的精度，鲁勇[4]等通过试验验证了车载移动测量系统存在误差，通过对数据执行后处理才能满足要求；刘梅余[5]等通过试验得出利用控制点可以有效改善车载移动测量系统点云的平面精度；王永红[6]等通过试验得出了在车速一定、GPS卫星信号良好的情况下，选用400 m间隔，以折线网形布设控制点，对点云进行校正，能够很好地提高SSW车载移动测量系统点云数据精度。然而，针对卫星失锁情况下，基于控制点提高点云精度的研究还非常少。本文将以Trimble MX8车载移动测量系统在GPS卫星信号失锁环境下采集的数据为例，来研究分析不同控制点布设方法对点云精度的影响，为此类工程实践提供相应的参考。

1 试验方案设计

根据段龙飞[7]等分析的失锁状态下车载移动测量系统数据精度随时间的变化规律：当失锁时长达到50 s时，数据精度将无法达到工程项目的精度要求。为了保证试验结果的准确性和科学性，试验区的失锁时长要大于50 s，控制点采取200 m、400 m、600 m三种密度布设，布设网形如图1所示，验证点要先在点云中选择点位比较准确的特征点，然后用RTK和全站仪实地采集。

图1 控制点布设网形

2 试验方案实施

根据试验设计方案，实施操作流程如图2所示。

图2 试验实施操作流程

2.1 试验前期准备

试验前期准备工作有：试验场地选择、车载移动测量系统调试、GPS-RTK和全站仪校验、控制点布设方法选择等。

2.2 踏勘

通过踏勘确定本次试验的场地为城市新区，试验线路长度为1.6 km，控制点和验证点选择距离间隔均匀的路灯底座角点。相较高楼林立的城市中心，该区域空旷，道路平整，车辆来往较少，有利于控制点和验证点坐标采集，但同样GNSS信号较强，因此需反复拆装GNSS天线来模拟失锁环境。

2.3 数据采集

为了减少车速、扫描距离和IMU漂移误差对点云平面精度的影响[8-9]，本次试验要求在10 min之内完成车载移动测量系统的静态和动态初始化，并以20 km/h的速度匀速直线行驶，在进入试验区前将GNSS天线快速拆掉，在试验区外快速恢复天线原始状态。

本次试验按照设计的网形和间隔先在点云数据中选择质量较好的控制点和验证点，然后采用GPS-RTK和全站仪进行坐标采集。

2.4 数据处理和点云校正

采用POSpac MMS 7.0处理定姿定位POS数据，然后采用Trident软件解算点云数据以及进行点云校正。点云校正操作界面如图3所示。

图3 点云校正操作界面

2.5 精度统计分析

本次试验采用同精度检测方法[10-11]比较统计了22个点的精度，中误差计算公式如下：

单点点云轴向误差计算公式：

Δx=x′-X

Δy=y′-Y

Δz=z′-Z

(1)

式中，(x′,y′,z′)为点云单点坐标;(X,Y,Z)为RTK或全站仪测量的检查点坐标。

中误差计算公式：

(2)

式中，n为检查点个数；Δ为测量值与真值的差值。

平面中误差计算公式：

(3)

式中，σS为平面中误差；σx为x轴中误差；σy为y轴中误差。

2.5.1 200 m不同网形控制点布设方法

各网形布设方法校正结果误差如表1所示。

表1 200 m不同网形控制点布设方法校正结果误差表/m

由表1可知，在GNSS失锁状态下，车载移动测量系统获取的点云数据水平精度明显低于高程精度；在控制点以200 m密度布设时，经过三种布设网形校正后的点云数据精度明显提高，尤其是平面精度，从0.541 7 m提升到0.086 2 m以上。比较三种布设网形校正后的精度，在平面精度方面，直线网形相对最高，双直线网形次之，折线网形最低；而对于高程精度，双直线网形相对最高，直线网形次之，折线网形最低，其中直线网形和双直线网形精度只相差0.008 6 m，基本一致。

2.5.2 400 m不同网形控制点布设方法

各网形布设方法校正结果误差如表2所示。

表2 400 m不同网形控制点布设方法校正结果误差表/m

由表2可知，在控制点以400 m的密度布设时，经过三种布设网形校正后的点云数据精度有较为明显的提高，尤其是平面精度，从0.541 7 m提高到0.148 0 m以上。比较三种布设网形校正后的精度，在平面精度方面，折线网形相对最高，双直线网形次之，直线网形最低；而对于高程精度，直线网形相对最高，双直线网形次之，折线网形最低。

2.5.3 600 m不同网形控制点布设方法

各网形布设方法校正结果误差如表3所示。

表3 600 m不同网形控制点布设方法校正结果误差表/m

由表3可知，在控制点以600 m的密度布设时，经过三种布设网形校正后的点云数据精度有较为明显的提高，尤其是平面精度，从0.541 7 m提高到0.204 6 m以上。比较三种布设网形校正后的精度，在平面精度方面，三种网形基本一致；而对于高程精度，直线网形相对最高，双直线网形次之，折线网形最低。

对比表1～表3中的平面中误差和高程中误差，如图4可知，校正后点云的精度有明显提高，尤其是平面精度。当控制点密度一定时，直线网形和双直线网形控制点校正点云都能得到较高精度；当网形一定时，随着控制点密度的增加，校正后的点云精度也会随之提高；当控制点密度减小时，三种网形校正后的平面精度也会逐渐趋于一致。

图4 不同控制点布设网形和密度对点云校正结果的精度影响

另外，在本次试验中发现，当在最大区间长度(校正时是将轨迹分割为连续的区间，然后根据每个区间内的控制点分别计算该区间的校正参数)内只有轨迹一侧的控制点时，点云注册功能只会校正X、Y、Z三轴的误差，比如直线或折线网形；当在最大区间长度内有轨迹两侧的控制点时，点云注册功能不仅会对X、Y、Z三轴的误差做出调整，同时会校正Heading和Roll的姿态误差，比如双直线或折线网形。直线网形和双直线网形校正结果能基本保持一致，说明当车载移动测量系统在短时间内失锁时，能保障继续获取到准确的姿态数据。因此，当GNSS短时间失锁时，采用直线网形校正即可。

3 结 论

通过本次试验可知，车载移动测量系统以20 km/h的速度采集数据过程中，在GNSS失锁时，点云数据精度会明显降低，但是通过控制点校正的方法可以明显改善点云精度，控制点密度越大，精度提高越明显，而且直线网形布设法是最简单、精度提高也最明显的控制点布设方法。因此，在今后的作业过程中，车载移动测量系统若以20 km/h的速度采集数据时遇到GNSS失锁情况，可以在失锁区域内采取200 m密度的直线网形控制点布设方法来提高点云数据的精度，以便减少外业作业量，提高作业效率。