陈 辉，蒋明秀，江 瑞

（1.浙江省测绘科学技术研究院，浙江 杭州 311100）

车载激光扫描系统通过汽车平台搭载的激光扫描仪、惯性测量单元（IMU）、全球导航卫星系统（GNSS）、车轮编码器（DMI）以及全景相机等多种传感器实时获取行车轨迹两侧一定距离范围内目标地物的三维坐标、强度和纹理信息，具有无接触、主动、快速、高精度等特点，已成为一种获取空间地理信息数据的重要技术手段。

目前，国内外研究多数集中在车载激光扫描系统的误差来源[1-3]、后期控制纠正[3-5]以及系统应用[6-9]等方面，而在不同GNSS时段对车载激光扫描系统的影响方面还鲜有涉及。本文旨在通过一系列实验获取同一环境在同一天不同GNSS时段下的扫描数据，从而分析研究不同GNSS时段对车载激光扫描系统的影响，为车载激光扫描系统实际作业提供指导。

1 车载激光扫描系统原理与误差构成

分析不同GNSS时段对车载激光扫描系统的影响之前，必须了解车载激光扫描系统的测量原理和误差构成。车载激光扫描系统利用激光扫描仪获取目标地物与激光中心的距离和角度信息，利用GNSS、 IMU、DMI分别记录各传感器在扫描过程中的位置、姿态与里程数据，再结合基站数据通过各传感器相互位置关系融合生成具有绝对坐标信息的三维激光点云。坐标转换公式[6]为：

其向量形式则可表示为：

式中，PWGS84为任意激光点在WGS84坐标系下的坐标；RW、RG分别为与当前位置有关的坐标转换旋转矩阵；RN、RL分别为实测或内插的与姿态角和扫描角有关的旋转矩阵；RM为安置误差旋转矩阵；r为任意激光点在瞬时激光束坐标系中的位置向量；tL为激光扫描仪中心与IMU参考中心的偏心量；tG为天线相位中心与IMU参考中心的偏心量；APCWGS84为天线相位中心的瞬时位置。

由式（1）、式（2）可知，影响激光扫描测量的主要因素包括：①激光扫描仪测量误差（激光测距误差、扫描角误差等）；②定位定姿误差（GNSS动态定位误差、IMU姿态测定误差、DMI测距误差）；③系统集成误差（各传感器之间的偏心量误差、安置角误差）。

2 不同GNSS时段对车载激光扫描影响实验

2.1 实验设计

1）实验区域。实验采用SSW车载激光扫描系统进行数据采集。实验区域分为两块：①位于杭州市区（测区1），道路长约2.5 km，两侧建筑林立、行道树高大密集；②位于杭州郊区（测区2），道路长约3.5 km，两侧建筑低矮、视野开阔。

2）实验组1。在同一天的3个不同GNSS时段沿相同路径对测区1进行扫描，时段分别为北京时间 11：00－11：45、14：25－15：15、17：25－18：15，其中车载激光扫描系统的初始化和结束化过程已按照要求在位于测区边GNSS信号良好的空旷地带进行。

3）实验组2。在同一天的3个不同GNSS时段沿相同路径对测区2进行扫描，时段分别为北京时间 06：50－08：00、08：30－09：30、11：30－12：30，其中车载激光扫描系统的初始化与结束化过程就在测区内进行。

2.2 实验结果

由于各传感器之间属于刚性连接，车载激光扫描系统也经过严密标定，且每个实验组内部均采用相同路径对同一环境进行扫描，因此可认为激光扫描仪测量误差与系统集成误差在不同GNSS时段是基本不变的，定位定姿误差直接决定了车载激光扫描系统最终的点云精度。

本文利用GNSS、IMU紧耦合组合导航解算结果来评定不同GNSS时段对车载激光扫描的影响。对实验组1和实验组2扫描所获取的数据进行处理，获取GNSS、IMU紧耦合组合导航解算结果。实验组1和实验组2的组合导航位置误差如图1、2所示。

图1 实验组1的组合导航位置误差

2.3 结果分析研究

由图1可知，3次扫描的数据可靠性均不高（其中曲线前后两端的平稳时段是因为扫描车还处于初始化和结束化时间），且三者之间存在较大的差异，其排序为Test1-2＜Test1-1＜Test1-3，说明在测区1环境下不同GNSS时段对车载激光扫描系统的影响较大。

由图2可知，3次扫描的数据可靠性非常好（可达cm级），考虑到GNSS本身cm级的动态定位误差，Test2-1可靠性≈Test2-2可靠性≈Test2-3可靠性，说明在测区2环境下不同GNSS时段对车载激光扫描系统的影响可忽略不计。

图2 实验组2的组合导航位置误差

为进一步研究产生上述区别的原因，本文对比分析了各次扫描所处GNSS时段的卫星数和PDOP值，如图3、4所示，可以看出，实验组1所处环境的GNSS信号在同一天的不同时间段（扣除初始化和结束化时段）也有较大差别，信号质量Test1-2＜Test1-1＜ Test1-3，这与三者的扫描数据可靠性差异是完全一致的；实验组2所处环境的GNSS信号在3个时间段内虽有差异但整体均表现良好且明显则优于实验组1，因此可以得出以下结论：

图3 实验组1各次扫描的卫星数和PDOP值

图4 实验组2各次扫描的卫星数和PDOP值

1）在树木、建筑物遮挡严重的GNSS信号较弱区域，不同GNSS时段对车载激光扫描的影响很大，扫描数据的可靠性由不同时段GNSS信号的优劣决定，这也验证了车载激光扫描系统的主要精度依旧依赖于GNSS设备，即使拥有高精度IMU，但当系统较长时间处于GNSS信号较弱区域时，IMU对系统定位误差的纠偏也非常有限。因此，在这种环境下作业时，需考虑不同GNSS时段对车载激光扫描的影响，尽量规划一天中GNSS信号较好的时间段进行扫描作业，以提高最终点云数据的可靠性，计划作业区域的GNSS信号优劣（卫星数量和PDOP值）可从卫星星历预报软件或平台提前预报得知。

2）在视野开阔的GNSS信号良好区域，不同GNSS时段对车载激光扫描的影响微小，甚至可忽略不计。因此，在这种环境下作业时，无需考虑不同GNSS时段的影响。

3 结 语

本文通过一系列实验，分析并研究了不同GNSS时段对同一环境下车载激光扫描的影响，得到了相应的结论，对于车载激光扫描系统的实际作业具有很强的参考意义，可大力提高车载激光扫描系统在城市作业的可靠性。