CC BY
133
ВЫБОР МЕТОДИКИ УРАВНИВАНИЯ ДАННЫХ
МОБИЛЬНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ
ОТ КАЧЕСТВА ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ И СНИМАЕМОЙ ТЕРРИТОРИИ
Владимир Адольфович Середович
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, профессор, проректор по научной и инновационной деятельности, тел. (383) 343-39-57, e-mail: v.seredovich@list.ru
Максим Александрович Алтынцев
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования, тел. (383)343-29-66, e-mail: mnbcv@mail.ru
Роман Александрович Попов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер НИС, e-mail: romalex_profi@mail.ru
В статье рассмотрены проблемы выбора методики уравнивания данных мобильного лазерного сканирования. Приведены примеры метода уравнивания данных различного качества на определенные территории. Сделаны выводы о целесообразности применения описанных методик в различных случаях.
Ключевые слова: мобильное лазерное сканирование, уравнивание данных,
точность.
THE CHOICE OF MOBILE LASER SCANNING DATA ADJUSTMENT TECHNIQUE SUBJECT TO OBTAINED DATA QUANTITY OF SURVEYED AREA
Vladimir A. Seredovich
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, professor, vice rector for scientific and innovative activity, tel. (383)343-39-57, e-mail: v.seredovich@list.ru
Maxim A. Altyntsev
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, senior lecturer, engineering geodesy and mine surveying department, tel. (383)343-29-55, e-mail: mnbcv@mail.ru
Roman A. Popov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, engineer, SRS, e-mail: romalex_profi@mail.ru
The issues of mobile laser data scanning adjustment choice are considered. The examples of data adjustment techniques of various quality for defined areas are described. The conclusions about suitability of described technique application in various situations are done.
Key words: mobile laser scanning, data adjustment, accuracy.
Мобильное лазерное сканирование в настоящее время является одним из наиболее развивающихся методов геодезической съемки. Каждый год на мировом рынке появляются новые съемочные системы мобильного сканирования. В основное устройство таких систем входят лазерные сканеры, цифровые камеры, GPS-антенна, инерциальная система [1-4].
Сырые данные лазерного сканирования содержат ошибки как в плановом, так и высотном их положении. Поэтому при обработке данных мобильного лазерного сканирования особо важен этап их уравнивания, который заключается в устранении различий в положении точек лазерных отражений, полученных при различных проездах съемочной системы по одному и тому же участку территории. Для этого необходимо выполнять поиск поправок во все элементы внешнего ориентирования сканов: координаты XYZ положения GPS-антенны, углы курса Н , крена Я и тангажа р, определяемые инерциальной системой. От точности уравнивания
зависит дальнейшее качество создаваемой продукции [5-7].
В зависимости от снимаемой территории подход к уравниванию данных может отличаться. Выбор методики уравнивания зависит от того, какого типа территории была выполнена съемка: сельская местность, городская
территория, протяженные линейные объекты или большие участки съемки, содержащие все перечисленные типы. Также выбор методики зависит от того, в течение какого промежутка времени выполнялась съемка, то есть насколько разновременные данные необходимо уравнять [8].
Исследования по выбору технология уравнивания данных мобильного лазерного сканирования (МЛС) были выполнены на примере данных, полученных на территорию г. Новосибирска в августе 2012, апреле и сентябре 2013 года. Для уравнивания применялся программный комплекс (ПК) TerraSolid. Среди всего массива данных были взяты следующие участки:
- участок протяженностью 6 км от улицы «Станционная» до аэропорта «Толмачево» за август 2012 года;
- участок протяженностью 3 км от метро «Красный проспект» до автовокзала за апрель и сентябрь 2013-ого года.
Первый участок характеризуется открытыми пространствами, в пределах которого расположено крупное строение - «Новосибирск Экспоцентр». Проезд по участку был осуществлен в прямом и обратном направлении, а также вокруг Экспоцентра. Второй участок представляет собой плотную городскую застройку. Проезд здесь был осуществлен в прямом и обратном направлении несколько раз как в апреле, так и сентябре. Также был выполнен проезд по большинству улиц, проходящих через рассматриваемый участок. Проезд через некоторые перекрестки данного участка осуществлялся до 8-ми раз. Пример облака ТЛО данного участка показан на рис. 1.
Вариант совместной обработки данных второго участка представляется наиболее сложным из-за большой загруженности территорий, множества проездов и большого временного промежутка между съемками. Подобрав методику уравнивания таких данных, можно применить её и к более простым ситуациям, таким как первый участок, исключив из неё несколько необязательных этапов.
Рис. 1. ТЛО ул. Красный проспект до уравнивания
Необходимым условием для начала уравнивания любых данных являются полностью откалиброванные точки лазерных отражений (ТЛО). Некалиброванные ТЛО приводят к нахождению неправильных поправок в различные элементы внешнего ориентирования сканов [1].
Прежде, чем приступить к уравниванию разновременных данных, необходимо выполнить конвертирование GPS времени, хранящихся в файлах ТЛО и траекториях, из формата времени от начала недели в секундах, используемый по умолчанию, в формат, учитывающий и номер недели. ПК TerraSolid не может корректно обрабатывать данные, полученные на разных неделях, но в одни и те же её дни, из-за одинаковых значений времени в таком формате. Для этого следует сначала для каждой съемочной недели создать свой проект и импортировать в него точки, а затем после конвертации GPS-времени выполнить объединение проектов.
Далее следует импортировать траектории, разделить их на отдельные участки и присвоить каждой ТЛО номер соответствующего участка траектории.
Следующий этап включает в себя удаление точек, полученных на расстоянии более 100 метров от системы мобильного лазерного
сканирования в момент съемки, и точек, полученных при остановках движения данной системы.
Уравнивание данных МЛС следует выполнять по классифицированным ТЛО. Необходимо выделить землю, полосу точек земли шириной около 4 метров вдоль траектории движения системы и ТЛО стен зданий. Выделенная полоса позволяет точно найти поправки в высотное положение ТЛО за счет ровной поверхности автодорожного покрытия. ТЛО стен зданий помогают устранить ошибки планового их положения.
Для уравнивания ТЛО и траекторий применяется функция поиска связующих линий, то есть линий, соответствующих различным облакам точек одних и тех же объектов, полученных при проездах съемочной системы по одному и тому же участку местности от двух и более раз. По этим линиям выполняется поиск поправок во все элементы внешнего ориентирования. Поправки могут применяться к ТЛО, траекториям и самим связующим линиям. При уравнивании разновременных данных требуется выполнять контроль найденных связующих линий, так как плановая и высотная городская часть за определенный промежуток времени может измениться. В этом случае необходимо удалять такие автоматически найденные связующие линии. На рис. 1 приведен пример ТЛО ул. Красный проспект до уравнивания.
В автоматическом режиме последовательно выполняется поиск и применения поправок в каждой точке траектории в следующей последовательности:
-координаты XYZ положения GPS-антенны;
-углы курса Н, крена р и тангажа р.
В табл. 1 приведена оценка точности уравнивания ТЛО участка ул. Красный проспект, полученных после применения данных поправок. Из таблицы видно, что ошибки планового положения были устранены не полностью. Связано это с тем, что связующие линии были найдены не на всех стенах зданий, а только на ближайших к автомобильным дорогам. На остальных стенах ТЛО было недостаточно. Для полного устранения ошибок в плановом положении необходимо, чтобы связующие линии были бы найдены на всех стенах каждого здания, что возможно только в случае проезда вокруг каждого здания отдельно. При городской застройке выполнить это сложно. Поэтому ошибки планового положения на таких участках следует дальше устранять путем интерактивного набора связующих точек на четких контурах, таких как углы различных построек. На рис. 2 и в табл. 2 приведены результаты окончательного уравнивания ТЛО участка улицы «Красный проспект».
Таблица 1
Оценка точности автоматического уравнивания координат ТЛО
Опорные точки
Контрольные точки
X, м Y, м 7, м X, м Y, м 7, м
Средняя ошибка. 0.015 0.015 0.003 0,063 0,079 0,006
СКО 0.024 0.023 0.004 0,094 0,101 0,014
Макс. ошибка. 0.189 0.214 0.058 0,324 0,298 0,061
Рис. 2. ТЛО ул. Красный проспект после уравнивания
Таблица 2
Оценка точности после интерактивного уравнивания координат ТЛО
Опорные точки Контрольные точки
X, м Y, м 7, м X, м Y, м 7, м
Средняя ошибка 0.004 0.004 0.003 0,012 0,012 0,007
СКО 0.009 0.008 0.004 0,021 0,020 0,015
Макс. ошибка 0.099 0.041 0.058 0,120 0,090 0,076
На рис. 3 приведена полная технологическая схема уравнивания ТЛО.
Данная методика может применяться для большинства территорий и времени съемки. В случае обработки данных, отснятых менее чем за одну неделю, из методики можно исключить этап конвертирования ОРБ-времени. Также на участки съемки, не подвергшимся за её время изменениям, не выполняют этап интерактивного удаления связующих линий. Также следует учитывать и другие особенности снимаемых территорий.
На таких открытых участках, без зданий, деревьев, как территория от улицы «Станционная» до аэропорта «Толмачево», точность получения
исходных траекторий значительно выше. Открытые участки способствуют получению хорошего ОРБ-сигнала. Отсюда точность координат ТЛО до уравнивания значительно выше, чем на городских территориях, что положительно сказывается и на результаты уравнивания. Также на рассматриваемом участке был выполнен несколько раз в различных направлениях проезд вокруг крупного строения - «Новосибирск Экспоцентр». Вследствие кругового проезда связующие линии были найдены на всех стенах строения.
Рис. 3. Методика уравнивания данных МЛС
На рис. 4 с видом «сверху» приведен пример облака ТЛО на территорию «Новосибирск Экспоцентр».
Рис. 4. Съемка территории «Новосибирск Экспоцентр»
В табл. 3 приведены результаты оценки точности после этапа поиска поправок за углы курса, крена и тангажа по связующих линиям и их применения, из которой видно, что следующий этап интерактивного набора связующих точек выполнять не требуется. Ошибки по контрольным точкам уже после этапа автоматического уравнивания были получены на уровне ошибок интерактивного уравнивания участка улицы «Красный проспект».
Таблица 3
Оценка точности автоматического уравнивания координат ТЛО
для открытых участков
Опорные точки Контрольные точки
X, м Y, м Z, м X, м Y, м Z, м
Средняя ошибка. 0.007 0.005 0.006 0,015 0,016 0,010
СКО 0.012 0.008 0.005 0,024 0,026 0,012
Макс. ошибка 0.099 0.041 0.031 0,101 0,104 0,036
Таким образом, в результате экспериментальных исследований была разработана методика уравнивания данных мобильного лазерного сканирования в ПК ТеггаБоИё, применимая для территорий различного характера и застройки. Также были выполнены исследования, показывающие в каких случаях тем или иным этапом методики можно пренебречь. По предложенной методике были уравнены данные сканирования на два участка г. Новосибирска и выполнена оценка точности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ussyshkin V. Mobile Laser Scanning Technology for Surveying Application: From Data Collection to End-Products [Text] // FIG working week. - Eilat, Israel, 3-8 May 2009.
2. Середович В. А., Алтынцев М. А. Применение данных мобильного лазерного
сканирования для создания топографических планов // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика,
картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.).
- Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 3. - С. 96-100.
3. Ковач Н. С., Клименок И. В. Возможности применения мобильного лазерного сканирования для мониторинга дорог и сопутствующей инфраструктуры на основе опыта произведённых работ на участках Октябрьской, Рязанской, Смоленской и Брянской железных дорог // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3. -С. 92-97.
4. Деговцев А. А. Технология мобильного лазерного сканирования для выполнения проектно-изыскательских работ // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3. - С. 140-144.
5. Середович В. А., Востров И. В. Обзор современных программных продуктов для создания и использования трехмерных моделей для проектирования автомобильных дорог // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3. - С. 115-120.
6. Середович В. А., Алтынцев М. А., Анцифиров Е. С. Исследование точности уравнивания данных мобильного лазерного сканирования // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.).
- Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 3. - С. 90-95.
7. Антипов А. В. Калибровка данных воздушного лазерного сканирования в программном продукте TerraSolid // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 4. -С. 7-10.
8. Алтынцев М. А., Антипов А. В. Уравнивание данных воздушного лазерного сканирования для создания поверхности дорожного полотна // Инновационные технологии сбора и обработки геопространственных данных для управления природными ресурсами: сб. материалов Междунар. конф. - Алматы, Республика Казахстан: Казахский национальный технический университет имени К. И. Сатпаева, 2012. - С. 24-31.
9. Широкова Т. А., Антипов А. В., Арбузов С. А. Определение изменений на местности с применением данных лидарной съемки // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. - С. 38-45.
© В. А. Середович, М. А. Алтынцев, Р. А. Попов, 2014
