CC BY
43
УДК 528.7(075.8); 629.78; 630.52:587/588 И.А. Рыльский
ЛАЗЕРНО-ЛОКАЦИОННАЯ АЭРОСЪЕМКА - ОСОБЕННОСТИ МЕТОДА И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Введение. В конце 1990-х гг. арсенал крупномасштабных методов дистанционного зондирования пополнился новым видом съемки — воздушным лазерным сканированием. В настоящее время этот метод нашел широкое применение при проведении инженерных изысканий, при создании топографических и специальных планов местности и т.п., однако до сих пор в отечественной практике географических исследований он используется крайне редко.
Цель публикации — общее освещение возможностей этого метода, уже породившего значительное количество легенд и слухов, а порой и откровенных мистификаций, появившихся из-за редкости его применения.
Исходным термином, обозначающим устройство для проведения, а позднее и сам метод съемки, является аббревиатура LIDAR (Light Detection And Ranging). Существует также альтернативный, реже встречающийся термин ALSM (Airborne Laser Swath Mapping). Термин "воздушное лазерное сканирование", широко употребляемый в отечественных интернет-публикациях, некорректен в силу ряда причин, одна из которых состоит в том, что метод сначала был внедрен в практику инженерных изысканий, а лишь потом попал в поле зрения географов, отчего получил такое название. Представляется, что правильнее говорить о лазерно-локационной аэросъемке (ЛЛА). Именно так мы и будем именовать этот метод в дальнейшем.
В отечественной практике в силу ряда экономико-политических и технологических причин до конца 1990-х гг. не отмечено попыток разработки и практического внедрения аппаратуры отечественного производства для проведения площадных лазерно-локаци-онных аэросъемок. Что же представляет собой данный метод?
Краткое описание метода. ЛЛА относится к активным видам съемок. Установленный на авианосителе (самолете, вертолете) полупроводниковый лазер, работающий в импульсном режиме, испускает короткие импульсы, отражающиеся от поверхности земли. В ходе работы измеряется время прохождения сигнала (что позволяет вычислить дальность до точки отражения) и направление, в котором выпущен импульс. Обработка этих данных позволяет определить координаты точки отражения относительно лазерной съемочной системы, установленной на авианосителе. Точность определения дальности составляет в настоящее время до 1 см.
Пространственное положение лазерной съемочной системы, стоящей на авианосителе, однозначно 15 ВМУ, география, № 4
задается координатами ее центра {ХУ'Х) и тремя углами поворота в пространстве (крен, тангаж и разворот). Поскольку носитель находится в постоянном движении и вращении по всем трем осям (что происходит с большой скоростью), определение указанных 6 параметров должно проводиться с как можно большей частотой, скоростью и точностью. Для решения этой задачи применяется связка из двух устройств — приемника систем глобального позиционирования и инерциального измерительного устройства большой точности (сокращенно будем именовать этот блок ОР5-1Ми) [7].
Инерциальная система позиционирования — это устройство с тремя высокоточными акселерометрами, с большой частотой вычисляющими величины ускорения при поворотах и смещениях системы по каждой из осей и интегрирующими эти показания по времени (для определения смещений). Для определения поворота системы вдоль каждой оси в каждый момент времени используются три высокоточных гироскопа. В целом система подвержена "дрейфу", поэтому при длительных автономных измерениях (без контроля со стороны) точность определения координат и ориентации в пространстве снижается. Для систематического контроля показаний системы используются системы спутникового позиционирования. Приемник системы спутникового позиционирования работает в дифференциальном режиме постобработки, обеспечивающем определение координат с точностью около 10 см. Измерение углов с использованием 1Ми (при условии постоянной коррекции по данным спутниковых наблюдений) осуществляется с точностью 20—60 с [3].
В процессе работы лазерной сканирующей системой изменяется направление испускания импульсов, что обеспечивает сканирование "строки" точек. Смещение носителя при полете местность покрывается съемкой.
Частота испускания импульсов составляет до 200 000 импульсов/с, что обеспечивает плотное покрытие территории съемки отражениями лазерных импульсов даже при скорости полета более 200 км/ч. Как правило, все измерительное и съемочное оборудование, необходимое для ЛЛА, устанавливается на единую платформу, которая монтируется на авианосителе.
Что происходит с лазерным импульсом после его испускания лазером? Короткий импульс, распространяясь по прямой линии, попадает в некоторый объект. Это может быть поверхность земли либо надземный объект размером много больше диаметра ла-
зерного луча, в этом случае импульс отразится назад целиком, тогда после обработки получим одну точку с известными координатами.
В случае если импульс попадает в надземный объект с размером меньше его диаметра, происходит частичное отражение импульса назад, а частично он продолжает двигаться вперед (вплоть до отражения от поверхности земли, когда остаток импульса также пойдет назад). В этом случае мы получим две точки — первое отражение и дальность до него дадут координаты отражения импульса от надземного объекта, второе отражение — координаты поверхности земли.
В случае попадания импульса в воду произойдет его полное поглощение водной средой, что приведет к отсутствию отражений. Это справедливо для большинства современных сканеров (за исключением ряда специальных устройств, речь о которых пойдет ниже).
Таким образом, в результате обработки всех данных ЛЛА мы получим "облако" точек отражения лазерного луча от объектов и поверхности земли. Дешифрируя эти данные (с использованием автоматизированных, интерактивных или комбинированных методов), можно разделить исходный массив точек на классы. Традиционно первичное деление точек на два класса — "земля" и "не земля".
Класс точек "земля" имеет однозначность, подобную однозначности математической функции, когда для данных координат ХУ возможно существование только одной координаты Z (т.е. когда не может быть двух точек, расположенных одна над другой). Класс точек "не земля" расположен всегда над классом "земля" [4].
Класс точек "земля" традиционно используется для создания высокоточной цифровой модели рельефа со всеми вытекающими производными моделями данных о рельефе. Класс точек "не земля" используется для получения геометрических характеристик надземных объектов (высота растительности, размеры крон, высота ЛЭП, мостов, зданий и сооружений и т.п., определение величины провиса проводов, расстояния от объектов до ближайшей растительности).
Таким образом, метод ЛЛА дает высокоточную информацию о геометрических характеристиках объектов. Детальность и точность информации позволяет использовать этот метод для составления ЦМР и картографических материалов масштаба 1:25 ООО— 1:2000 и крупнее.
Технические характеристики метода. На момент написания статьи используемые воздушные лазерные сканеры обладают следующими характеристиками (табл. 1):
— частота сканирования 30—200 кГц; диапазон высот (дальность до объектов) 200—6000 м; абсолютная точность определения дальности 1—4 см; относительная точность определения плановых координат 1/1000—1/11 000; локальная точность определения координат точек отражений лазерного луча 9—12 см;
абсолютная точность определения координат точек 12—15 см;
— ширина полосы сканирования обычно составляет около 0,7 Я, где Н — высота съемки меняется в зависимости от типа аппаратуры и требований к съемке. Высота съемки обычно колеблется в диапазоне 400—800 м, изредка больше (до 4000—6000 м);
— плотность сканирования зависит от масштаба предполагаемых к изготовлению картографических материалов. Для масштаба 1:1000 рекомендована плотность 5—8 точек на 1 м2, для 1:2000 — 2—4 точки на 1 м2. Возможно значительное повышение плотности (до 20 точек на 1 м2 при съемке в один проход и неограниченно — при повторении прохода по одному месту многократно).
Особенности метода и возможности его комплек-сирования с другими методами дистанционного зондирования. Несомненно, детальное описание геометрических характеристик объектов окружающей среды чрезвычайно полезно и важно для проведения исследований территории. Однако для полного набора исследований этого недостаточно, и исследователь, использующий описываемый метод, заинтересуется также проведением классической аэрофотосъемки на изучаемую территорию.
Проведение и обработка классической аэрофотосъемки весьма трудоемки по ряду причин, среди которых — необходимость вычислять элементы внешнего ориентирования камеры (требуется развитое наземное обоснование и высокоточное измерительное оборудование) и выполнять стереообработку данных для получения цифровой модели рельефа и ортофо-тотрансформации.
Вышеуказанные операции могут отнимать до 90% времени, финансовых и трудовых ресурсов, необходимых для реализации проекта по созданию ор-тофотопланов в целом. Однако установка камеры на ту же платформу, где установлен лазерный сканер (см. выше), позволяет получить элементы внешнего ориентирования на основании данных инерциальной координатной системы и приемника систем глобального позиционирования, а цифровую модель рельефа — на основании данных обработки массива точек "земля". При этом первая операция выполняется полностью автоматически, а вторая на данном этапе автоматизирована на 95%.
Подобный подход открывает возможность для использования еще ряда устройств, применение которых на авианосителях было затруднено. Речь идет о кадровых тепловизорах и многозональных сканерах с ПЗС-линейками. Эти приборы находят широкое применение при проведении космических съемок территорий, однако крайне редко используются с авианосителей. Современные тенденции к установке на авианосителе возможно большего числа устройств, работающих в разных спектральных диапазонах, в сочетании с аппаратурой для активных съемок полностью отвечают принципу множественности, которому
Сравнительные характеристики аппаратуры лазерно-локационной съемки,
применяемой в России
Название аппаратуры лазерно-локационной съемки FALCON III LMS-Q560 ALTM 30/70 ALTM 3100EA GEMINI
Производитель TOPOSYS RIEGL OPTECH OPTECH OPTECH
Частота сканирования точек, кГц 125 66 33-70 100 167
Эксплуатационная высота, м 30-2500 30-1800 200-3000 80-3500 80-4000
Охват, градусы 27 45-60 <50 <50 <50
Ширина луча при высоте полета 400 м, м 60 25 8-30 13-35 6-35
Точность измерения дальности, см 1 2 1 1 1
Точность общая плановая, см 20 29 1/2000 высоты 1/5500 высоты 1 /11000 высоты
Точность общая высотная, см 10 17 15+1 см на 100 м высоты >1200 м 15+1 см на 100 м высоты >1200 м 5-10 см
Число регистрируемых отражений 9 >2 4 4 4
Габариты, см 40x48x45; 47x48x58 52x67x35; 40x40x45 25x32x56; 60x60x50 26x19x57; 65x60x50 26x19x57; 65x60x50
подчиняется развитие дистанционного зондирования [1].
Таким образом, аппаратное обеспечение, необходимое для проведения ЛЛА, позволяет с относительно небольшими дополнительными затратами выполнить одновременную аэросъемку территории в видимом, ближнем, среднем и дальнем инфракрасных диапазонах, а также применить появившиеся в последнее время гиперспектральные сканеры. Опыт практического применения показывает, что собственно лазерное сканирование без дополнительных аэросъемок востребовано мало.
Однако существует еще ряд принципиальных особенностей описываемого метода. Как уже отмечалось, возможность регистрации первого и последнего отражений импульса позволяет достаточно точно описать рельеф поверхности земли даже в залесенной местности. Это отличие может показаться малосущественным — ведь создаются топографические карты масштаба 1:25 ООО с использованием только аэрофотосъемки (при этом рельеф рисуется по верхушкам крон деревьев). Между тем для выполнения рисовки рельефа в залесенной местности совершенно необходимы наземные работы по определению высоты лесного покрова и пр. И если требования к составлению карт в масштабе 1:25 ООО еще позволяют довольно достоверно отрисовать рельеф под кронами деревьев, то для масштаба 1:10 ООО требуется уже проведение инструментальных измерений, а о производстве сколько-нибудь адекватных планов в масштабе 1:5000, 1:2000 и 1:1000 вообще не приходится говорить.
Конечно, нельзя считать, что наличие растительности вообще не сказывается на плотности данных. Так, при проведении работ в условиях средней полосы России наличие леса способно в несколько раз
16 ВМУ, география, № 4
Таблица 1 снизить плотность точек на поверхности земли. Однако даже в этих условиях плотность оставшихся точек, "пробившихся" к земле, на несколько порядков превышает плотность точек, которые могут быть получены наземными способами. Наиболее сложными в этом отношении могут быть участки буреломов, также мелкие эрозионные врезы, заросшие густой кустарниковой растительностью. В подобных случаях рекомендуется проводить работы в сезоны, когда устойчивый снежный покров и листва отсутствуют.
К наиболее сложным типам растительности (в аспекте достижения импульсом истинной поверхности земли) относятся камышово-тростниковые заросли и луга с высотой травы более 2 м (луч теряется в траве, рассеиваясь либо создавая несколько ложных отражений), затопленные леса (вода полностью поглощает излучение).
Съемка подводных объектов. Для проведения работ по съемке рельефа дна в последние годы был разработан ряд устройств, наиболее типичным представителем которых является лазерно-локационная система SHOALS 3000 Т. Правильнее называть это направление лазерно-локационной батиметрической съемкой (ЛЛБА). Применение систем лазерно-лока-ционной батиметрической съемки позволяет проводить сканирование как суши, так и обводненных территорий и акваторий водоемов с получением информации о рельефе дна до глубины 50 м (при прозрачной воде) и до 20 м в замутненной.
Универсальность системы дается ценой снижения производительности и точности съемки. Частота работы этой системы в режиме сканирования суши в 4—10 раз ниже частоты работы обычного сканера (табл. 2), а в режиме сканирования дна — в 25—70 раз (табл. 3). Точность определения высот примерно одинакова, а вот плановая точность (около 1 м в наземном и около 2,5 м в подводном режиме против примерно 10—15 см у обычного сканера) хуже в 7—15 раз. Несмотря на указанное, подобная система значительно превосходит по производительности и точности все прочие методы ведения измерений под водой.
Более низкая частота работы системы в подводном режиме обусловлена пониженной скоростью распространения света в воде, что требует более долгого "ожидания" возвращения выпущенного импульса. Рассеивание света в воде также весьма велико, что
Таблица 2
Характеристики SHOALS-3000 в наземном режиме (www.geolidar.ru)
Частота измерения 20 000 Гц
Рабочие высоты 300-700 м
Плановая точность 2,0 м, 1 с, DGPS 2/ЮООх высота, KG PS
Высотная точность 25 см, 1 с
неизбежно сказывается на ширине "луча" в момент его отражения от дна. Частичное отражение и преломление света при наличии даже небольшой ряби также ослабляют сигнал.
Применение подобной системы в гидрологии в высшей степени оправданно. Помимо производительности, высокой точности и значительных глубин данный метод позволяет избегать плавания по опасным водам, что особенно важно при картографировании несудоходных рек, а также горных рек и зон, запрещенных к плаванию (территории отстойников, сливов и т.п.).
Использование метода в географических исследованиях. Помимо применения подобного метода в качестве основного инструмента для информационного обеспечения общегеографическими данными и создания ЦМР можно отметить ряд направлений его использования для тематических исследований, особенно в сочетании с материалами одновременно проведенных аэрофотосъемок в видимом и ИК-диапазо-нах.
Укажем лишь несколько направлений возможного применения:
— в геологии и сейсмологии этот метод используется для локализации зон поднятий и опусканий. Пример — обнаружение Сиэттлского разлома в штате Вашингтон, США;
— в гляциологии метод используется при изучении динамики ледников;
— в биогеографии основное направление применения метода — определение размеров крон, бонитета деревьев, числа ярусов, вычисление биомассы и ряда других характеристик [4];
— в экологических исследованиях возможно применение авиационных лазеров для одновременного определения положения в пространстве и газоанализа;
— в геоморфологии — выявление и изучение эволюции всех видов форм рельефа, особенно микрорельефа, зарождения эрозионных форм, определения объемов наносов и перемещенного рыхлого материала (миграция барханов, дюн, абразия берегов, размыв берегов и т.п.);
— в гидрологии — определение объемов снега, выявление изменений в рельефе дна, отмелей и прибрежных территорий.
Лазерно-локационная космическая съемка. Лазер-но-локационная космическая съемка успешно использована в миссии MOLA (Mars Orbiting Laser Altimeter) для построения цифровой модели рельефа
Таблица 3
Характеристики SHOALS-3000 в подводном режиме (www.geolidar.ru)
Максимальная частота 3000 Гц
измерения
Точность измерения глубины IHO Order 1 (25 см, 1 с)
Минимальная глубина 0,20 м
Максимальная глубина 50 м
Плотность зондирования 2х2, ЗхЗ, 4х4, 5х5м
Ширина полосы Переменная, до 0,58 от высоты полета
Плановая точность IHO Order 1 (2,5 м, 1 с)
Марса. Разработанные в последние годы лазерные системы, использующие эффект Допплера, также способны определять скорость ветра как вдоль оси полета, так и в трехмерном конусе (например, HALIE LI DAR, разработанный NASA и используемый для исследования скорости ветра в заданном регионе, этот агрегат пока имеет только наземное базирование). Однако пока не создана аппаратура космического базирования, позволяющая достичь съемки некоторой полосы с плотностью, хоть сколько-нибудь сопоставимой с плотностью, достигаемой с использованием ЛЛА. В основном точки лазерных отражений образуют цепочку вдоль оси полета (лазерно-локаци-онный профиль). Основная причина этого — высота орбиты и число источников излучения. При высоте полета 750 км и скорости спутника 8 км/с лазерный импульс должен пройти 1500 км для регистрации одного отражения. Учтя скорость света, получим, что скорость сканирования составит в среднем 1 точку на 40 м линейного смещения сканера. Этого недостаточно для ведения площадного сканирования, и на появление площадных сканеров космического базирования рассчитывать пока не приходится. Вероятно, в ближайшие годы мы не станем свидетелями конкуренции между лазерами космического и воздушного базирования, подобной грядущей конкуренции средств космической сканерной и цифровой аэрофотосъемок.
Основные тенденции развития технологий лазер-но-локационной аэросъемки. Развитие техники в основном идет в направлении повышения плановой точности, частоты съемки и регистрации большего числа точек отражений от одного импульса. Так, за период с 2000 по 2008 г. частота используемой аппаратуры возросла с 5 до 200 Гц, плановая точность — почти в 10 раз, число точек отражений — от 1 до 9 и до полной оцифровки принятого сигнала. Дальнейшее увеличение частоты сканирования ограничивается необходимостью решать проблемы, сходные с проблемами космического лазерного сканирования. Для повышения плановой точности пока теоретические пределы не установлены. Однако абсолютная точность определения координат точек отражений лимитирована точностью определения координат носителя средствами спутникового позиционирования, которая на сегодняшний день составляет 8—10 см [6].
Основные тенденции развития методов обработки лазерно-локационной съемки. Основным направлением развития средств обработки данных остается дальнейшая автоматизация работ. В основном это касается повышения достоверности автоматического разделения точек на классы "земля" — "не земля", целью является полное исключение ручного труда и интерактивной правки. В настоящее время в основном применяются алгоритмы, анализирующие топологию взаиморасположения точек. Однако наиболее перспективны алгоритмы, применяющие дополни-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Книжников Ю.Ф. Аэрокосмическое зондирование: методология, принципы, проблемы. М.: Изд-во МГУ, 1997.
2. Книжников Ю.Ф., Вахнина О. В. Инфраструктура пространственных данных университетского научного полигона "Сатино"// Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. В печати.
3. Медведев Е.М. Лазерная локация и аэрофототопография. М.: Проспект, 2006.
4. Медведев Е.М., Данилин И.М., Мельников С.Р. Лазерная локация Земли и леса: Учеб. пособие. М.: Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2007.
Лаборатория комплексного картографирования
тельный анализ формы оцифрованного сигнала в сочетании с анализом интенсивности принятого сигнала. Имеющиеся опыты практического применения подобных алгоритмов показывают высокую достоверность классификации точек. Параллельно лазерно-локационной аэросъемке бурно развиваются методы наземной лазерно-локационной съемки, и уже сейчас эти два метода рассматриваются в качестве важнейших методов информационного наполнения инфраструктур пространственных данных [2, 5].
5. Haalaa N., Reulkea R. Thiesb Combination of terrestrial laser scanning with high resolution panoramic images for investigations in forest apllications and tree species recognition. University of Stuttgart, 2004.
6. http://www.ark-on.ru/science.html
7. http://home.iitk.ac.in/~blohani/LiDAR_Tutorial/Airbome_ AltimetricLidar Tutorial.htm
Поступила в редакцию 17.01.2008
I.A. Rylsky
LASER LOCATION AERIAL SURVEY AS A NEW TECHNIQUE
FOR THE INFORMATIONAL SUPPORT OF GEOGRAPHICAL STUDIES
New aviation-based methods of acquisition of remote sensing data, i.e. aerial laser scanning, digital aerial photography, hyperspectral scanning and infrared imaging, contributed to a qualitative progress in the informational support of geographical studies. Technical characteristics of the equipment are constantly improving. It is possible to acquire information about geometrical and spectral features of an object at the same time, very quickly and with a high degree of accuracy. This provides for rather extensive and thorough geographical research basing on the data of 1:1000 to 1:5000 scales. However the potential of new technologies could hardly be realized in full in the absence of well-developed procedures of how to use these data in the geographical studies.
17 ВМУ, география, № 4
