CC BY
191
МЕТОДЫ ЛАЗЕРНОЙ ЛОКАЦИИ
И ЦИФРОВОЙ АЭРОФОТОСЪЕМКИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ
ИНЖЕНЕРНЫХ ИЗЫСКАНИЙ
Е.М. МЕДВЕДЕВ
E. M. MEDVEDEV
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА KEYWORDS:
Генеральный директор ООО «Альтекс Геоматика», Профессор кафедры маркшейдерского дела ИрГТУ, к.т.н.
General manager «Altex Geomatica» company, prof., phd.
Москва
e-mail: manukov@cge.ru Moscow
Лазерная локация, лидары, аэрофототопография, инженерные изыскания, топографические планы, цифровая модель рельефа. Laser location, lidars, aerial topography mapping, civil works, topography plans, digital terrain model
Применение лазерно-локационной технологии позволяет предложить принципиально новые методики топографо-геодезической и инженерно-изыскательской деятельности, и вообще всех прикладных дисциплин, связанных со сбором и обработкой геопространственных данных.
The use of laser location technologies make it possible to introduce a principally new method of aerial topography mapping, civil works and all other applied disciplines related to geospatial data acquisition and processing.
В том числе, впервые появляется возможность радикально интенсифицировать все составляющие технологического цикла производства топографических карт и планов крупных масштабов. Это позволяет говорить о появлении на базе лазерно-локационного метода систем картографирования реального времени (СКРВ). Этот термин, конечно, нуждается в уточнении, так как категорию реального времени не следует понимать буквально - топографический план не появляется непосредственно в ходе проведения лазерно-локационной съемки. Однако этот термин выражает главную отличительную черту используемой технологии и программно-аппаратных систем, которые эту технологию реализуют - переход на методы картографирования, при которых продолжительность этапов камеральной обработки съемочных данных сравнима с продолжительностью сбора данных, т.е. выполнения собственно аэросъемочных работ Необходимо подчеркнуть, что современный лазерно-локацион-ный метод в топографии предполагает использование не только собственно лазерных локаторов, но и других средств сбора геопространственных данных, прежде всего цифровых аэрофотоаппаратов, а также массу других аппаратных и программных средств.
Однако название «лазерно-локационный» правильно отражает существо метода, так как именно наличие этого специфического вида данных в наибольшей степени отличает его от других топографо-геодезических методов.
Все три указанных основных источников данных, в равной мере символизируют и три, в значительной степени независимые технологии сбора и обработки геопространственных данных, соответственно прикладную лазерную локацию, цифровую аэрофототопографию и современную инерциальное-спут-никовую навигацию. Каждая из этих технологий обладает самостоятельной значимостью в современной геоинформатике, но именно их синтез позволил появиться СКРВ.
РАДИКАЛЬНАЯ ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАБОТ ПО КРУПНОМАСШТАБНОМУ ТОПОРГАФИЧЕСКОМУ КАРТИРОВАНИЮ
Ниже будет показано, что функции СКРВ не сводятся исключительно к решению топографических и картографических задач. С использованием таких систем уже сегодня решаются многие задачи инженерной геодезии, экологии, таксации леса и др. Вообще, с использованием СКРВ возможно получение
принципиально новых агрегатов данных, не имеющих аналогов в классических аэрогеодезических технологиях.
Несомненно, главный вопрос, возникающий при анализе СКРВ и их роли среди других современных геоинформационных технологий может быть сформулирован следующим образом: Насколько радикальна предлагаемая интенсификация?
Естественно корректный ответ на этот вопрос возможен только при корректном выборе базы для сравнения. В качестве альтернативных классических технологиях топографического картирования могут рассматриваться:
1. Наземная топографическая съемка.
2. Аэрофототопография - фотограмметрия.
3. Радиолокация.
4. Космическая съемка.
Корректное сравнение в смысле исследования технологической интенсификации, которая достигается за счет применения СКРВ, возможно при использовании в качестве базы классической аэрофототопографической технологии, которая в свою очередь основана на использовании стереотопографического метода создания карт и планов.
С учетом представленных выше разъяснений можно дать следующий ответ на поставленный выше вопрос о степени ►
Рис. 1 Алгоритмы морфологической селекции позволяют в автома- Рис. 2 Совместная визуализация
тическом режиме выделять многие классы объектов: поверхность и обработка лазерно-локационных
земли, растительность, провода и опоры ЛЭП, здания и др. и аэрофотографических данных.
ЭКСПОЗИЦИЯ НЕФТЬ ГАЗ 1/Н (07) февраль 2010 г.
ГЕОЛОГОРАЗВЕДКА 11
Рис. 3 Стереоскопическое представление лазерно-локационных данных. Большое значение имеет возможность автоматизации процедуры приведения лазерно-локационных, аэрофотографических и других видов данных дистанционного зондирования к единой геодезической системе координат. Возможность стереоскопического наблюдения данных всех видов, причем как раздельно, так и совместно дополнительно способствует повышению достоверности камеральных работ.
Рис. 4 Фрагмент Цифровой Модели Рельефа, построенной по лазерно-локационным данным в программной среде ALTEX¡s/ Аналитическая форма генерации и анализа ЦМР позволяет добиться максимальной точности и достоверности. Впервые появляется возможность количественной оценки (в см) точности восстановления рельефа. На рисунке градациями красного тона представлены статистические численные оценки точности определения пространственного положения поверхности истинного рельефа. Области с более ярким красным тоном, соответствуют большим погрешностям определения пространственного положения поверхности рельефа.
интенсификации работ по крупномасштабному топографическому картированию, достигаемому при использовании СКРВ: при корректном методе сравнения речь может идти об ускорении в разы и даже на порядки.
Иными словами, если при использовании традиционных аэротопографических технологий картографирование определенной территории в заданном масштабе могло потребовать месяц, то с использованием СКРВ эта же работа заняла не более нескольких дней. Подчеркнем, что и в первом и во втором случаях речь идет именно о всем комплексе работ, включая геодезические, аэросъемочные и камеральные.
Значительную роль в теории и практике СКРВ играет также ряд других базовых прикладных дисциплин и технологий, таких как:
- Цифровая фотограмметрия.
- Геодезия.
- Гравиметрия.
- Математическая картография.
- В качестве отдельного направления сегодня уже можно выделить: методы математической (программной обработки) данных лазерно-локационной съемки совместно с цифровыми аэрофотосъемоч-ными данными.
С учетом вышеизложенного можно представить следующие рекомендации по правильному толкованию термина «реальное время», входящего в определение СКРВ:
- Было бы неправильно утверждать, что при практическом использовании СКРВ топографический план «рождается» сразу на борту самолета-аэросъемщика. По крайней мере, сегодня, это еще невозможно.
- СКРВ не отменяют ряд важнейших технологических процессов, такие как камеральное дешифрирование и все другие процессы, связанные с созданием семантической составляющей карты.
Однако не будет преувеличением сказать, что важнейшим результатом применения СКРВ на практике является следующий факт: длительность цикла производства законченной рельефной части карты и выделения
многих контуров географических объектов и ортофотомозаики (транформированных и ге-опривязанных аэрофотоснимков) сопоставима по продолжительности фазы аэросъемки. Иными словами, все данные, собранные за каждый аэросъемочные день, могут быть обработаны до начала следующего дня.
Обсудим еще раз важнейшие тенденции в развитии современных аэросъемочных технологий, определяющие успех практического использования СКРВ.
Рост производительности лазерно-лока-ционных систем:
1993 ALTM 1020 5 KHz
1997 ALTM 1025 25 KHz
2001 ALTM 3033 33 KHz
2002 ALTM 2050 50 KHz
2002 ALTM 30/70 70 KHz
2003 ALTM 3100 100 KHz
2006 ALTM 2100 EA 100 кГц - точность измерения наклонной дальности 2-3 см
2007 ALTM Gemini - более 100 кГц максимальная высота съемки 4000 м, возможность съемки на высоте 2000 м с максимальной производительностью.
Предполагается, что рост производительности авиационных лидаров продолжится.
- Совершенствование алгоритмов селекции «лазерных точек»
Селекция лазерных точек предполагает установление принадлежности каждой отдельной точки или группы тому или иному морфологическому компоненту: поверхности рельефа, растительности, зданиям, ЛЭП и другим классам объектов. Автоматическая селекция функционально связана с построением векторных моделей географических объектов. Успехи в совершенствовании алгоритмов селекции прямо сказываются в повышении степени автоматизации и следовательно производительности как самих лазерно-локационных систем, так и СКРВ, построенных на их основе.
- Имеются многочисленные примеры использования лазерно-локационных данных в форме «интенсивности» отраженного сигнала. Такие данные
представляют собой по сути цифровой ортофотоплан в истинных геодезических координатах. С увеличением производительности воздушных лазерных локаторов можно рассчитывать на повышение разрешения на местности таких «квазиортофотопланов». Наличие такой информации позволяет выполнять многие дешифровочные работы без привлечения аэрофотоснимков.
- Построение поверхностей истинного рельефа. Выделение поверхности истинного рельефа с использованием алгоритмических процедур позволяет уверенно восстанавливать форму поверхности рельефа даже под густыми кронами деревьев, находящихся в фазе вегетации. Это позволяет значительно расширить границы применимости лазерно-локаци-онного метода и СКРВ в целом.
- Значительные успехи достигнуты в последние годы как в повышении точности лазерно-локационного метода в целом, так и в повышении достоверности и общей информативности выходных топографических материалов. Так в 2008 г компания Optech, мировой лидер в области производства авиационных лида-ров, предложила модели ALTM 3100EA и ALTM Gemini, обеспечивающие точности измерения наклонной дальности на уровне 3-5 см. Вместе с тем современные алгоритмы выделения поверхности истинной земли и других важнейших топографических и структурных поверхностей и контуров позволяют добиться точности геопозиционирования этих поверхностей и контуров на уровне первых сантиметров, естественно при обеспечении достаточной плотности сканирования.
Немаловажно и то, что современные математические методы наряду с построением самих поверхностей и контуров позволяют получить статистические оценки точности и достоверности их пространственного положения. Примеры представлены на Рис. 4. ►
Рис. 5. Индикация «неблагополучных» фрагментов ЦМР (участки под густой растительностью с большим количеством пространственных шумов) и их автоматическое сглаживание (подавление шумов).
Рис. 6 Аналитическая генерация изолиний рельефа без артефактов
Рис. 7 Использование «аналитического» подхода позволяет свести процедуры выделения структурных линий рельефа (break lines) к классическим операциям Фурье и вейвлет анализа Рис. 8 Цифровые трехмерные модели, построенные по результатам воздушной и наземной лазерно-локационной съемки и цифровой аэрофотосъемки
гтж Ж
... Жт.;^'у.
¿ùr' ■
Рис. 8 Цифровые трехмерные модели, построенные по результатам воздушной и наземной лазерно-локационной съемки и цифровой аэрофотосъемки
- Использование «Лазерной» ЦМР позволяет применять к ней различные методы аналитической обработки, которые могут оказаться чрезвычайно полезными на практике. Такая возможность принципиально отсутствует в случае если ЦМР получена стереофотограм-метрическим или любым другим традиционным методом. Некоторые примеры такой обработки представлены на Рис. 5, 6, 7.
- Весьма перспективным и все более активно применяемым на практике является совместное использование данных наземного и воздушного лазерного сканирования (локации) и цифровой аэрофотосъемки. Такой подход особенно эффективен при обследовании объектов, включающих сложные инженерные сооружения, например, электрические подстанции (Рис. 8).
ВЫВОДЫ
Использование лазерно-локационных и цифровых аэрофототопографических методов является весьма перспективным направлением при выполнении крупномасштабного топографического картографирования и при проведении различного рода инженерных изысканий. Точность и производительность такого метода позволяет говорить о появлении систем картографирования реального времени. ■
