CC BY
94
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ СКАНЕРНЫМИ СТАНЦИЯМИ ПРИ НАЗЕМНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СЪЕМКЕ
Александр Владимирович Комиссаров
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, и.о. заведующего кафедрой фотограмметрии и ДЗ, тел. (913) 904-73-96, e-mail: [email protected]
Тамара Антоновна Широкова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор кафедры фотограмметрии и ДЗ, тел. (383) 344-39-75, e-mail: [email protected]
Елена Вячеславна Романович
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер Регионального центра лазерного сканирования, тел. (383) 361-00-66, e-mail: [email protected]
В статье рассматриваются вопросы обоснования выбора расстояния между сканерными станциями при съемке объектов с целью создания трехмерных моделей и топографических планов.
Ключевые слова: наземный лазерный сканер, расстояние между сканерными станциями, угол падения лазерного луча.
JUSTIFICATION OF CHOOSING DISTANCE BETWEEN SCANNING STATIONS IN GROUND-BASED LASER SURVEY
Aleksandr V. Komissarov
Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo St., Russia, Novosibirsk, 630108, PhD, head of the department of photogrammetry and remote sensing, tel. (913) 904-73-96, e-mail: [email protected]
Tamara A. Shirokova
Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo St., Russia, Novosibirsk, 630108, PhD, professor of the department of photogrammetry and remote sensing, tel. (383) 344-39-75, e-mail: [email protected] [email protected]
Elena V. Romanovich
Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo St., Russia, Novosibirsk, 630108, engineer of the Regional centre of terrestrial laser scanning, tel. (383) 361-00-66, e-mail:
The article is devoted to the problems of choosing distance between scanning stations during terrestrial laser scanning for the purpose of 3D-models of objects and topographical maps creation.
Key words: terrestrial laser scanner, distance between scanning stations, laser beam angle.
В настоящее время наземное лазерное сканирование (НЛС) является одним из эффективных методов решения различных инженерно-геодезических задач. Однако этот метод съемки также имеет свои недостатки, одним из которых является возникновение «мертвых зон». Под «мертвой зоной» понимается область, которая находится в пределах поля зрения и дальности действия сканера, но закрыта близ расположенными объектами, поэтому не отображается на скане, либо область, образуемая вблизи точки стояния сканера из-за ограниченной технической возможности блока вертикальной развертки лазерного луча в приборе. Для устранения «мертвых зон» объект сканируют с нескольких точек. При НЛС больших по площади территорий из-за ограниченности дальности действия сканера также требуется проведение съемки с нескольких сканерных позиций.
Для сокращения объема полевых работ, времени и трудозатрат на их выполнение важно, чтобы сканируемые объекты полностью отображались массивом точек лазерных отражений с наименьшего количества станций. Следовательно, перед съемкой необходимо производить предварительный расчет расстояний между точками стояния сканера, обеспечивающих необходимую детальность результатов сканирования и экономичность работ.
Заданная детальность сканерной съемки будет получена при определенном отстоянии сканера от объекта, равном полезной дальности действия прибора (5Полез). Геометрическая сущность зависимости расстояния между точками стояния сканера и полезной дальностью отображена на рисунке.
I
I
I
% - места расположения сканерных станций { ' - область действия сканера
Рис. Зависимость расстояния между сканерными станциями от полезной
дальности действия прибора
На основе рис. 1 можно получить математическую зависимость максимального расстояния между точками стояния сканера (Dmax) от полезной дальности действия прибора
V2Dтах = ^ S. (1)
Для запаса надежности результатов съемки величину Dmax рекомендуется уменьшать на 10% [1, 2], тогда формула расчета расстояния между сканерными станциями для выполнения НЛС примет вид:
Dmax = 127Snone3 ■ (2)
С физической точки зрения полезная дальность действия, используемая в формулах (1) и (2), ограничивается минимальным углом падения лазерного луча ß на сканируемый объект. Это объясняется тем, что диффузность отражения лазерного луча от большинства объектов съемки сохраняется при определенном угле ß. При величине данного угла менее минимального объекты начинают переотражать лазерные импульсы, вследствие чего не обеспечиваются требуемая детальность результатов сканирования и качество дешифрирования сканов.
Таким образом, полезная дальность может быть рассчитана как функция от угла ß и высоты стояния сканера h:
Snone3 =
h Ctgß. (3)
Для практического использования выражения (3) встает задача определения предельного значения ß. Для этих целей были выполнены исследования, суть которых заключалась в следующем. По данным наземной лазерной съемки ОАО «Сургутнефтегаз» (120 га), территории г. Томска (310 га), ОАО «Газпромнефть-Ноябрьскнефтегаз» (540 га), ОАО «Томскнефть» (6 га), выполненной с использованием сканеров Riegl LMS-Z210, Riegl LMS-Z360, Riegl LMS-Z390, Riegl LMS-Z420i, Riegl VZ-400, Leica ScanStation, Leica ScanStation 2, Leica C10, Mensi GS200, было выбрано более 500 сканерных станций, разрешение сканирования с которых отличалось от оптимальных параметров не более чем на 10 %. Для каждой сканерной станции определены высота стояния сканера (h) и максимальное удаление (Snone3) прибора от объектов, детали которых уверенно дешифрировались на полученных сканах. Затем .с использованием выражения (3) вычислен угол падения лазерного луча ßi. В таблице показана часть результатов исследований, а также приведены среднее значение угла ßcp, и среднее квадратическое отклонение величин Snone3, вычисленных через ßcp по формуле (3), от Snone3, полученных по данным сканерной съемки на основе всех выполненных экспериментов.
Таблица. Зависимость полезной дальности действия от высоты стояния сканера
и угла падения лазерного луча на подстилающую поверхность
hi, м S полез? м ctg ß ß, ° hi С¥$ср, м Sполез hi Cgßср , м
2,10 40,04 1,51834 3,00527 38,70 -1,305
2,80 52,01 1,51700 3,08218 51,59 -0,406
3,50 60,02 1,51253 3,33847 64,49 4,492
3,63 65,72 1,51562 3,16129 66,88 1,164
2,25 40,91 1,51586 3,14772 41,45 0,545
2,31 41,61 1,51528 3,18071 42,61 0,997
3,50 63,93 1,51618 3,12960 64,41 0,478
2,08 40,03 1,51888 2,97444 38,33 -1,704
2,11 40,25 1,51842 3,00113 38,88 -1,366
ß ср 3,10641 Ср. кв. отклонение 1,666
Из таблицы следует, что замена углов ß, на $ср приводит к погрешности определения SnQne3 не более 4%. Это позволяет сделать вывод, что полученное значение ßcp можно использовать в формуле (3) для расчета SnQne3, на основании которого определять расстояние между сканерными станциями по формуле (2).
В том случае, если вычисленная по формуле (3) полезная дальность превышает максимальную дальность действия наземного лазерного сканера (Rmax) при отражающей способности объектов 8 - 20 %, то в качестве SnQne3 следует принимать величину, рассчитанную по формуле:
Sполез = . (4)
На основе экспериментальных исследований сформулированы следующие практические рекомендации по выполнению наземной лазерной съемки различных территорий при наиболее часто используемой на практике высоте стояния сканера:
- Для сканирования городских территорий расстояние между сканерными станциями следует задавать около 45 м;
- Для съемки сложных инженерных сооружений Dmax рекомендуется принимать примерно 55 м;
- Для открытой местности (без сооружений и коммуникаций) сканерные станции предпочтительнее располагать на расстоянии 150 - 200 м, если дальность действия сканера составляет 200 м и более. В противном случае полезную дальность Snme3 следует рассчитывать по формуле (4).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Середович В.А., Комиссаров А.В., Комиссаров Д.В., Широкова Т.А. Наземное лазерное сканирование. - Новосибирск: СГГА, 2009. - 261 с.
2. Середович А.В. Методика создания цифровых моделей объектов нефтегазопромыслов средствами наземного лазерного сканирования: дис. ... к.т.н.: 25.00.32 / СГГА. - Новосибирск, 2007. - 165 с.
© А.В. Комиссаров, Т.А. Широкова, Е.В. Романович, 2012
