«Е.М. Медведев, И.М. Данилин, С.Р. Мельников ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИЯ ЗЕМЛИ И ЛЕСА Учебное пособие Издание второе, переработанное и дополненное Рекомендовано Министерством образования и науки Российской Федерации для ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московский государственный университет геодезии и картографии

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК, СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

Институт леса им. В.Н. Сукачева

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Красноярский государственный аграрный университет

МЕЖДУНАРОДНЫЙ ИНСТИТУТ МОНИТОРИНГА ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ

ГРУППА КОМПАНИЙ «ГЕОКОСМОС», «ГЕОЛИДАР», «ГЕОПОЛИГОН»

Е.М. Медведев, И.М. Данилин, С.Р. Мельников

ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИЯ

ЗЕМЛИ И ЛЕСА

Учебное пособие Издание второе, переработанное и дополненное Рекомендовано Министерством образования и науки Российской Федерации для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлениям подготовки и специальностям:

120301 «Землеустройство», 120302 «Земельный кадастр», 120303 «Городской кадастр», 260400 «Лесное и лесопарковое хозяйство», 020800 «Экология и природопользование», 013600 «Геоэкология», 650400 «Фотограмметрия и дистанционное зондирование», 080800 «Исследование природных ресурсов аэрокосмическими средствами», 650300 «Геодезия», 300100 «Прикладная геодезия», 300300 «Аэрофотогеодезия», 013700 «Картография», 071900 «Информационные системы в геодезии и картографии», 072300 «Лазерная техника и лазерные технологии», 131200 «Лазерные системы в ракетной технике и космонавтике», 190700 «Оптико-электронные приборы и системы»

МОСКВА КРАСНОЯРСК

УДК 528.7(075.8); 621.37; 629.78; 630.52:587/588; 634.0. ББК 43.4В М Медведев Е.М., Данилин И.М., Мельников С.Р.

Лазерная локация земли и леса: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Геолидар, Геоскосмос; Красноярск: Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2007. 230 с.: илл. 160;

табл. 45; библиогр. 87 назв.

ISBN 5-903055-09- В настоящем учебном пособии раскрываются сущность и принципы лазерной локации. Приводятся данные по приборному обеспечению воздушной лазерной и цифровой аэросъемки, наземного лазерного сканирования, результаты выполнения различных проектов в России и в зарубежных странах. На фактическом материале показаны преимущества новейших технологий лазерно-локационной съемки Земли и леса, приведены примеры трехмерного анализа земной поверхности, структуры и биомассы леса по данным лазерной локации и спутниковых систем глобального позиционирования.

Использование метода лазерной локации, совмещенного с цифровой аэрофото- и видеосъемкой, спутниковой навигацией и геопозиционированием, сопровождаемого цифровой спутниковой съемкой в оптическом и радио диапазонах и интегрированных в геоинформационных системах для целей дистанционного зондирования природной среды, землеустройства и лесоинвентаризации, позволяет проводить дистанционный мониторинг земель и лесов с высокой эффективностью, при минимуме наземных работ и значительной экономии времени и финансовых средств.

Учебное пособие разработано с учетом Государственного образовательного стандарта по циклу технических и естественнонаучных дисциплин и предназначено для выполнения студентами дипломных и курсовых работ, проведения лабораторных и практических занятий по направлениям подготовки и дисциплинам: «Землеустройство и земельный кадастр», «Городской кадастр», «Мониторинг природных ресурсов», «Лесное и лесопарковое хозяйство», «Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве», «Фотограмметрия и дистанционное зондирование», «Исследование природных ресурсов аэрокосмическими средствами», «Экология и природопользование», «Геоэкология», «Геодезия», «Прикладная геодезия», «Аэрофотогеодезия», «Картография», «Информационные системы в геодезии и картографии», «Лазерная техника и лазерные технологии», «Лазерные системы в ракетной технике и космонавтике», «Оптико-электронные приборы и системы».

Пособие может быть использовано специалистами в области земле- и лесоустройства, дистанционных методов зондирования, геодезии и картографии, экологии и природопользования, сельского и лесного хозяйства, охраны природы, преподавателями вузов, научными работниками, аспирантами и студентами землеустроительных, лесохозяйственных, картографических, геодезических, географических, биологических факультетов классических и специализированных университетов, аграрных, технологических, лесотехнических и политехнических вузов.

Н а уч н ы й р е д а к т о р А.С. Исаев, академик РАН Рецензенты:

А.П. Гук – доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой фотограмметрии и дистанционного зондирования Сибирской государственной геодезической академии (Новосибирск);

Ю.Ф. Книжников – доктор географических наук, профессор, зав. лабораторией аэрокосмических методов Географического факультета Московского государственного университета (Москва);

В.И. Сухих – доктор сельскохозяйственных наук, профессор, главный научный сотрудник Центра по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН (Москва);

Н.Я. Шапарев – доктор физико-математических наук, профессор, зав. отделом вычислительной физики Института вычислительного моделирования СО РАН (Красноярск) Утверждено к печати Ученым советом Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН Все права зищищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

ISBN 5-903055-09-5 © Медведев Е.М., Данилин И.М., Мельников С.Р.,

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ …….……………………………………..……………… ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………….…………. 1. ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИЯ КАК ПРИКЛАДНАЯ ДИСЦИПЛИНА ……………………………….……… 1.1 Содержание и общие принципы лазерной локации …………………………………..……………… 1.2 Справка по истории лазерной локации ………………………………………………….……………... 1.3 Импульсный и фазовый метод измерения дальности ……………………………….……………… 1.4 Лазерная локация и традиционные методы топографической съемки …………….…………….. 1.5 Концепция лазерно-локационного метода сбора геопространственных данных …………..…… 1.6 Экономические аспекты применения лазерно-локационных средств …………………………..… 2.1 Способы получения лазерно-локационных изображений. Основные принципы функционирования типового аэросъемочного лидара …………………….………………………... 2.2 Определение координат лазерных точек при выполнении лазерно-локационной съемки …… 2.3 Функциональная схема типового лазерного локатора на примере системы ALTM Optech …… 3.1 Зондирующие свойства лазерного излучения ……………………………………………………..….. 3.2 Отражение лазерного луча от наземных объектов ……………………………………………..……. 3.3 Математическое моделирование лазерно-локационного измерения …………………….………. 3.4 Вопросы безопасного использования лидаров ……………………………………………….………. 4.1 Задачи навигации и геопозиционирования в лазерной локации ……………….…….……………. 4.2 Системы прямого геопозиционирования ……………………………………………..….………......... 4.3 Системы геопозиционирования GPS и ГЛОНАСС ……………………………………….…….…….. 4.4 Основные принципы функционирования GPS/IMU систем …………………………………………. 4.5 Интегральное навигационное решение …………………………………………………………………

5. ЛАЗЕРНО-ЛОКАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ И ИХ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.…..

5.1 Виды лазерно-локационных данных ……………………………………………………………….…… 5.2 Физические ограничения лазерно-локационного метода и пути их преодоления ………….…... 5.3 Общие вопросы информационной ценности лазерно-локационных данных ……………….…… 5.4 Вопросы точности лазерно-локационных данных …………………………………………….……… 6.1 Основные параметры воздушной лазерно-локационной съемки и оптимизация режимов ее 6.2 Этапы выполнения лазерно-локационной съемки и основные процедуры метрологической 6.3 Измерение выставочных параметров сканерного блока ………………………….………………… 6.4 Общие принципы проведения полетной калибровочной процедуры …………….……………..... 6.5 Компоновка аэросъемочного оборудования на борту носителя ……………………….…………..

7. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ЛАЗЕРНОЙ ЛОКАЦИИ ЗЕМЛИ И ЛЕСА И

7.1 Изучение земной поверхности и структуры лесного покрова методом лазерной локации и цифровой аэро- и космической съемки …...………………………………………………………….… 7.2 Определение запасов и фитомассы древостоев лазерно-локационным методом …………….. 7.3. Программный комплекс ALTEXIS ………………………………………………………………………..

8. ЛАЗЕРНО-ЛОКАЦИОННЫЙ МЕТОД В ТОПОГРАФИИ И СИСТЕМЫ

8.1 Технологическая основа лазерно-локационного метода ……………………………………….…... 8.2 Состояние и перспективы развития современной цифровой аэрофототопографии …………... 8.3 Аналоговые и цифровые аэрофотоаппараты ………………………………………………….……... 8.4 Методы классификации и основные технические характеристики современных цифровых 8.5 Кадровые и линейные цифровые фотографические системы ………………………………..……. 8.6 Системы картографирования реального времени ….……………………………………….……….. 8.7 Наземное лазерное сканирование (А.И. Науменко, А.И. Данилин) …………….………………….

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ

За год, прошедший с момента выхода первого издания учебного пособия, мы получили обширную почту, множество устных комментариев, откликов из России, стран бывшего СССР, а также из Европы, США, Канады и Японии. Книга полностью разошлась общим тиражом более 1000 экземпляров и на электронных носителях по ведущим библиотекам и вузам России, СНГ и зарубежных стран. В 2006 году на XIII Всероссийском форуме ГИС-ассоциации первое издание книги получило почетный диплом и номинацию «Лучшее издание года в области геоинформатики».

Все это, конечно, не может не радовать авторов. Мы полагаем, что позитивное отношение читательской аудитории достигнуто, во многом, благодаря правильному позиционированию издания как учебного пособия по прикладной лазерной локации. В результате, книга оказалась доступна широкому кругу читателей, в том числе – аспирантам, студентам ВУЗов и техникумов, интересующимися современными топографогеодезическими, аэросъемочными технологиями, а также геоинформационными методами в лесоустройстве. С другой стороны, нам известны случаи, когда «Лазерная локация…» использовалась в качестве методической основы в крупных производственных компаниях, занятых геодезической деятельностью с использованием лазерно-локационных и цифровых аэросъемочных технологий. Надо полагать, что последнее обстоятельство явилось следствием того, что авторам удалось со страниц книги донести до читателя свой многолетний опыт практикующих инженеров, геодезистов, аэросъемщиков, таксаторов и это особенно приятно.

В последнее время в России и мире появилось много интересных работ, имеющих отношение к лазерной локации и цифровым аэросъемочным технологиям. Особенно хотелось бы отметить следующие фундаментальные труды: Основы импульсной лазерной локации: Учеб. пособ. для вузов / В.И. Козинцев, М.Л. Белов, В.М. Орлов и др. Под ред. В.Н. Рождествина. М. Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 512 с.; Сухих В.И. Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве:

Учебник. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2005. 392 с.; Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И., Тутубалина О.В. Аэрокосмические методы географических исследований. М.: Academia, 2004. 333 c.; Remote Sensing of Forest Environments. Concepts and Case Studies / Ed. by M.A. Wulder and S.E. Franklin. Kluwer Academic Pub., 2003. 519 p., а также ряд интересных публикаций в этой области скандинавских и американских ученых (Holmgren 2004, Maltamo et al. 2004, Nsset 2004, Andersen et al. 2005, Lefsky et al. 2005, Hyde et al., 2006).

Еще раз подчеркнем, что с середины 70-х годов ХХ века теме лазерной (оптической, световой) локации в отечественной научно-технической литературе уделяется самое серьезное внимание. Нельзя сказать, что ощущается дефицит публикаций по этому вопросу. Такое положение дел явилось, в значительной мере, результатом серьезных достижений отечественной науки и технологии советского периода в деле развития лазерно-локационных средств, достижений, к сожалению, почти полностью утраченных в постсоветский период. В этой связи, наша книга, во-первых, в определенном смысле поддержала отечественную лазерную локацию, продемонстрировав, что и сейчас активные работы по этому направлению в нашей стране ведутся, особенно в области программных и методических разработок, и, во-вторых, заполнила до недавнего времени пустующую нишу публикаций, описывающих именно прикладную сторону вопроса – как и при каких условиях целесообразно использовать лазерно-локационные методы при крупномасштабном топографическом картографировании, решении задач инженерной геодезии, таксации леса и др.

За прошедший с момента первого издания год прикладная лазерная локация еще более укрепилась в своем статусе классической геодезической технологии – воздушных и наземных средств лазерно-локационной съемки в России и странах бывшего СССР стало значительно больше, появилось много интересных (в том числе, отечественных) программных разработок. Регулярное обсуждение технических инноваций в этой области на научно-технических семинарах и конференциях стало нормой.

Обнадеживает и то, что присутствует значительный интерес к предмету со стороны ведущих российских и зарубежных ВУЗов. Так авторами, совместно с к.т.н., доцентом А.И. Науменко организованы и прочитаны курсы: «Лазерно-локационные методы в геодезии» в Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК), «Лазерное сканирование – методы съемки и моделирования» в СанктПетербургском горном институте, цикл лекций по воздушной лазерной локации в техническом университете Нойбранденбурга, Германия (С.Р. Мельников), «Лазерная локация для целей земле- и лесоустройства и составления кадастров природных ресурсов» на землеустроительном факультете Красноярского государственного аграрного университета (И.М. Данилин). Предполагается, что аналогичные курсы с участием авторов будут в ближайшее время читаться в ряде других ведущих российских ВУЗов, в частности – в Московском институте инженеров железнодорожного транспорта, в Сибирском федеральном университете (г. Красноярск) и в Сибирской государственной геодезической академии (г. Новосибирск).

Авторы намерены и впредь продолжать свою публицистическую деятельность, связанную с пропагандой передовых методов дистанционного зондирования, современной геоинформатики и их многочисленных приложений.

Во втором издании добавлена глава 8 «Лазерно-локационный метод в топографии и системы картографирования реального времени», описывающая одну из наиболее перспективных тенденций современного дистанционного зондирования – построение на базе авиационных и наземных лазерных сканеров и цифровых аэрофотоаппаратов средств сбора и обработки геопространственных данных, обеспечивающих радикальное сокращение длительности технологического цикла создания или обновления топографических карт и планов, других геоинформационных продуктов. Раздел 8.7. настоящей главы подготовлен совместно с А.И. Науменко и А.И. Данилиным. Существенно переработана и дополнена глава 4 «Навигационное обеспечение лазерной локации». Как и ранее, к разработке указанных систем и их практическому применению в России и за рубежом авторы имеют самое непосредственное отношение.

Мы благодарим всех, кто нашел время ознакомиться с первым изданием «Лазерной локации…». Особая признательность – внимательным читателям за доброжелательную и конструктивную критику. Все рекомендации и указания на неточности приняты авторами с благодарностью. Необходимые исправления внесены во второе издание, которое в настоящее время переводится на английский язык и будет размещено в Интернете по адресу: www.laserlocation.ru Мы хотели бы также выразить нашу признательность ведущим отечественным ученым и специалистам, поддерживающих нас в деле практического использования и популяризации идей лазерной локации и других современных методов дистанционного зондирования. Неоценимая помощь в этом вопросе оказана нам научным редактором книги – академиком РАН А.С. Исаевым, ректором МИИГАиК, членом-корреспондентом РАН В.П. Савиных, генеральным директором ГосНИИ авиационных систем, членомкорреспондентом РАН С.Ю. Желтовым, деканом геодезического факультета МИИГАиК, профессором В.В. Шлапаком, деканом факультета аэрокосмических съемок и фотограмметрии МИИГАиК, профессором А.Г. Чибуничевым, заведующим кафедрой фотограмметрии МИИГАиК, профессором А.П. Михайловым, проректором СГГА, профессором В.А. Середовичем, профессором Красноярского государственного технического университета В.Б. Кашкиным, официальными рецензентами второго издания – профессорами А.П. Гук, Ю.Ф. Книжниковым, В.И. Сухих, Н.Я. Шапаревым. Авторы выражают благодарность сотрудникам компании «ГеоЛИДАР» и «Геокосмос» – В.В. Гнилицкому, К.А.

Пестову, А.А. Лихобабину, Е.Н. Капраловой, А.И. Науменко за помощь, ценные советы и замечания в процессе подготовке рукописи второго издания. Е.М. Медведев выражает свою глубочайшую признательность директору камерального производства компании «Геокосмос» С.В. Степановой за ее подвижническое отношение к лазерно-локационному делу, неизменную и не всегда заслуженную доброжелательность к авторам и их идеям.

ВВЕДЕНИЕ

Парадигма современности: XXI век – век лазерных и цифровых технологий Лазерная локация, являющаяся составной частью новейших методов и технологий геоинформатики и цифровой фотограмметрии, в наши дни находит применение во многих гражданских отраслях и коммерческом использовании, в решении задач инженерного проектирования, земле- и лесоустройства, экологического мониторинга и бурно развивается во многих странах мира и в России.

Обработка огромных массивов данных лазерного зондирования (сотни гигабайт дискового пространства) выполняется на компьютерах в режиме реального времени, т.е. одновременно или почти одновременно с выполнением измерений. Все этапы выполнения лазерно-локационных съемок, начиная с приборного обеспечения, построения, обновления, совершенствования опорной геодезической сети, наземной калибровки и заканчивая обработкой и архивированием получаемых материалов, созданием и наполнением баз данных геоинформационных систем, результирующей картографической продукции и цифровых трехмерных моделей местности и объектов, требуют высокой квалификации специалистов и исполнителей. Необходимым условием подготовки таких специалистов является получение и усвоение ими теоретических и практических основ наземных и воздушных методов лазерной локации и глобального спутникового позиционирования. Практика показывает, что даже опытные специалисты, осваивающие новые приборы, технологии и алгоритмы обработки данных лазерного зондирования и спутникового позиционирования, быстро осознают необходимость изучения теоретических основ этих методов. Тем более, такие знания необходимы студентам и аспирантам.

Цель издания данного учебного пособия состоит в том, чтобы заложить основы подготовки студентов, аспирантов и специалистов-практиков в области новейших методов дистанционного зондирования Земли, при этом акцент сделан на лазерную локацию, цифровую аэрофотосъемку и спутниковое геопозиционирование.

1. ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИЯ КАК ПРИКЛАДНАЯ ДИСЦИПЛИНА

В настоящей главе рассматриваются самые общие понятия лазерной локации и ее месте в общей топографии и ряде приложений, среди которых одно из главных – мониторинг земель и таксация леса. Данная глава может рассматриваться как вводная. Предполагается, что если читатель ограничится чтением только этой главы, то он получит самое общее, но в то же время достаточно полное представление о содержании и методах лазерной локации и ее основных приложениях.

1.1. Содержание и общие принципы лазерной локации Лазерная локация как прикладная дисциплина изучает вопросы использования так называемых лидаров (другое название «лазерные сканеры» или «лазерные локаторы») для проведения топографо-геодезической съемки. Представленное определение, на первый взгляд, слишком общее, чтобы серьезно помочь читателю в понимании сути такого нетривиального явления, как лазерная локация. Тем не менее, оно позволяет уже сейчас сформулировать несколько важнейших тезисов, усвоение которых крайне существенно для правильного восприятия всего дальнейшего изложения:

– Лидар как средство съемки и источник геопространственных данных есть самый значимый объект, изучению технических свойств и методов использования которого в лазерной локации уделяется центральное место.

Аналогичное явление наблюдается в топографо-геодезических науках и технологиях довольно часто, когда некоторый класс приборов выступает в роли «технолого-образующего», т.е. для некоторой законченной технологии съемки, в значительной мере формируя внутреннюю логику такой технологии, набор методических приемов, терминологию и, что наиболее важно, область потенциального практического приложения. В качестве примера можно привести классический теодолит или GPS приемник геодезического применения. И тот, и другой прибор (естественно, речь идет не о конкретном приборе, а о классе приборов, реализующих единую концепцию измерений) в свое время выступили именно как «технолого-образующего», породив технологии съемки, за которыми сегодня соответственно закреплены термины «теодолитная съемка» и «GPS съемка».

Однако значительно более близким к лазерной локации является другой пример. В той же самой мере «технолого-образующим» прибором является аэрофотоаппарат, который на протяжении всего 20-го века и вплоть до настоящего времени является основным источником сбора геопространствнных данных для целей создания и обновления топографических карт и планов всего масштабного ряда. Если продолжить использовать предложенную терминологию, то можно утверждать, что аэрофотоаппарат как главный источник данных породил целый ряд прикладных дисциплин, таких, как аэрогеодезия, аэрофототопография и в значительной мере фотограмметрия.

Что касается авиационных лидаров, то совокупный опыт их использования в топографии к началу 21-го века позволяет говорить о появлении принципиально нового лазерно-локационного метода съемки, который, с одной стороны, предлагает ряд инновационных решений, а с другой – является дальнейшим развитием классического стереотопографического метода, который до недавнего времени наиболее полно выражал концепцию использования аэросъемочных средств для целей топографического картирования.

– По своему главному содержанию лазерная локация есть технология топографо-геодезическая.

Иными словами, она предназначена, прежде всего, для сбора геопространственных данных по рельефу, а также по наземным объектам естественного и антропогенного происхождения, подразумевая в качестве главной цели создание или обновление топографических карт и планов. Конечно, эта цель не является единственно возможной, а в некоторых случаях и неосновной. Более того, возможность использования лидаров для целей крупномасштабного топографического картирования в дополнение или вместо аэрофотоаппаратов была осознана сравнительно недавно. До этого считалось, что лазерно-локационные методы могут с успехом использоваться в целом ряде практически важных приложений, причем как топографической, так и нетопографической направленности. Среди таких приложений выделяются создание цифровых моделей рельефа, прогнозирование зон затопления, обследование воздушных линий электропередачи, таксация леса, мониторинг состояния береговой линии и земель.

Роль лазерной локации во всех перечисленных приложениях нисколько не уменьшилась в настоящее время. Вдобавок появилось еще много новых. Тем не менее, по нашему убеждению, это нисколько не меняет топографо-геодезического содержания лазерной локации. Действительно, лазерно-локационные данные принципиально всегда являются топографическими по своему семантическому содержанию, они также всегда однозначно определены в некоторой хорошо определенной системе геодезических координат с некоторым, также однозначно определенным уровнем точности. Приведенные приложения, естественно, нуждаются в доказательствах и комментариях, которые будут представлены ниже.

Признание топографо-геодезической сущности методов лазерной локации, ни в коей мере не препятствует обсуждать те ее приложения, которые по характеру выходных продуктов не могут быть прямо отнесены ни к геодезии, ни к топографии, ни даже к цифровой картографии. Вообще принята следующая схема классификации приложений лазерной локации:

1) топографо-геодезические и землеустроительные;

2) инженерно-изыскательские;

3) лесоустроительные и лесотехнические;

4) экологические;

5) электроэнергетические;

Еще раз подчеркнем: при определении типа приложения используют характер конечного выходного продукта, получаемого с помощью лазерно-локационных методов, либо отрасль, в которой такой продукт потребляется. Тип приложения самым существенным образом влияет на выбор методов программной обработки накопленных лазерно-локационных данных. Тоже значительно, хотя и в меньшей мере, специфика приложения сказывается на первичных этапах сбора лазерно-локационных данных, таких, как выбор модели лидара, типа летательного аппарата и режимов съемки.

Следует также отметить, что термин «съемка» наиболее полно выражает процесс использования лазерно-локационной аппаратуры и методов на практике. Этот термин также выражает преемственность с другими традиционными топографо-геодезическими методами, такими, как теодолитная съемка, тахеометрическая съемка, мензульная съемка, аэрофотосъемка, а также уже упомянутые – теодолитная съемка и GPS съемка.

– На физическом уровне основой лазерной локации является использование полупроводниковых лазеров в качестве источника зондирующего излучения.

Во второй главе будут подробно разъяснены преимущества лазера как источника излучения, в сравнении с естественными (некогерентными) источниками излучения оптического диапазона и радиолокаторами, которые используют сходные с лидарами методы зондирования, но работают в радио, а не в оптическом диапазоне электромагнитного спектра. Основная функция лазера – генерация импульсного или непрерывного излучения, которое, отражаясь от поверхности земли или наземных объектов, может быть использовано для измерения дальности от источника излучения до объекта, вызвавшего отражение.

По этой причине оптико-электронный блок лидара иногда называют дальномерным. Лазер, таким образом, является важнейшим функциональным компонентом оптико-электронного блока лидара, в который, кроме самого лазера, могут входить устройство развертки, коллиматор, объектив, приемник, усилители, дискретизаторы, а также другие оптические и электронные компоненты.

Здесь отметим также, что вторым важнейшим компонентом авиационного лазерного локатора наряду с оптико-электронным (дальномерным) выступает навигационный блок, работа которого основана на взаимодействии в реальном времени системы спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС и инерциальной системы. Более подробно по этому вопросу см. главу 2.

1.1.1. Перейдем к рассмотрению практических достоинств и недостатков лазерной локации. При этом оговоримся, что, во-первых, и достоинства и недостатки представлены в самой общей декларативной форме, так как читатель еще не располагает достаточными знаниями, чтобы воспринять их в полной мере осмысленно. И, во-вторых, речь идет не об абсолютных достоинствах и недостатках, которые, как известно, не возможны, а об относительных, т.е. выявленных в сравнении с другими общепринятыми методами. Вопрос о выборе корректной базы для сравнения достаточно сложен и будет неоднократно обсуждаться в дальнейшем ходе повествования, а пока оговорим, что здесь в качестве такой базы выбраны классические аэрофототопографические методы съемки, предусматривающие использование аэрофотоаппаратов в аэросъемочном процессе и фотограмметрические методы камеральной обработки результатов съемки.

С учетом сделанных замечаний перейдем непосредственно к обсуждению достоинств и недостатков лазерно-локационного метода съемки.

Бесспорные преимущества лазерно-локационного метода.

1. Технологическая простота, короткий технологический цикл.

Здесь речь идет, конечно, об относительной простоте и относительной краткости технологического цикла по отношению к классическим аэрофотосъемочным технологиям. При реализации лазерно-локационных технологий целый ряд практически значимых материалов появляется через несколько дней или даже часов после завершения аэросъемочной части работ. Имеются в виду такие материалы, как совокупности (облака) лазерных точек, разделенные по их морфологической принадлежности (земля, растительность, поверхности водоемов, кровли зданий, провода ЛЭП и др.), цифровые модели рельефа, ортофотомозаика, а также многие контурные объекты и модели географических объектов в трехмерном представлении. Очень важно отметить, что все упомянутые материалы уже в момент возникновения полностью координированы, т.е. определены в некоторой заранее заданной системе геодезических или географических координат и в дальнейшем принципиально не требуется проведения никаких дополнительных мероприятий по координатной коррекции или преобразованию. Также важно то, что на практике подготовка всех этих материалов осуществляется в полевых условиях, в результате чего собственно камеральная фаза обработки начинается в существенно более подготовленных условиях, что, в свою очередь, также способствует сокращению технологического цикла.

2. Гарантии точности.

В большинстве случаев точность специфицируется на уровне 15 см по плановым и высотным координатам, причем специально указывается, что речь идет об абсолютной геодезической точности. Представленное определение нельзя признать безупречным, и вообще вопрос о реальной точности лазернолокационного метода съемки достаточно сложен и подробно рассмотрен в главе 2. Однако сейчас главное не это. Важно то, что паспортное значение точности в большинстве случаев можно гарантировать лишь за счет формального соблюдения всех требуемых метрологических процедур, таких, как выбор благоприятного по GPS обстановке времени проведения аэросъемочных работ, выполнение выставочных и калибровочных процедур, соблюдение нормативных режимов полета и т.д. Иными словами, достижение паспортных значений геодезической точности выходных материалов есть рутинная процедура, требующая от персонала ответственности и добросовестности, но не изощренного профессионализма, родившегося на основе многолетнего опыта. Это одно из главных отличий лазерно-локационных и стереофотограмметрических методов измерений.

Что касается упомянутого значения геодезической точности в 15 см, то, конечно, следует признать, что эта точность не самая высокая из возможных.

Большая точность при определенных условиях достижима даже аэрофотосъемочными методами, не говоря уже о наземных. Однако, во-первых, такой уровень точности является безусловно достаточным для чрезвычайно обширного класса приложений, в частности для создания топографических планов, вплоть до масштаба 1:1000 включительно. И, во-вторых, сравнение различных методов съемки только по одному критерию точности было бы некорректным без учета других параметров, таких, например, как производительность.

3. Отсутствие наземных геодезических работ по планово-высотному обоснованию при выполнении воздушной лазерно-локационной съемки.

Действительно, как будет показано в следующей главе, для обеспечения координатами лазерно-локационных данных используется так называемый метод прямого геопозиционирования, который реализует входящий в состав лидара навигационный блок. При проведении воздушной лазерно-локационной съемки принципиально отсутствует тот вид наземных геодезических работ, который в традиционной аэрофототопографии называется планово-высотное обоснование. Для правильной интерпретации и обеспечения координатами данных съемки нет необходимости выделять опознавательные знаки и определять их координаты. Понятно, что это обстоятельство значительно упрощает задачу, особенно в удаленных и труднодоступных районах.

Геодезическая поддержка лазерно-локационной съемки осуществляется сетью наземных базовых (референтных) GPS станций, которые располагаются равномерно в районе проведения аэросъемочных работ. Каждая базовая станция обслуживает территорию в окружности с радиусом 30–50 км и центром в точке стояния данной станции. Роль базовых станций абсолютно традиционна для всех наземных и воздушных методов дифференциальных GPS съемок. Базовые станции устанавливаются не непосредственно на территории объекта съемки, а в любом удобном месте.

С учетом изложенного выше, геодезическое обеспечение лазерно-локационной съемки сводится к следующим задачам:

– выбор мест установки базовых GPS станций с учетом топологии объекта съемки;

– обеспечение всех базовых станций пространственными геодезическими координатами в выбранной системе координат.

4. Высокая производительность.

Производительность лазерно-локационного метода чрезвычайно высока.

На практике достигнута производительность съемки в 500–600 км за один аэросъемочный день для линейных объектов и в 500–1000 кв. км для площадных объектов. Приведенные цифры требуют корректной интерпретации, так как производительность, кроме всего прочего, зависит от заданных условий съемки, таких, как ширина полосы захвата, плотность (количество лазерных точек на единицу поверхности), и др. В той же самой степени производительность аэрофотосъемочных работ прямо зависит от заданного масштаба фотографирования. Тем не менее, как было отмечено выше, в случае лазерной локации практически эквивалентными оказываются производительность как собственно аэросъемочных работ, так и базовых процедур наземной обработки. Иными словами, темп сбора данных в основном соответствует темпу их обработки и, таким образом, приведенные оценочные значения производительности маршрутной и линейной съемки соответствуют уже выдаче во многом законченных топографических данных. Совсем не так обстоят дела в классической аэрофототопографии, где по вполне объективным обстоятельствам стадии аэросъемки и обработки могут разделять месяцы или даже годы.

5. Возможность работы в ночное время и в любое время года.

Эта возможность вытекает из того факта, что лидар является активным средством дистанционного зондирования, т.е. регистрирует собственное, а не отраженное солнечное излучение. По этой причине ничего (кроме, конечно, условий пилотирования) не меняется при использовании воздушных лидаров в ночное время. Понятно, что такая возможность также способствует увеличению общей производительности.

6. Чрезвычайно широкий спектр приложений.

Этот вопрос уже рассмотрен выше.

А теперь перейдем к недостаткам лазерно-локационного метода съемки.

Фактически можно говорить только об одном безусловном недостатке, а именно:

Сильная зависимость от состояния атмосферы.

Признавая наличие этого недостатка, необходимо особо оговорить, что и здесь речь идет об относительном, а не об абсолютном недостатке. Следует понимать, что сильная зависимость от состояния атмосферы, т.е. невозможность проведения аэросъемочных работ в условиях дождя, тумана, дымки, низкой облачности, – это особенность всех средств дистанционного зондирования, работающих в оптическом (т.е. видимом ультрафиолетовом и инфракрасном) диапазоне электромагнитного спектра. Серьезными преимуществами в этом вопросе обладают только радиолокационные системы, работающие, как следует из их названия, в радиодиапазоне.

Кроме того, говоря о воздушных лазерно-локационных методах, можно было бы упомянуть о ряде существенных недостатков, вытекающих из динамического характера съемки (носитель постоянно находится в движении) и ограничений в доступных ракурсах съемки (носитель в основном находится над объектом съемки). Эти недостатки, конечно же, существенны, они также во многом ограничивают предельно достижимую точность метода. Однако их не следует считать недостатками именно воздушной лазерно-локационной съемки, так как они присущи вообще всем аэросъемочным методам.

Иногда упоминаются другие недостатки лазерно-локационного метода съемки. Однако мы не можем их безусловно признать, так как при ближайшем рассмотрении они оказываются не недостатками, а особенностями лазернолокационного метода, которые, безусловно, должны быть учтены на практике, но прямо не ограничивают его информационных возможностей. Перечислим некоторые из таких особенностей:

1) не всегда достаточный уровень точности для некоторых топографогеодезических приложений;

2) дискретный характер данных;

3) снижение точности с увеличением высоты съемки;

4) ограничения по дальности (высоте) съемки;

5) опасность для органов зрения наземных наблюдателей.

Эти и другие особенности лазерно-локационного метода съемки будут подробно обсуждаться ниже.

1.1.2. Самые общие принципы работы воздушного лидара рассмотрим на примере прибора класса ALTM, выпускаемого канадской компанией Optech (рис. 1, 2).

Рис. 1. Система дистанционного лазерного зондирования земной поверхности ALTMсъемочный блок (справа), блок управления и архивации данных съемки (слева) В качестве излучателя используется полупроводниковый лазер, как правило, ближнего инфракрасного диапазона, работающий в импульсном режиме.

Для каждого излученного импульса регистрируется время, затраченное на распространение от источника до объекта, вызвавшего отражение, и обратно к приемнику. С учетом постоянства скорости и прямолинейности распространения электромагнитных колебаний в атмосфере измеренное значение временного интервала позволяет определить расстояние (в терминах лазерной локации «наклонную дальность») от источника излучения до объекта. Кроме значения наклонной дальности D, для каждого излученного импульса регистрируется текущее значение угла отклонения сканирующего элемента (зеркала, призмы, оптического клина). Величина этого угла позволяет однозначно определить направление распространения зондирующего луча («линию визирования») в системе координат лидара, которая «жестко» связана со строительными осями сканерного блока лидара.

В свою очередь, положение и ориентация системы координат лидара в геодезической (или географической) системе координат определяются благодаря присутствию на борту в составе лидара носителя навигационного комплекса, который обеспечивает непрерывное определение трех пространственных координат положения сканерного блока X, Y, Z и трех углов его ориентации,,. Такой набор шести параметров пространственного положения и угловой ориентации в фотограмметрии называется элементы внешнего ориентирования. Принцип работы бортового навигационного комплекса основан на взаимодействии приемника спутниковой системы GPS и инерциальной системы.

В зависимости от типа лидара могут фиксироваться более одного (до пяти) отражений от наземных объектов для каждой линии визирования. Т.е. если на пути распространения лазерного луча он сталкивается с неполным препятствием, то часть энергии импульса отражается, а другая распространяется дальше вдоль линии визирования. Такая возможность способствует получению более информативных лазерно-локационных данных, так как для одного излученного импульса имеем несколько вернувшихся. Так, даже один импульс может принести множественные отклики сразу от нескольких значимых компонентов сцены: первые отклики будут получены за счет отражений от листвы растительности, проводов и опор ЛЭП, кромок зданий, а последний отклик, как правило, соответствует поверхности земли или другой сплошной поверхности, являющейся абсолютным препятствием на пути распространения лазерного импульса. Кроме поверхности земли, примером такого «абсолютного» препятствия может выступать крыша здания.

Таким образом, функциональная схема лидара в его нынешней форме не содержит никаких принципиально новых компонентов. В этом смысле с некоторыми упрощениями прибор можно было бы определить как «сканирующий лазерный дальномер с навигационным обеспечением». Все основные структурные компоненты, составляющие лидар, – сканерный блок, GPS, инерциальная система – всесторонне изучены и уже много лет эксплуатируются. Поэтому, говоря о концепции современного лидара, используемого для топографических целей, следует заявить, что принципиально новое качество данных, поставляемых таким прибором, появляется именно благодаря объединению всех упомянутых компонентов в единое целое. Это произошло в начале 90-х годов 20-го века, когда использование GPS и лазерных дальномеров прочно утвердилось в аэросъемочной практике, инерциальные системы стали активно применяться для непосредственного определения элементов внешнего ориентирования, а по показателям точности все составляющие лидар источники геопространственных данных достигли взаимосогласованного уровня (табл. 1).

Таблица 1. Показатели точности основных структурных компонентов типового воздушного лидара к началу 90-х годов 20-го века координаты носителя Ориентация носителя Инерциальная 1–2 мрад. (ошибка позиционирования С этой поры лазерная локация является не только как средство «дистанционного зондирования», но в большей степени как «фотограмметриеское средство». Последнее предполагает наличие гарантий точности геопривязки данных съемки и пространственных измерений. С появлением первых лидаров гарантии точности были представлены производителями и выражались в том, что специфицируемая точность лазерно-локационных данных составляла 15– 20 см в абсолютных геодезических координатах.

1.1.3. Для правильного понимания содержания и значения лазерно-локационного метода съемки необходимо, прежде всего, понять характер поставляемых лазерно-локационных данных. В качестве наиболее общего понятия в литературе все чаще используют термин лазерно-локационное изображение, которое, однако, не является изображением в традиционном понимании этого термина.

В настоящее время различают два основных вида лазерно-локационных данных и соответственно два основных вида лазерно-локационных изображений:

1) в дальномерной форме;

2) в форме интенсивности отраженного импульса.

Представленное деление в равной степени применимо как к воздушным, так и к наземным лазерно-локационным данным. Соответствующие примеры приведены на рисунках 3, 4, 5.

Рис. 3. Типовое лазерно-локационное изображеполученное методом наземого лазерние в дальномерной форме.

Рис. 5. Типовое лазерно-локационное изображение в форме интенсивности. отдельных приемов для получения одного из двух основных видов ЛЛ данных. Оба вида возникают одновременно и в тесной связи друг с другом. Поэтому более правильно говорить именно о формах представления, а не о видах.

Дальномерная форма представления соответствует распределению в координатном пространстве трехмерного облака лазерных точек. Термин лазерная точка используется здесь и в дальнейшем для обозначения единичного первичного лазерно-локационного измерения. Т.е. важнейшими численными параметрами, характеризующими каждую лазерную точку, являются значения пространственных координат Xp, Yp, Zp в некоторой заранее заданной системе координат. Распределение лазерных точек образует пространственный образ объекта съемки, который доступен визуальному анализу, проведению пространственных измерений и применению вычислительных методов геоморфологического анализа. Такой образ и составляет то, что принято называть лазернолокационным изображением в дальномерной форме.

Наряду с пространственными координатами точки объектового пространства, вызвавшего отражение лазерного импульса, современные лидары способны регистрировать интенсивность отраженного импульса I, т.е. значение энергии импульса, вернувшейся на приемник излучения. Забегая вперед, укажем, что эта доля зависит от многих факторов, среди которых двунаправленная спектральная отражательная способность объекта, фактическое значение дальности, величины пропускания, рассеивания и собственного излучения атмосферы и другие параметры. Однако с практической точки зрения важно то, что лазерно-локационное изображение в форме интенсивности по своим информационным свойствам чрезвычайно близко к естественным черно-белым фотографиям (аэрофотоснимкам в случае воздушного применения), что позволяет успешно использовать их для целей визуального распознавания объектов и камерального дешифрирования даже без привлечения традиционных аэрофотосъемочных данных.

Для того, чтобы закончить формальное описание лазерно-локационных данных, дополним уже введенный набор численных параметров Xp, Yp, Zp, I, характеризующих каждую лазерную точку значением t – время регистрации данной лазерной точки. В результате у нас впервые появляется возможность формально определить такое понятие, как набор лазерно-локационных данных, а именно:

где L – означает весь рассматриваемый набор лазерно-локационных данных, N – общее количество лазерных точек в наборе L.

Представленная форма соответствует самому простому случаю и в дальнейшем будет нами уточняться.

1.2. Справка по истории лазерной локации 1.2.1. Как уже было сказано выше, приборы, которые сегодня принято называть лидарами или лазерными сканерами, можно рассматривать как механическое совмещение двух независимых (т.е. практически невзаимодействующих в процессе съемки) компонентов, а именно – дальномерного (сканерного) блока и навигационного комплекса типа GPS+Инерциальная система. Это замечание очень важно, так как позволяет лучше проследить историю возникновения лазерно-локационных систем и их практического применения. С практической точки зрения такое деление значительно упрощает изучение реальной точности лидаров, так как позволяет анализировать влияние этих двух компонентов на характер получаемых данных, в частности на их точность, раздельно.

Примерно 20 лет назад была предложена законченная теория электроннооптических измерений в геодезии (Шануров, 1991), которая с успехом может быть использована для оценки функциональных возможностей дальномерного блока современного лазерного сканера, использующего, как известно, твердотельный лазер в качестве излучателя. Такая теория позволяет получить оценку достижимой точности, разрешающей способности, влияния атмосферных условий и других практически значимых параметров. Практически полностью заимствована и терминология. Так, лазерные сканеры делятся на когерентные и некогерентные, использующие фазовый или импульсный метод измерения дальности. Приходится признать, что лазерная локация как отдельная дисциплина пока не внесла ничего принципиально нового в теоретическую дальнометрию, что, впрочем, облегчает ее освоение.

Что касается второго главного компонента сканера – навигационного комплекса, обеспечивающего каждое первичное измерение полным набором элементов внешнего ориентирования, то, как указано выше, его работа строится на взаимодействии в реальном времени GPS/ГЛОНАСС приемника и инерциальной системы. Развитие и совершенствование таких систем происходит очень бурно в последнее десятилетие, и следует признать это направление в высшей степени инновационным и с теоретической, и с технологической точек зрения.

Однако широкое использование комбинированных GPS/INS систем является тенденцией современного авиационного дистанционного зондирования вообще, а не только лазерной локации. Такие системы применяются и с аэрофотоаппаратами, с телевизионными и тепловизионными сканерами, и с радиолокационными системами. Поэтому неверно было бы понимать GPS/INS метод построения навигационного решения исключительно как атрибут лазерной локации.

1.2.2. Родословная современных лазерных сканеров отразилась на терминологии. В отечественной и зарубежной литературе пока нет устоявшегося термина для обозначения приборов этого типа. Одновременно используются термины «лазерный локатор» (laser locator), «лазерный сканер» (laser scanner) и «лидар» (lidar). В России чаще говорят «лазерный сканер», а за рубежом – «lidar». В таблице 2 представлены основные достоинства и недостатки используемых терминов.

Таблица 2. Сводная таблица взаимозаменяемых терминов, определяющих Лазерное До настоящего времени наиболее употреби- Не в полной мере соответствует сканирование тельный термин в зарубежной литературе сути явления. Не удобен грамматически Наиболее точно описывает явление. Соот- Менее употребителен в зарубежЛазерная ветствует отечественной традиции (оптичес- ной литературе локация кая локация, световая локация) Deection and Ranging. Выражает этимологиЛидар (LIDAR) ческую преемственность с термином «радар» Нет – RADAR, Radio Detection and Ranging. В последнее время становится все более употребителен в зарубежной литературе В заключение этого короткого раздела представим график, который выражает динамику изменения важнейшего технического параметра, характеризующего производительность воздушных лидаров (рис. 6). В дальнейшем будет показано, что таким параметром является частота зондирующих импульсов, или, что тоже самое, количество первичных измерений в секунду. Как видно из рисунка 6, за десять лет с момента появления лидаров их производительность возросла более чем на порядок. Именно этот стремительный рост производительности в течение последних десяти лет определял технологические и экономические условия, в которых развивалась лазерная локация в России и в мире в целом.

1.3. Импульсный и фазовый метод измерения дальности В современной лазерной локации используются два основных метода измерения наклонной дальности – импульсный и фазовый. Сразу оговоримся, что в лидарах воздушного базирования в настоящее время используется только импульсный метод, а в наземных лидарах – и импульсный, и фазовый. Причины этого явления мы обсудим позднее, а пока рассмотрим эти два метода измерения дальности подробно.

Частота, KHz Рис. 6. Рост производительности лазерных локаторов импульсного типа.

Импульсный метод Реализация импульсного метода измерения наклонной дальности предполагает определение времени распространения короткого лазерного импульса от источника излучения до объекта и обратно до приемника. С учетом постоянства скорости распространения электромагнитных колебаний в атмосфере c = 3108 м/c, замеренная продолжительность распространения лазерного импульса Ti позволяет определить наклонную дальность Di по простой формуле:

8 показана принципиальная схема приемопередатчика при реализации данной схемы измерения.

Рис. 7. Типовая форма зонКак следует из описания, реализация импульдирующего импульса при импульсном методе локапроста в функциональном отношении. Поэтому и ции.

серьезных проблем, что в качестве положительного следствия имеет достижение устойчивости и достоверности получаемых данных.

Представим некоторые дополнительные соображения, характеризующие импульсный метод:

1. По возможности, должна быть обеспечена минимальная длительность зондирующего импульса и его максимальная добротность (т.е. максимально крутой передний фронт). Это требование представляется вполне естественным.

Рис. 8. Принципиальная схема приемопередатчика при им- с учетом явления рефпульсном методе.

сильней, чем больше высота съемки. Для последней разработки компании Optech Inc. лидара ALTM 3100 фактическая высота съемки может достигать больших значений – до 4000 м. На таких высотах влияние рефракции для лазерных точек, полученных на краях полосы съемки, уже сопоставимо с точностью метода. Это обстоятельство вынуждает принимать специальные меры для коррекции координат лазерных точек на этапе наземной обработки. Коррекция проводится с использованием аналитических зависимостей, описывающих величину рефракции в зависимости от текущих физических параметров атмосферы, таких как температура и давление на уровне земли.

Сводная таблица 3 содержит концептуальные достоинства и недостатки импульсного метода измерений наклонной дальности.

Таблица 3. Основные достоинства и недостатки импульсного метода – высокая устойчивость метода из- – ограничения по достижимой точности и – сравнительно простая схема оп- – принципиальное ограничение произвотико-электронного тракта; дительности при использовании одиночвозможность регистрации множе- ного приемника по норме «высота съемственного отражения. ки – частота импульсов».

Обсудим важнейшие недостатки импульсного метода измерения дальности.

1. Как и во всех других родственных технологиях, в лазерной локации принято считать, что импульсный метод проигрывает по точности фазовому. Это происходит потому, что фактическая точность каждого измерения зависит от ряда параметров, каждый из которых может оказать на точность конкретного измерения. Таковыми параметрами являются:

– длительность и форма (в частности, крутизна переднего фронта) зондирующего импульса;

– отражательные характеристики объекта;

– оптические свойства атмосферы;

– текстура и ориентация элементарной поверхности объекта вызвавшей отражение зондирующего луча по отношению к линии визирования;

Влияние всех перечисленных выше параметров сводится к ослаблению «размыванию» формы отраженного импульса на входе оптической схемы приемника, т.е. к возрастанию неопределенности в измерении длительности задержки распространения зондирующего импульса до объекта и обратно. Повышение этой неопределенности на практике оборачивается снижением точности. Как будет показано ниже, фазовый метод во многом свободен от этого недостатка.

2) Принципиальное ограничение производительности по норме «высота съемки – частота импульсов» состоит в следующем. Из представленной выше функциональной схемы лидара импульсного типа видно, что каждый следующий зондирующий импульс может быть излучен только после того, как зарегистрирован предыдущий отраженный импульс. С учетом конечной скорости распространения электромагнитных колебаний можно определить простое соотношение, которое определяет теоретический предел частоты зондирующих импульсов fmax в зависимости от высоты съемки H, а именно:

Значения fmax, рассчитанные в соответствии с данной формулой, приведены в таблице 4.

Таблица 4. Максимально возможные значения частоты зондирующих импульсов в зависимости от высоты съемки при импульсном методе Высота съемки Максимально возможная частота Представленные в таблице 4 значения частот являются теоретически максимально возможными. На практике они несколько меньше.

Отметим также, что данное принципиальное ограничение в той или иной степени относится и ко всем другим методам активного дистанционного зондирования. Здесь оно упомянуто потому, что, как было сказано выше, в авиационной лазерной локации в настоящее время используются исключительно импульсные методы. Поэтому это ограничение существенно на практике, принимая во внимание значительные высоты съемки.

Дальнейшим развитием импульсного метода является так называемый метод регистрации формы отраженной волны (wave form registration). Практическую реализацию данного метода обеспечивают, например, лидары ALTM 30/70 и ALTM 3100 в качестве опции к базовому импульсному методу измерения.

Технология регистрации формы отраженной волны предполагает запись в цифровом виде полной формы отклика на каждый зондирующий импульс с частотой дискретизации 1 ГГц и выше. Зарегистрированная таким образом волна дает «историю» отражения зондирующего импульса от всех препятствий, встретившихся на его пути (рис. 9). Наибольший интерес такая информация может представлять для использования в специализированном программном обеспечении обработки Другим возможным приложением может явиться использоваРис. 9. К определению метода регистрации фо- ние данных такого рода для нормармы отраженной волны. лизации изображений распределения интенсивности с учетом высоты полета и угла падения зондирующего луча.

Перейдем к рассмотрению фазового метода.

Рис. 10. К определению фазового метода определения наклонной дальности.

излучение должно быть непрерывным, что в общем случае значительно повышает требования по выходной мощности излучающего лазера по сравнению с импульсным методом.

Напомним, что фазовый метод измерения дальности пока применяется только в лидарах наземного базирования.

Главное преимущество фазового метода измерения – более высокая точность, которая может достигать первых миллиметров. Вообще фазовые измерения в оптической и радиодальнометрии (в том числе в GPS и ГЛОНААС методах) считаются самыми точными. Для того чтобы пояснить это положение рассмотрим фазовый метод измерения несколько более подробно.

Для того, чтобы определить расстояние между источником и объектом, необходимо:

1. Определить целое количество длин волн модуляции K, приходящихся на это расстояние.

2. Определить разность фаз между принятой и опорной волной и тем самым оценить дополнительное расстояние, соответствующее «последней» неполной волне.

Если значения K и удалось определить, то искомое расстояние определяется по формуле:

где – длина волны модуляции.

Приведенной простой формулы достаточно, чтобы в принципе дать объяснение высокой точности фазового метода дальномерных измерений. Точность величины определяется стабильностью частоты генератора модулирующего колебания. В современных условиях возможно достичь очень высокой точности этого параметра. Т.е. если значение K определено правильно, то член K практически не вносит никакого своего вклада в результирующую ошибку измерения дальности.

Величина также может быть определена достаточно точно. Сразу отметим, что в зависимости от типа лидара может использоваться либо аппаратный метод определения значения с помощью т.н. фазиметров, либо принятый сигнал в цифровой форме записывается на магнитный носитель, а все последующие процедуры анализа фазы осуществляются программно. В любом случае удается достичь высокой точности определения по следующим причинам:

- за счет использования синусоидального закона модуляции ширина спектра входного и выходного сигнала чрезвычайно мала. Теоретически можно говорить о бесконечно узком спектре, т.е. о единственной дискретной частоте – Важно, что входное и выходное излучение может отличаться по интенсивности (т.е. по амплитуде волны модуляции), но не по частоте. Это обстоятельство обусловливает высокую эффективность и точность корреляционных методов, которые используются при поиске значения.

– фазовый метод, в отличие от импульсного, позволяет получить численные значения и оценить достоверность и точность произведенного дальномерного измерения за счет анализа взаимной корреляционной функции излученного и принятого излучения. Достоверное (и как следствие точное) измерение будет характеризоваться наличием отчетливо выраженного максимума взаимной корреляционной функции, а у недостоверного измерения соответствующая функция будет иметь размытый вид и значения максимума будут определяться не столь точно. Наличие возможности численной оценки достоверности измерения позволяет, если необходимо, отвергать некоторые измерения, точность которых находится ниже допустимого порога.

В таблице 5 сведены основные достоинства и недостатки фазового метода измерения дальности.

Упомянутая в таблице в качестве достоинства более высокая производительность, т.е. количество дальномерных измерений в секунду, которая сегодня Таблица 5. Основные достоинства и недостатки фазового метода – наивысшая возможная точность из- – ограниченная дальность действия;

– более высокая производительность определении целого количества длин для некоторых моделей наземных лазерных сканеров приближается к 1 ГГц, объясняется следующими двумя обстоятельствами:

– во-первых, по описанным ниже причинам рабочие дальности действия фазовых лидаров невелики, не более 200 м. Поэтому эти приборы по норме «высота (дальность) съемки – частота импульсов» ограничены по частоте импульсов в меньшей степени;

– во-вторых, за счет использования модулирования несущего колебания некоторые из фазовых приборов вообще свободны от этого ограничения. При изменении закона модулирования во времени появляется возможность преодолеть смешение сигналов, отраженных от различных компонентов сцены и пришедших на входной зрачок приемника одновременно. Так как закон моделирования и функция его изменения известны точно, это позволяет надежно детектировать оба сигнала раздельно.

Теперь обсудим недостатки фазового метода измерения. В основном они сводятся к проблеме неоднозначности решения по целым длинам волн и необходимости принятия дополнительных мер по разрешению этой неоднозначности. Действительно, фазовый метод в том виде, как он описан выше, не содержит никаких механизмов определения значения K. Более того, при использовании единственной частоты модуляции определение дальности D при использовании исключительно фазового метода принципиально невозможно. Для разрешения задачи неопределенности по целым длинам волн применяют различные методы, которые, однако, могут быть объединены в две большие группы:

1) использование дополнительных источников информации по измеряемой дальности;

2) многочастотные методы.

В первом случае необходимо иметь некоторую априорную информацию о значении величины D с точностью не хуже 0.5·. Применительно к лазернолокационному методу измерения это можно сделать, например, выполнив измерение наклонной дальности импульсным методом, а потом уточнив его фазовым.

Во втором случае используют модуляцию несущей двумя или более синусоидальными колебаниями. Это позволяет однозначно разрешить неопределенность по целым длинам волн в диапазоне от 0 до некоторого максимального значения Dmax. Если измеряемые дальности превосходят Dmax, то разрешение однозначности не гарантируется. Как уже было отмечено выше, на практике значение Dmax пока не превосходит 300 м. Исчерпывающую информацию по применению фазового метода измерения дальности можно получить в источнике (Шануров, 1991).

1.4. Лазерная локация и традиционные методы топографической съемки В настоящем разделе обсуждаются различные аспекты сравнения лазерно-локационного метода съемки с традиционными наземными и воздушными топографо-геодезическими технологиями.

1.4.1. Часто приходится слышать мнение, что каждое первичное лазернолокационное измерение (лазерная точка), полученное лидаром, по своему информационному содержанию эквивалентно результату единичного наземного геодезического измерения – пикету. Такое отождествление нельзя признать безупречным. И дело здесь не только в чисто количественных различиях, вытекающих из неоспоримого преимущества лазерно-локационного метода в производительности. Эти два вида съемки – лазерно-локационная и наземная топографическая – по сути, реализуют две отличные идеологии сбора геопространственных данных. Тем не менее, такое сравнение представляется чрезвычайно полезным для правильного понимания сути проблемы. Обратимся к таблице 6, представляющей характеристики данных для двух упомянутых видов съемки.

Таблица 6. Сравнение информационного содержания лазерно-локационного и наземного топографо-геодезического измерения Максимально достижимая пространственных Плотность характером объекта. На практике определяется производитеплотность ограничена производи- льностью сканера (в настоятельностью съемочной бригады, щее время до 50–100 тыс.

которая, как правило, составляет измерений в секунду, и услонесколько сотен пикетов в день виями съемки – высотой и Положение в Пикеты выбирают, как правило, на покрывают как поверхность Выбор места установки пикета оп- Распределение лазерных тоХарактер распределения ределяется оператором в каждом чек по поверхности сцены по поверхности сцены конкретном случае, исходя из то- носит случайный характер Еще раз подчеркнем, что к приведенному выше сравнению наземной топографической и лазерно-локационной съемкам следует относиться не более как к методологическому приему, призванному помочь осознать характер лазернолокационных данных. Совершенно неправильно представлять эти два вида съемки как конкурирующие технологии, тем более что на практике они часто дополняют друг друга. Главный вывод, который может быть сделан по результатам такого сравнения, состоит в следующем. При выполнении наземной топографической съемки как с использованием традиционных, так и GPS средств, каждый пикет несет четко определенную семантическую нагрузку, он в момент своего возникновения уже есть часть некоторой схемы, которая позднее по вполне определенным правилам будет преобразована в топографический план.

Лазерно-локационное изображение – не схема, а значительно более богатый по содержанию образ реальной сцены. Использование таких данных в топографии предполагает наличие соответствующего методического и алгоритмического обеспечения, разработкой которого занимаются различные компании в России и в мире.

1.4.2. Обратимся к другому объекту сравнения. Говоря о прикладном аспекте ЛЛ методов, можно с некоторой долей условности выделить два главных направления. Первым является топографическое направление, которое предполагает использование ЛЛ данных для восстановления рельефа, а также для рисовки важнейших контуров, подлежащих изображению на топографических картах и планах. Другим главным направлением является широкий круг задач, непосредственно не связанных с топографией. В рамках решения таких задач ЛЛ данные используются для построения векторных моделей и определения набора морфологических свойств разнообразных естественных или искусственных образований. В большинстве случаев сбор информации такого рода является составной частью инженерных изысканий. В любом случае при проведении анализа прикладного значения ЛЛ метод логично сравнивать, прежде всего, со стереотопографическим методом создания карт и планов или его аналогам, основанных на методах наземной (ближней) фотограмметрии. В пользу выбора стереотопографического метода в качестве базиса для оценки эффективности ЛЛ метода можно привести следующие аргументы:

– стереотопографический метод до настоящего времени является главным технологическим звеном производства и обновления топографических данных в самом общем смысле. Использование этого метода является обязательным, что закреплено официально действующими нормативными документами. В то же время ЛЛ методы по характеру получаемых данных, степени их полноты и точности в значительной степени обеспечивают решение тех же задач, что и классический стереотопографический метод, предполагающий выполнение аэрофотосъемки, работ по геодезическому обоснованию и комплекса процедур фотограмметрической обработки. В этом смысле сравнение ЛЛ методов и стереотопографического метода корректно. Дополнительным аргументом в пользу этого являются результаты основных тенденций внедрения ЛЛ методов в практику производства топографических материалов. Здесь отчетливо прослеживается тенденция дополнения стереофотограмметрических методов лазерно-локационными при составлении топографических планов, при кадастровых работах, а также при проведении инженерных изысканий в таких отраслях, как строительство, нефтегазовая промышленность, электроэнергетика. Вообще говоря, правильнее говорить не о дополнении, а об эволюции стереотопографического метода в части прямого усвоения данных по рельефу и по важнейшим контурам, полученных ЛЛ методом;

– сравнение ЛЛ методов с другими известными в настоящее время методами авиационного дистанционного зондирования, обеспечивающих прямое получение трехмерных данных, в частности с интерферометрическими радиолокационными системами бокового обзора, не может считаться вполне корректным. Интерферометрические радиолокационные системы хотя и обеспечивают прямое измерение геометрии рельефа, но занимают отличную от ЛЛ средств технологическую нишу и поэтому не могут рассматриваться как аналог при выполнении сравнения по техническим и экономическим показателям. По своим главным параметрам – разрешение при высоте полета 2000 м на уровне первых метров, точность определения геодезической высоты на уровне 3–7 м, радиолокационные данные – также находят применение в целом ряде других областей, например, в геологии, мониторинге земель и лесов, и др.

1.5. Концепция лазерно-локационного метода сбора геопространственных данных С учетом сказанного выше, представляется уместным говорить о лазернолокационном методе съемки, понимая под этим термином совокупность методических приемов, связанных с применением ЛЛ и сопутствующих средств в топографии и при проведении изысканий. ЛЛ метод составляют следующие тематические группы:

1) исследование применимости ЛЛ средств съемки для той или иной группы объектов и сцен;

2) вопросы организации аэросъемочного процесса и выбора оптимальных режимов работы аппаратуры в соответствии с некоторой заранее определенной целевой функцией;

3) оценка точности и достоверности получаемых данных;

4) обеспечение совместимости ЛЛ данных и их комплексирование с данными других видов дистанционного зондирования и результатов наземных измерений, а также обработка данных с целью их дальнейшего использования в различных тематических приложениях.

ЛЛ метод представлен выше в наиболее общей форме. Понятно, что все приведенные положения нуждаются в конкретизации применительно к условиям решаемой задачи.

Следует отметить, что на сегодняшний день возможности, предоставляемые традиционными методами воздушной и наземной топографической съемки, не в полной мере соответствуют современным требованиям по полноте данных, их точности и форме представления. Это утверждение, естественно, нуждается в пояснениях. Прежде всего, необходимо определиться по вопросу, какие группы пользователей заинтересованы в получении материалов такой съемки. И в России и за рубежом это прежде всего топографо-геодезические, землеустроительные, картографические, проектные, эксплуатационные и специальные организации различных отраслей, деятельность которых охватывает сбор геопространственных данных, проектирование и строительство различных объектов, а также их поддержание в безопасном и работоспособном состоянии.

Другую большую группу пользователей составляют компании, занятые картографическим производством, созданием геоинформационных систем (ГИС) и кадастров землепользования. Указанные две основные категории пользователей различаются как по типу выходной продукции, так и по номенклатуре используемых в процессе производства аппаратных и программных средств.

Для правильного понимания характера проблем, возникающих при использовании данных топографических съемок в инженерных отраслях, необходимо также представить краткое описание современных технологий проектирования в этой области. Существенным является тот факт, что такие технологии, как правило, реализуются в виде прикладных программных пакетов, таких, как пакет AutoCAD компании AutoDeck или MicroStation компании Bently. Такие системы представляют реализацию концепции автоматизированного проектирования (Computer Aided Design (CAD) в зарубежной литературе).

Использование подобных систем значительно повышает как производительность, так и качество выполнения проектных работ, т.к., по сути, оперирует с математической моделью, включающей все значимые компоненты, имеющие отношение к объекту проектирования. Понятно, что каждый такой компонент (класс объектов) предполагает свою, учитывающую его специфику, форму представления (в частности векторную или растровую), а также требует решения ряда других чисто технических проблем, составляющих специфику реализации конкретной CAD системы. Однако решающей все же является возможность модельного представления объектовой среды, в которой ведется проектирование.

Исключительная важность следования описанному модельному подходу при выполнении проектирования и математического анализа объясняется двумя главными обстоятельствами:

1) модельное представление объектовой среды предполагает ее полную формализацию, что, в свою очередь, позволяет в полной мере использовать для отдельных ее компонентов многочисленные программы тематического анализа. Понятно, что наличие подобных возможностей в части использования прикладных пакетов значительно повышает качество работ такого рода;

2) при последовательном проведении в жизнь модельного подхода, в частности при обеспеченности достоверными и полностью формализованными данными по рельефу и всей наземной инфраструктуре вдоль трассы проектирования или исследования, возможно использование чрезвычайно перспективных процедур топологического анализа. В этом смысле модельный подход хорошо согласуется с идеологией, реализуемой современными геоинформационными системами.

Использование CAD систем для проектирования сегодня является доминирующей тенденцией. Будет справедливо говорить, что требования к номенклатуре и точности топографических и нетопографических данных, собираемых в ходе аэросъемочного обследования, сегодня во многом определяются, исходя из необходимости их использования в CAD и ГИС системах. Только в этом случае результаты съемки могут считаться конкурентоспособными.

После представленного краткого анализа современного положения дел в области использования аэрофотосъемочных и наземных геодезических методов перейдем к описанию сущности предлагаемого в настоящей работе лазерно-локационного метода съемки и его сравнению с традиционными методами.

Как уже отмечено выше, решающим фактором, определившим успех ЛЛ методов, является технологическая простота сбора пространственных данных по подстилающей поверхности. По сути, при использовании ЛЛ методов можно говорить о возможности прямого измерения рельефа и многих классов наземных объектов как естественных, так и имеющих антропогенную природу. Точность геопозиционирования компонентов рельефа и наземных объектов по результатам съемки, равно как и точность всех геометрических измерений, составляет, как правило, 10–20 см, что позволяет использовать ЛЛ данные для создания и обновления топографических карт и планов практически всего масштабного ряда, вплоть до масштаба 1:2000.

С учетом того, что настоящая глава носит вводный характер, ограничимся лишь перечислением основных достоинств лазерно-локационного метода в сравнении с классическим стереотопографическим, дальнейшим развитием которого он является:

1) производительность ЛЛ метода чрезвычайно высока. На практике достигнута производительность съемки в 500–600 км за один аэросъемочный день для магистральных высоковольтных ЛЭП и газопроводов. Во всех случаях в маршрутном режиме обеспечивается съемка всей ширины полосы отчуждения.

Здесь следует отметить, что камеральная обработка результатов съемки при реализации ЛЛ метода, как правило, по продолжительности сравнима со временем выполнения авиационных работ, что позволяет выполнять такую обработку оперативно на месте проведения работ. Это, в свою очередь, позволяет эффективно контролировать качество съемки и при необходимости выполнять повторную съемку. Понятно, что подобная производительность значительно превосходит возможности традиционных аэросъемочных технологий, которые требуют сложной камеральной обработки, требующей значительного времени;

2) ЛЛ метод не требует выполнения наземных геодезических работ по планово-высотному обоснованию результатов аэросъемки. Необходимость выполнения таких работ может составить серьезную проблему при реализации традиционных методов съемки, особенно для удаленных и труднодоступных районов;

3) классические стереофотограмметрические методы в их аналитической или цифровой реализациях обеспечивают возможность проведения высокоточных измерений компонентов сцены. Однако с помощью таких методов не удается автоматизировать воспроизведение формы сложных инженерных объектов. Кроме того, из-за особенностей пространственного положения многих объектов их измерение стереофотограмметрическими методами в значительной степени затруднено, в результате чего точность измерения этих значений оказывается неудовлетворительной. В силу того, что ЛЛ метод реализует прямое измерение всех компонентов сцены, он является полностью свободным от указанных ограничений. Более того, программная обработка первичных ЛЛ данных позволяет достичь очень высокого уровня точности по этим параметрам, например, для стрел провеса проводов ЛЭП, – 5–7 см. В то же время ЛЛ измерение всегда создает пространственный образ объекта – «облако» лазерных точек, отраженных от поверхности объекта. Такое «облако» само по себе значительно облегчает визуальный анализ формы изображаемого объекта и позволяет выполнять все необходимые первичные геометрические измерения на базовом уровне точности метода, т.е. 15–20 см. Более важно то, что данные представленные в такой форме, могут быть эффективно использованы для программного анализа и построения векторных моделей, что по указанным выше причинам крайне существенно для реализации современных подходов проектирования и анализа;

4) ЛЛ метод, в отличие от классических методов, в значительной степени свободен от сезонных ограничений, связанных с наличием листового покрова.

Ниже будет показано, что ЛЛ измерения в большинстве случаев применимы к объектам, расположенным под кронами деревьев;

5) без всяких ограничений возможно проведение ЛЛ съемки для сцен с отсутствующей или слабовыраженной текстурой поверхности – песчаных пляжей, заснеженных и водных поверхностей. Известно, что стереофотограмметрические измерения таких сцен не возможны по причине невозможности установления соответственных точек в стереопаре. На практике подобные ландшафты встречаются достаточно часто.

Все приведенные в данном разделе положения, касающиеся содержания и преимуществ лазерно-локационного метода съемки, будут раскрываться и детализироваться в ходе дальнейшего изложения.

1.6. Экономические аспекты применения лазерно-локационных средств 1.6.1. Вопрос об экономической эффективности использования аэросъемочных лидаров чрезвычайно актуален для компаний, планирующих их практическое использование. Сегодня серьезная аэрогеодезическая (аэросъемочная) деятельность, особенно в части крупномасштабного топографического картирования, уже немыслима без использования лидаров, и этот факт признан геоинформационным сообществом в России и в мире. Отказ от освоения лидарных (лазерно-локационных) технологий для компании, практикующей в области аэрогеодезии, грозит потерей значительной части рынка. Это положение особенно актуально в России, оказавшейся одной из самых активных стран в деле внедрения лазерно-локационных технологий в такие отрасли и виды деятельности, как геодезия в широком смысле (топография, инженерные изыскания, картография), землеустройство, электроэнергетика, транспорт, мониторинг лесов, экология, ликвидация последствий стихийных бедствий, и др. В России сегодня эксплуатируется 11 аэросъемочных лидаров, в то время как в мире всего их произведено не более 110–120 штук.

Однако аэросъемочные лидары дороги, причем имеет место существенное различие в цене приборов, предлагаемых различными компаниями. Кроме того, такой прибор предполагает наличие большего числа дополнительного оборудования (в частности цифровой топографической камеры) и программного обеспечения. В результате стоимость комплекта может составлять от 1 до млн. долларов. Необходимо также иметь в виду, что начало эксплуатации такого прибора для типовой аэрогеодезической компании предполагает существенные организационные изменения. Опыт показывает, что аэросъемочный лидар, как главный источник информации, всегда провоцирует возникновение отдельной технологической инфраструктуры, включающей службу геодезической поддержки, аэросъемочную бригаду, а также бригады предкамеральной (полевой) и камеральной обработки данных съемки. Один аэросъемочный лидар в зависимости от рода деятельности компании требует от 10 до 50 специалистов, постоянно занятых его обслуживанием и обработкой получаемых данных.

С учетом вышеизложенного становится понятным, что принятие решения о покупке аэросъемочного лидара превращается в серьезную проблему. Причем если принципиальное решение о необходимости начала использования такого прибора сегодня принимается сравнительно легко (слишком очевидны технические преимущества лазерно-локационного метода съемки), то задача выбора конкретной модели лидара остается сложной, требующей тщательной технико-экономической проработки. В настоящем разделе намечены основные подходы к анализу экономического аспекта использования аэросъемочных лидаров и выработки критериев оценки экономической эффективности такого рода деятельности.

1.6.2. Российская традиция требует при проведении экономического анализа нового прибора или метода, прежде всего, сравнивать его с существующим аналогом. Это позволяет оценить экономическую целесообразность внедрения, объем дополнительных дивидендов и сроки возмещения затрат, связанных с внедрением.

Применительно к аэросъемочным лидарам и связанными с ними технологиями лазерно-локационной съемки описанный выше подход не может быть применен непосредственно. Требуется введение целого ряда уточнений, связанных с особенностями этой технологии, а именно:

1. В наиболее общем смысле лазерно-локационный метод не имеет прямых аналогов. Это не значит, что его нельзя сравнивать с традиционными методами топографической съемки (теодолитной, тахеометрической, GPS), классическими аэрофототопографическими методами (стереотопографическим методом) и космическими методами дистанционного зондирования. Такие сравнения проводятся как на техническом, так и на экономическом уровнях. Они приводят к следующим выводам:

– авиационная лазерная локация занимает отдельную технологическую нишу по отношению ко всем наземным и космическим методам съемки, и в этом смысле не может рассматриваться аналогом по отношению к ним. Иными словами, использование наземных и космических методов в качестве базы экономического сравнения с прикладной лазерной локацией не является корректным;

– наиболее близки к лазерной локации классические аэрофототопографические методы, которые иногда называют аэрофотосъемочными или фотограмметрическими. Более корректно в соответствии с ГОСТ называть эти методы «стереотопографическими». Здесь речь идет об авиационных методах съемки с использованием аэрофотоаппаратов, фотограмметрических методов построения контурной части карты (плана) при доминировании камерального дешифрирования над полевым. Однако и в этом случае использование классического аэрофототопографического метода в качестве базы экономического сравнения с лазерной локацией не является безусловно правильным (хотя последние 5–7 лет многие в США и Европе именно так и поступают). Такое сравнение имеет смысл с технической точки зрения, но никак не с экономической. Дело в том, что сегодня уже считается общепризнанной необходимость совместного использования авиационного лидара, цифрового аэрофотоаппарата и системы прямого геопозиционирования как единого комплекса базовых средств сбора данных. Что касается этапа камеральной обработки и дешифрирования, то и здесь применяются специализированные программные средства, ориентированные на обработку лазерно-локационных данных совместно с классическими средствами цифровой фотограмметрии.

Очень важное экономическое обстоятельство, связанное с совместным использованием лидарных и аэрофотосъемочных технологий: при выполнении крупномасштабной съемки по комбинированному методу (масштабы 1:1000 – 1:5000, высоты съемки до 1000 м) стоимость аэросъемочного лидара и стоимость цифрового метрического аэрофотоаппарата соотносятся как 10: или даже 15:1. Имеется в виду случай, когда возможно и целесообразно использование среднеформатных метрических камер с матрицами емкостью порядка 22 мегапикселей (например, типа Rollei Metric). Поэтому использование комбинированного метода съемки с использованием как лидаров, так и цифровых аэрофотоаппаратов не приводит к сколько-нибудь заметному удорожанию технологии сбора данных по отношению к методу, который использует один только лидар.

Все вышесказанное свидетельствует в пользу того, что с экономической точки зрения лазерная локация не является ни аналогом, ни альтернативой классическому аэрофотосъемочному (стереотопографическому, фотограмметрическому) методу. Правильнее говорить о взаимном дополнении этих двух технологий. Поэтому в настоящее время ни одна из существующих геодезических и аэрогеодезических технологий не может рассматриваться в качестве базисной для проведения корректного экономического сравнения с прикладной лазерной локацией.

2. Сравнение экономических показателей двух технологий возможно только тогда, когда сравнимы их выходные продукты. В случае с лазерной локацией и традиционными методами съемки это сделать затруднительно по следующим причинам:

– во всех случаях, когда речь идет не о материальном, а о информационном продукте, что само по себе составляет некоторую трудность для анализа.

Информационные продукты труднее сравнивать между собой из-за того, что в каждом конкретном случае необходимо конкретизировать такие категории, как полнота, точность, достоверность и актуальность. Лазерная локация как прикладная дисциплина существует только около 10 лет, и поэтому в этой области пока нет единства в подходах и терминологии описания выходных продуктов;

– область приложений лазерной локации чрезвычайно обширна. Поэтому, если сравнивать издержки на производство того или иного выходного продукта, приходится искать аналоги из совершенно различных областей. Такое сравнение выполняется по отдельным категориям продуктов, но не дает представление об экономической ценности лазерно-локационной технологии в целом;

– строго говоря, до настоящего времени можно выявить только два всеми признаваемых «конечных продукта» лазерной локации: цифровые модели рельефа, трехмерные модели воздушных ЛЭП. Здесь речь идет только о продуктах, более или менее одинаково понимаемых различными представителями геоинформационного сообщества, т.е. продуктов, для которых возможна формализация их информационных характеристик (плотность сканирования, точность, ширина полосы съемки и т. д). Во всех остальных случаях лазерно-локационные данные являются элементом технологического цикла создания некоторого другого информационного продукта (наиболее важный пример – топографический план, либо подробная трехмерная модель сложного инженерного объекта). Т.е. информационных продуктов, которые хотя бы по формальным основаниям могли бы использоваться в качестве объекта сравнения с традиционными аэросъемочными методами, не так много.

3. Значительно проще сравнивать аэросъемочные лидары и геоинформационные технологии на их основе между собой. Здесь можно предложить сравнительно простые и убедительные критерии как технического, так и экономического сравнения, допускающие численные оценки. Однако и в этом случае сказывается влияние многофункциональности лазерно-локационного метода. Для проведения корректного сравнения приходится выделять отдельные технологические ниши, т.е. в значительной степени конкретизировать условия, по которым сравниваются два прибора или две методики съемки. Такой подход сразу же вынуждает делить лидары на универсальные и специализированные. Первые применимы практически для любых приложений лазерной локации (таких лидаров в настоящее время только два: Optech ALTM 3100 и Leica ALS-50), а вторые – только для некоторых. Естественно, первые значительно дороже вторых.

С учетом сказанного экономический анализ целесообразности приобретения того или иного лидара в значительной степени определяется не только техническими свойствами самого прибора, но и коммерческим диапазоном компании, планирующей покупку.

1.6.3. Как отмечено во введении, результаты ЛЛ съемки могут использоваться на различных этапах производства топографических карт и планов. Наиболее широко применяемым на практике в настоящее время является использование ЛЛ данных для создания Цифровых Моделей Рельефа (ЦМР) – в англоязычной литературе Digital Terrain Model (DTM). Этот аспект применения ЛЛ систем является наиболее изученным, в том числе и с экономической точки зрения. Это позволяет корректно в стоимостном отношении сравнивать ЛЛ методы с другими средствами авиационного и космического дистанционного зондирования применительно к задачам съемки рельефа. Результаты такого сравнения представлены на рисунке 11.

Рис. 11. Стоимость топографического картографирования с использованием различных средств авиационного и космического дистанционного зондирования.

Как отмечалось выше, роль ЛЛ методов применительно к задачам производства топографического материала можно трактовать более широко, рассматривая их как дальнейшее развитие стереотопографического метода вообще. Однако провести корректное сравнение технологий на этом уровне в настоящее время не представляется возможным.

Из рисунка 11 видно, что лазерная локация как средство съемки трехмерных сцен занимает принципиально отличную технологическую нишу по отношению к таким технологиям, как стереосъемка с использованием РЛ бокового обзора с синтезированной апертурой, а также радиолокация и сканерная космическая съемка. Значительно более близкой по своим технико-экономическим показателям является интерферометрическая РЛ съемка. Однако анализ литературы показывает, что этот метод съемки ни при каких условиях не позволяет достичь точности по вертикали лучше 1 м, в то время как ЛЛ методы обеспечивают значительно более высокую точность. Кроме того, удельная стоимость квадратного километра в случае ЛЛ съемки значительно выше, т.к. такая съемка, как правило, проводится с меньших высот и следовательно требует большего объема авиационных работ.

Главный результат проведенного экономического анализа состоит в том, что только аэрофототопографические методы реально могут рассматриваться в качестве конкурирующей технологии при прогнозировании рыночных перспектив ЛЛ метода съемки для производства картографической продукции.

Информация по основным техническим параметрам ЛЛ аппаратуры, коммерчески доступной в настоящее время, показана в Приложении 2. Сравнивая технические возможности моделей ЛЛ аппаратуры, предлагаемых различными производителями, можно отметить следующее:

1) точность определения наклонной дальности (и соответственно высотной координаты) большинство производителей специфицируют на уровне 10– 15 см, а точность определения плановых координат – на уровне 1/1000–1/ от высоты полета. Т.е. провести реальное сравнение моделей по такому важнейшему показателю, как точность, используя только данные производителя не представляется возможным;

2) большинство производителей используют в качестве излучателей полупроводниковые лазеры, работающие в видимом диапазоне или в ближнем инфракрасном диапазоне до 1100 нм. Такие лазеры относятся к 4-му классу, т.е. к самому небезопасному в смысле возможного ущерба зрению. По этой причине минимально допустимая высота полета для ЛЛ, использующих такие модели лазеров, составляет, как правило, 300–500 м. Имеются и исключения, например, лазерный сканер Falcon, выпускаемый германской компанией TopoSys, который использует лазер с рабочей длиной волны 1.56 мкм. На такой длине волны ограничения на минимально допустимую высоту практически отсутствуют.

Однако выбор такого типа лазера значительно ограничивает возможности применения из-за крайне высокой степени зависимости от состояния атмосферы;

3) во всех доступных на рынке моделях локаторов используется механическая система развертки с помощью зеркала, призмы или оптического клина;

4) по такому важному параметру, как частота зондирующих импульсов, определяющему производительность и следовательно стоимость аэросъемочных работ, ведущие фирмы-производители предлагают приборы с частотой 50– КГц. Как указано выше, переход на большие частоты затруднен без изменения принципиальной оптической схемы сканерного блока.

2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ЛАЗЕРНОЙ ЛОКАЦИИ

В данной главе обсуждаются основные принципы функционирования типового лазерного локатора и методы получения лазерно-локационных изображений. Для описания различных аспектов (работа оптико-электронного блока, навигационная поддержка и др.) процесса получения ЛЛ изображения, а также для анализа точности и достоверности получаемых данных в главе предложен специальный математический аппарат и подразумевается использование импульсного метода измерения наклонной дальности.

2.1. Способы получения лазерно-локационных изображений. Основные принципы функционирования типового аэросъемочного лидара На рисунке 12 представлена математическая схема первичного лазернолокационного измерения.

Авиационный лазерный локатор (лидар) представляет собой активное средство дистанционного зондирования, используемое для съемки (получения лазерно-локационных изображений) ближнем инфракрасном диапазоРис. 12. Математическая схема первичного лазе- не спектра. Лазер излучает коротрно-локационного измерения.

элементом. Режим сканирования выбирается таким образом, чтобы покрыть некоторую, наперед заданную полосу сканирования. В большинстве случаев поперечная развертка образуется за счет использования качающегося зеркала, а продольная – за счет движения носителя вдоль аэросъемочного маршрута.