«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 ...»

Однако, на практике реализация такого подхода сдерживается рядом причин, главными из которых являются следующие:

1) габариты комплекса, реализующего такой подход измерения, оказываются значительными (рис. 34), что само по себе может Эти два обстоятельства и предопределиРис. 34. Аэросъемочный комплекс ли недолгую судьбу подобных устройств. В FLI-MAP компании FUGRO с двумя разнесенными GPS антеннами.

интегрировании GPS и IMU данных.

Структурная схема навигационного комплекса GPS/IMU типа представлена на рисунке 35.

Рис. 35. Структурная схема навигационного комплекса GPS/IMU типа.

Навигационный комплекс включает три основных компонента:

1) двухчастотный (L1/L2) GPS приемник с опцией слежения за фазой несущей;

2) встроенный бортовой вычислитель, который реализует функции контроллере обратной связи и аппаратного или программного фильтра Калмана;

3) инерциальная система (IMU).

Используя эти компоненты, навигационный комплекс обеспечивает получение интегрированного навигационного решения для траектории и ориентации носителя.

Основные принципы, используемые при получении интегрированного навигационного решения:

1) инерциальная система поставляет данные в специализированные навигационный вычислитель, который вырабатывает данные по положению, скорости и ориентации. Существенным является тот факт, что инерциальная система является жестко связанной с корпусом носителя, точнее с рамой, на которую крепиться то, или иное аэросъемочное средство;

2) GPS приемник используется для корректирования инерциального навигационного решения путем оценки погрешностей, а также для инициализации интеграционного процесса. При отсутствии GPS обеспечения, инерциальное навигационное решение остается без GPS коррекции;

3) используется замкнутая система контроля погрешностей, обеспечивающая оптимальное управление.

Основная алгоритмическая нагрузка возложена на специализированный бортовой вычислитель (СБВ), который в реальном времени получает решение уравнений движения Ньютона, описывающих положение, скорость и ориентацию сенсора IMU в СК Земного эллипсоида WGS-84 с учетом ее вращения в физическом пространстве. Вычисления выполняются на основе данных, получаемых с помощью гироскопов и акселерометров, которые являются механически жестко связанными с корпусом носителя. По этой причине определяемые значения координат, скоростей и углов ориентации для сенсора IMU могут быть аналитически трансформированы в любую другую точку носителя, в частности, в точку центра сканирующего зеркала локатора. Для корректного перехода необходимо знание параметров взаимного положения и ориентации точки центра сканирования и сенсора IMU.

Работа в дифференциальном GPS режиме также может обеспечивать выработку навигационного решения в реальном времени. Однако для этого необходимо использовать режим Real Time Kinematics (RTK), который крайне трудно реализовать в условиях съемки с использованием летательных аппаратов. На практике реализация дифференциального GPS режима чаще предполагает съемку с использованием одной или нескольких референтных (базовых) GPS станций, по данным которых в процессе наземной постобработки выполняется дифференциальная коррекция траектории носителя, зарегистрированная бортовым GPS приемником. Именно эта траектория используется при реализации алгоритма определения полного навигационного решения.

Режим полномасштабной наземной постобработки GPS и инерциальных данных является дальнейшим развитием дифференциального GPS режима. Он может быть реализован только в камеральных условиях. В этом режиме для определения траектории носителя используются как GPS данные после процедуры дифференциальной коррекции, так и инерциальные данные, поставляемые гироскопами и акселерометрами.

При описании принципов функционирования БНК необходимо четко выделять два уровня информационного обмена внутри комплекса:

Базисный информационный уровень составляют данные, непосредственно вырабатываемые входящими в комплекс GPS приемником и инерциальной системой. Здесь важно подчеркнуть, что функционирование этих устройств на физическом уровне происходит независимо. Информация, получаемая на этом уровне, используется двояко. Во-первых, на основе этой информации выполняется инициализация системы, и во-вторых она подвергается алгоритмической обработке на следующем информационном уровне.

Уровень генерации навигационного решения. На этом уровне с помощью аппаратных средств, либо с помощью аналогичных программных процедур вырабатывается законченное навигационное решение, включающее координаты траектории носителя и параметры его угловой ориентации для произвольного момента времени. Получаемые на этой стадии результаты, естественно, опираются на данные, накопленные на базисном уровне.

Выше уже неоднократно подчеркивалось, что навигационные решения надлежащего качества могут быть получены именно в результате взаимодействия или последующей совместной обработки данных от двух основных источников - системы спутникового геопозиционирования (GPS, ГЛОНАСС) и инерциальной системы. Можно сказать, что обе эти системы в некотором смысле решают одну и ту же навигационную задачу – определяют в некоторой заранее определенной системе координат траекторию движения носителя. Принципиально новое качество данных, прежде всего точность, рождается именно в результате совместного анализа обоих траекторий, в результате чего интегральное навигационное решение заимствует основные преимущества и подавляет основные недостатки обеих базовых систем. Интегральное навигационное решение оказывается свободным как от дрейфа (благодаря наличию GPS и/или ГЛОНАСС), так и от высокочастотных помех (благодаря наличию инерциальной системы).

Было бы весьма полезно обсудить основные принципы современной инерциальной навигации, которые, как уже неоднократно подчеркивалось, в основном реализованы и в интегральных навигационных комплексах GPS/IMU типа.

Предполагается, что с вопросами использования систем спутниковой навигации читатели хорошо знакомы.

В наиболее общей форме можно определить инерциальную систему как ортогональную триаду гироскопов и акселерометров, выполняющих непосредственные геопространственные измерения и вычислительный блок, осуществляющий алгоритмические преобразования данных непосредственных измерений.

Как было отмечено выше, в современных GPS/IMU системах используются в основном не механические, а кольцевые лазерные или волоконно-оптические гироскопы, имеющие существенно отличающийся принцип действия.

Однако для целей данной публикации будет достаточно считать, что гироскоп любого типа позволяет определять ориентацию в геодезическом пространстве в любой момент времени независимости от местоположения, скорости и других параметров носителя. Точность поставляемых гироскопом данных во всех случаях подвержена деградации («ухода») с течением времени. Величина «ухода»

значительна и может составлять до нескольких градусов в час.

Акселерометры предназначены для измерения линейных ускорений. В равной степени они пригодны для измерений сил, так как согласно ньютоновской механике сила и ускорение есть разные проявления одного и того же физического явления.

С учетом сделанных замечаний рассмотрим основные процедуры, выполняемые в навигационном комплексе на базисном информационном уровне.

Вычисление крена и тангажа посредством акселерометров Обладая чувствительностью к земной гравитации, акселерометры обеспечивают измерение долговременных значений крена и тангажа по схеме, изображенной на рисунке 36. Рассмотрим акселерометр, рабочая ось которого совпадает со строительной осью oX носителя.

Полагая ускорение носителя равным нулю, мы можем вычислить угол тангажа как:

Рис. 36. Измерения величин крена и тангажа посредст- которая в нашем случае соотвом акселерометров.

Однако, здесь следует признать, что описанный метод не может быть использован на практике сам по себе, так как в описанной схеме существенно состояние покоя, в котором должна находиться система. Если это условие не соблюдается, то совершенно очевидно, что отсутствует принципиальная возможность выделить вектор ускорения свободного падения из суммы всех ускорений, которую испытывает система.

Вычисление изменений ориентации с использованием гироскопов Как отмечено выше, в конструкции навигационного комплекса используются оптические гироскопы, обладающие чувствительностью к изменениям ориентации т.е. к величине угловой скорости. Интегрирование (численное суммирование) значений, измеренных гироскопами, обеспечивает определение кратковременных угловых перемещений в физическом пространстве.

Необходимо отметить, что угловые перемещения в геодезическом (например, WGS-84) и физическом пространствах не тождественны. Для корректного перехода к геодезическому пространству должны быть учтены следующие факторы:

• вращение Земли с угловой скоростью 15°/час;

• транспортная норма, определяемая как изменение ориентации в физическом пространстве при движении. Скорость такого изменения равна VH/R, где VH – горизонтальная составляющая вектора скорости, а R – радиус Земли;

• внутренние ошибки гироскопа – дрейф, ошибка масштабного коэффициента, случайный шум.

Что касается первых двух упомянутых факторов, то они могут быть учтены аналитическими методами при вычислении интегрального навигационного решения. Однако внутренние ошибки гироскопа полностью смешаны с истинными значениями и не могут быть отделены от них на базисном информационном уровне. В процессе дальнейшей обработки эта смесь подвергается интегрированию, в результате чего возникает ошибочное угловое смещение, которое, таким образом, приобретает долговременный характер (рис. 37). Точная оценка величины ошибочного углового смещения и его устранение осуществляется при генерации навигационного решения на последующем навигационном уровне.

Рис. 37. Схема определения углового смещения.

гироскопам. Данные «вертикального» гироскопа в процессе съемки интегрируются по времени для определения изменений курсового угла.

Определение координат пространственного положения с помощью акселерометров Наличие акселерометров позволяет определять величины линейных ускорений, которые испытывает система. Положим, что ориентация системы в физическом пространстве определена точно с помощью методов, описанных выше. Тогда имеется возможность выделить вектор силы гравитации среди всей суммы векторов сил, приложенных к системе и, следовательно, оценить величину ускорения. Численное интегрирование ускорения позволяет перейти к скорости, а повторное интегрирование к перемещению. Таким образом, с учетом представленных выше замечаний и правилах перехода из физического пространства в географическое, появляется принципиальная возможность оценить геодезические координаты системы в любой момент времени.

4.5. Интегральное навигационное решение Принципы образования интегрального навигационного решения Из представленного выше краткого описания основных принципов инерциальной навигации видно, что использование только триад гироскопов и акселерометров позволяет в принципе решить все основные навигационные задачи. В реальных GPS/IMU системах используется детальная модель динамики системы, которая включает набор алгоритмов решения уравнений движения Ньютона в геоцентрической системе координат, а также параметрическую модель ошибки IMU, которая описывает:

• ошибки инерциального измерения позиции, скорости и ориентации;

• дрейф гироскопа и ошибки масштабного коэффициента;

• дрейф акселерометра и ошибки масштабного коэффициента и другие параметры.

Создание модели динамики системы весьма нетривиальная задача и исследованиям по этому направлению различные компании уделяют большое внимание.

Принципиально важно, что все ошибки IMU описываются системой алгебраических и дифференциальных уравнений с конечным числом параметров.

Т.е. считается, что поведение системы было бы полностью определено используемыми уравнениями движения, если бы были известны точные значения этих численных параметров. Проблема состоит как раз в том, что численные значения этих параметров неизвестны априорно и, кроме того, они могут меняться с течением времени. Общее количество таких параметров может достигать нескольких десятков.

Главная идея методики работы GPS/IMU систем состоит в том, что значения неизвестных параметров могут быть определены путем решения системы уравнений, составляющих модель динамики системы, что может быть выполнено исключительно благодаря наличию GPS, выступающего в качестве независимого источника данных. Иными словами наличие нескомпенсированных ошибок IMU приведет к появлению рассогласований траекторий движения системы, исчисленных раздельно по GPS и IMU данным. Для получения корректного интегрального навигационного решения подбираются такие значения параметров модели динамики системы, при которых обе траектории будут тождественны. Это достигается описанным ниже способом.

Совместный анализ данных GPS и инерциальной системы Инерциальная система и GPS являются взаимно дополняющими источниками навигационных данных, потому что их динамические ошибки, имея различную природу и спектральный состав, могут быть разделены, в результате чего погрешности обеих систем могут быть взаимно компенсированы. Более того, инерциальная система обеспечивает поддержку навигационного решения даже в случае полной потери GPS сигнала. Смешанное решение является непрерывным и, следовательно, сохраняет целостность данных (рис. 38).

Интегральное навигационное решение может быть получено как в реальном времени, так и в процессе наземной постобработки. В любом случае, в ходе обработки программное обеспечение моделирует работу бортового инерциальной системы в рамках замкнутого контура обмена данными с GPS, фильтром Калмана, а также с контроллером ошибки IMU.

По сравнению с режимом построения навигационного решения реального времени, обработка навигационных данных в камеральных условиях позволяет добиться существенно лучших результатов по точности. Программное обеспечение включает рекурсивный алгоритм сглаживания, который обеспечивает получение «траектории наибольшей достоверности». Эта траектория является наилучшей для уровня точности данных, получаемых GPS и инерциальной системой.

Заключительные замечания по главе В заключении данной главы хотелось бы еще раз повторить те факторы, которые, по нашему мнению, определили успех применения интегральных навигационных комплексов во многих системах аэрофототопографии и авиационного дистанционного зондирования:

1) возможность одновременного решения задач навигации и прямого геопозиционирования данных съемки;

2) точность, достаточная для решения большинства задач по крупномасштабному топографическому картографированию;

3) получения навигационного решения, как в процессе наземной постобработки, так и в реальном времени;

4) сравнительная простота реализации;

5) экономическая целесообразность.

Рис. 38. Схема образования интегрального навигационного решения в реальном времени за счет совместной обработки данных GPS и инерциальной системы.

Справедливости ради необходимо отметить, что начало активного применения в аэросъемке систем прямого геопозиционирования GPS/IMU типа попрежнему вызывает активные дискуссии, главными вопросами которых являются:

• Всегда ли достаточна заявляемая производителем паспортная точность для решения тех или иных задач?

• Всегда ли реальная точность соответствует паспортной?

• Как соотносятся методы прямого геопозиционирования и традиционные фотограмметрические методы?

Отметим также, что к настоящему времени появились целые классы аэросъемочных средств, работа которых невозможна без использования систем прямого геопозиционирования GPS/IMU типа. К таким приборам относятся, прежде всего, аэросъемочные лидары (Optech ALTM 3100, IGI LiteMapper, TopEye и др.), а также линейные фотографические сканеры (Leica ADS-40, JenaOptronik JAS-150 и др.). Практически все другие современные средства авиационного дистанционного зондирования цифровые а аналоговые аэрофотоаппараты, радиолокаторы, спектрозональные и тепловизионные сканеры используют системы прямого геопозиционирования в качестве опции. Главный вывод, который может быть сделан в заключении, состоит в том, что, во-первых, никакой дальнейший прогресс в аэрогеодезии, дистанционном зондировании и в смежных отраслях без активного применения GPS/INS систем не возможен, и, во-вторых, наиболее перспективным направлением в этой области является комбинирование методов прямого геопозиционрования и традиционных фотограмметрических методов.

5. ЛАЗЕРНО-ЛОКАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ И ИХ ИНФОРМАЦИОННЫЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ

1) информационная ценность лазерно-локационных данных несколько различна в случае их использования в различных приложениях. Т.е. к лазерно-локационным данным предъявляются различные требования при их использовании в таких приложениях, как общетопографическое, съемка леса, обследование ЛЭП, и др. Поэтому в настоящей главе будут рассматриваться только самые общие информационные характеристики, представляющие равную значимость для всех возможных приложений;

2) рассматриваются только воздушные методы съемки и соответственно только характеристики данных, полученных этим методом съемки.

5.1. Виды лазерно-локационных данных Вопрос о видах лазерно-локационных данных уже рассматривался в главе Вернемся к этому вопросу еще раз, чтобы рассмотреть его более полно.

Ранее мы уже определили два основных вида лазерно-локационных данных:

1) в дальномерной форме;

2) в форме интенсивности отраженного импульса.

Кроме этих основных видов, выделяют еще следующие дополнительные виды:

3) навигационные;

4) сопутствующие.

Эти виды данных считаются дополнительными, потому что по своему семантическому содержанию прямо не могут быть отнесены к лазерно-локационным. Однако данные такого рода неизбежно появляются как выходной продукт работы практически любого современного аэросъемочного лидара. Именно в этом смысле такие данные могут считаться лазерно-локационными.

Навигационные данные определяют положение и ориентацию сканирующего блока в каждый момент лазернолокационного измерения, и поэтому их наличие является важнейшим условием появления основных видов лазерно-локационных данных (рис. 39).

Рис. 39. Навигационные данные.

коррекции: здесь речь идет о процедурах измерения выставочных параметров, калибровки, «подтяжки» проходов и т.д. С другой стороны, данные такого рода могут использоваться по своему прямому назначению – в качестве пилотажно-навигационных, т.е. помогать экипажу качественно выполнять полетное задание и на этапе послеполетной обработки контролировать качество выполнения съемки (рис. 40).

Рис. 40. Контроль качества пилотирования средствами программного комплекса ALTEXIS.

В левом окне траектории навигационных данных визуализированы специальными маркерами на фоне растровой карты района съемки. В правом окне изображен фрагмент лазерно-локационных данных. Красным цветом изображены лазерные точки, полученные с недопустимо большим значением бокового крена, что является нарушением со стороны экипажа, выполнявшего аэросъемочный полет.

Существуют также сопутствующие лазерно-локационные данные. Прежде всего это видео- и фотосопровождение. Большинство аэросъемочных лидаров имеет соответствующее оборудование, причем часто видео- и фотокамеры встроены непосредственно в сканирующий блок. Специфика ЛЛ метода съемки состоит в том, что при совместной обработке этих видов данных их ортотрансформирование и геопривязка могут во многом быть автоматизированы (рис.

41).

5.2. Физические ограничения лазерно-локационного метода и пути их преодоления Под физическими ограничениями лазерно-локационного метода понимают такие явления, которые либо препятствуют получению данных, либо приводят к возникновению особенностей, требующих правильной интерпретации, а иногда принятия специальных мер на этапе наземной обработки для продолжения последующего корректного использования. В соответствии с принятой в данной Рис. 41. Синхронные фрагменты ЛЛ данных и цифрового аэрофотоснимка.

работе методологией к физическим ограничениям прямо не относятся метрологические вопросы, которые определяют точность получаемых данных. Рассмотрим все основные ограничения последовательно.

• Множественные отражения от тонких линейных объектов – «гроздья»

(рис. 42).

Рис. 42. Множественные отражения от тонких линейных объвходящих в «гроздь», ектов - «гроздья».

полностью информативной. Условно назовем ее главной. Координаты остальных лазерных точек отличаются от координат главной только на величину шума, связанного с фактической шириной зондирующего луча, особенностями приема и состояния атмосферы. Однако это различие не несет никакой дополнительной информации об объекте съемки. Такое явление является в чистом виде паразитным, так как приводит только к пустому расходованию информационной мощности локатора. Метод преодоления этого явления основан на правильном выборе режима сканирования, когда невозможно чрезмерное сближение сканов.

только на очень коротких дальностях, наиболее эффективный метод борьбы с эффектом Гутелиуса на этапе расчета лазерных точек заключается в запрете генерации точек с дальностями меньше некоторого порогового значения, например 50 м.

Рис. 43. Эффект Гутелиуса.

и на этапе, когда анализируется уже полностью сформированное облако лазерных точек. Точки ложных отражений от атмосферы могут быть эффективно выделены и удалены на основе их морфологических признаков – эти точки всегда имеют большие значения высоты (расположены выше остальных точек сцены) и отделены от множества остальных точек свободным пространством размером, сравнимым с высотой полета.

• Экранирование земли. Проявляется в том, что первый зарегистрированный импульс делает невозможной регистрацию последующих, которые расположены ближе 3–5 м. Это является следствием ненулевой ширины зондирующего импульса и конечным временем срабатывания электронной схемы дискретизатора. Эффект имеет крайне негативное проявление при съемке поверхности земли, покрытой порослью, которая, таким образом, значительно снижает количество отражений от истинной земли. Следствием этого эффекта является тот факт, что при выполнении дуальной FIRST-LAST съемки дополнительный выигрыш по количеству точек составляет не более 20–25% для типовых сцен.

Этот недостаток может быть преодолен только совершенствованием аппаратного комплекса, в частности за счет повышения быстродействия дискретизатора. Это обстоятельство необходимо принимать во внимание при планировании аэросъемочных работ в районах с густой растительностью.

• Отражение от водной поверхности. Приводит к практически полной потере отраженного сигнала вследствие зеркального характера отражения (рис.

44).

Однако, это явление не может считаться в чистом виде негативным. Действительно, хотя снижение количества вернувшихся отражений от невозмущенРис. 44. Отражение лазерных импульсов от водной поверхности.

ной водной поверхности составляет не более 1–2% от общего числа импульсов, во многих случаях этого количества достаточно для определения уровня геодезической высоты водоема. Исключения составляют лишь узкие ручьи, расположенные перпендикулярно к направлению съемки. С другой стороны, факт отсутствия отражений от водной поверхности имеет и некоторые положительные стороны:

– очень четко на ЛЛ изображении представлена граница водной и земной поверхности, что позволяет четко выделять береговую линию. Возможно даже – во многих случаях отсутствие отражений на ЛЛ изображении может выступать в качестве дополнительного дешифровочного признака при обнаружении заболоченных участков, районов с подтопленным грунтом, которые с трудом могут быть дешифрированы по аэроснимкам.

• Бликующие объекты. В случае объектов, содержащих металлические элементы с прямыми двухгранными углами (уголковые отражатели), имеет место сложное многолучевое переотражение (рис. 45). В этом случае при регистрации в режиме LAST появляются ложные точки.

Например, в практике съемки ЛЭП это явление наиболее отчетливо проявляется при использовании наклонного положения сканерного блока (Медведев, 2003), котоРис. 45. Эффект многолучевого рое используется специально для более содержательного переотражения.

изображения тела опоры по сравнению со строго вертикальным положением. В результате появляются ложные лазерные точки на продолжении линии распространения луча. Другим примером является ЛЛ изображение рифленой крыши. Причина возникновения подобного явления иллюстрируется на рисунке 46. Отметим, что аналогичное явление наблюдается и при использовании других активных средств авиационного дистанционного зондирования.

Так, в радиолокации используются уголковые отражатели в Как уже неоднократно отмечалось, ЛЛ данные представляют собой совокупность или «облако» лазерных тоРис. 46. К образованию многолуче- чек. Это обстоятельство позволяет предложить следуювого переотражещий подход к исследованию вопроса информационной ния.

ценности ЛЛ данных в целом, а именно – необходимо, вопервых, рассмотреть вопросы информационной ценности отдельной лазерной точки, а во-вторых, информационные характеристики распределения лазерных точек по поверхности сцены, определяемые режимом сканирования и условиями выполнения аэросъемки.

Информационная ценность каждой отдельной лазерной точки определяется следующими условиями:

1) точность пространственных координат;

2) эффективная ширина пятна;

3) номер отражения в серии (первое, последнее, промежуточное);

4) семантическая определенность.

Первые два условия уже неоднократно обсуждались и еще раз будут обсуждены в следующем параграфе. Важность этих условий для определения информационной ценности очевидна. Перейдем к обсуждению следующих двух условий.

Обсудим такой важный параметр, как семантическая определенность лазерной точки. В первой главе этот вопрос уже обсуждался, когда проводилось сравнение лазерной локации с традиционными методами наземной топографической съемки. Там же было показано, что, в отличие от традиционных методов съемки, семантическая ценность различных лазерных точек, покрывающих некоторую сцену, принципиально различна.

представлены типовые примеры лазерных точек, попавшие на различные компоненты сцены. Информационная ценность лазерной точки ной ценности лазерных точек.

пространственное положение всего провода. Другие примеры, иллюстрирующие различие в информационной ценности, – точки на боковых поверхностях (стенах) здания и пара точек, FIRST–LAST полученных вдоль одной линии визирования. В силу строгой вертикальности расположения ограждающих конструкций зданий лазерные точки, попавшие на стены, сразу определяют контур здания. Еще более содержательной является первая точка в паре FIRST–LAST.

Каждая такая точка определяет пространственное положение кромки здания.

Причем определение происходит с точностью метода, т.е. 15–20 см. Существенно менее информативны точки, отраженные от поверхности земли и растительности. Для их правильной интерпретации необходимо применение специальных математических методов, которые позволят их надежно классифицировать, т.е. с некоторой степенью достоверности определить, действительно ли эти точки относятся к этим классам объектов. После такой классификации по отобранным точкам необходимо перейти к геометрическим объектам, адекватно описывающим форму соответственно поверхности рельефа и растительности. Понятно, что существенно более неоднозначная задача по сравнению с такими хорошо определенными в геометрическом смысле объектами, как столб, провод иди здание.

Наконец очень малую ценность имеют лазерные точки, попавшие на крышу здания (если известно, что эта крыша плоская и строго горизонтальная).

Все эти точки имеют равное значение высотной координаты, а планиметрические координаты точек в данном случае вообще не несут никакой полезной информации.

По итогам обсуждения проблемы семантической значимости отдельной лазерной точки можно сделать следующие выводы:

1) информационная ценность лазерных точек, составляющих ЛЛ изображение, неодинакова;

2) информационная ценность определяется физическими условиями съемки, точностью пространственных координат, плотностью сканирования, размером пятна и т.п.;

3) еще в большей степени информационная ценность каждой конкретной лазерной точки определяется ее семантической нагрузкой, т.е. отнесенностью к тому или иному морфологическому компоненту сцены – истинной земле, растительности, зданию, столбу, проводу и т.д.;

4) значительную роль в определении информационной значимости ЛЛ данных играет программное обеспечение, позволяющее выполнять распознавание и геопозиционирование компонентов ландшафта и географических объектов по первичным ЛЛ данным.

Продолжим обсуждение вопросов информационной ценности ЛЛ данных.

Рассмотрим распределение лазерных точек по поверхности сцены. Для количественного описания распределения можно предложить следующие характеристики:

1) средняя плотность, т.е. среднее количество лазерных точек на единицу поверхности;

2) равномерность;

3) доминирующая ориентация зондирующего луча.

Рассмотрим эти характеристики отдельно.

• Средняя плотность лазерных точек. Измеряется, как правило, в точек/м2. Влияние этого параметра на общую информационную ценность ЛЛ данных почти очевидно.

морфологически выраженного рельефа ЛЛ методом. Из-за неверного выбора плотности сканирования построенная модель поверхности рельефа, существенно отличается от истинного рельРис. 48. К вопросу о выборе достаточной плотности сканирования. съемки является поверхность рельефа, вопрос о выборе оптимальной плотности сканирования может быть формально решен на основании теоремы Найквиста–Котельнико-ва, которая определяет необходимую частоту дискретизации (в данном случае плотности сканирования) в зависимости от ширины пространственного спектра поверхности рельефа. Однако при таком подходе трудность составляет тот факт, что во многих случаях пространственный спектр поверхности рельефа неизвестен, а наоборот, является целью исследования.

В нижней части рисунка 48 представлен пример избыточной плотности сканирования. Здесь пятна лазерных точек располагаются на поверхности сцены со значительным перекрытием. В большинстве случаев выбор такой плотности сканирования является неоправданным. При выборе плотности сканирования выше оптимальной не достигается существенного увеличения информативности лазерно-локационного изображения. В то же время существенно снижается производительность съемки.

Другой пример, характеризующий влияние плотности сканирования на результирующую информативность, представлен на рисунке 49. Этот пример соответствует одному из важнейших аспектов применения ЛЛ данных в топографии – использование ЛЛ данных для формирования контурной части карты (плана).

В этом случае плотность сканирования и соответственно среднее расстояние между смежными лазерными точками определяет, как это совершенно очевидно, предельно достижимую точность планового контура. Это положение, безусловно, справедливо при выделении таких объектов, как дороги, реки и другие водоемы. Не столь строго действует это правило применительно к таким объектам, как здания или ЛЭП. Здесь из-за особенности морфологии таких объектов с использованием специальных математических приемов удается достичь точности определения плановых и высотных координат таких объектов выше среднего расстояния между смежными лазерными точками.

• Равномерность. Вопрос равномерности распределения лазерных точек можно рассматривать в двух аспектах. Во-первых, почти всегда (при некоторых важных исключениях) стремятся добиться равномерной продольной и поперечной плотности сканирования. Это всегда справедливо в проектах топографической направленности. При использовании универсальных средств авиационной лазерной локации, таких, как ALTM 3100, этот вопрос почти всегда может быть однозначно решен путем выбора надлежащих условий выполнения аэросъемочных работ. Однако в некоторых случаях использование неравномерной поперечной и продольной плотности сканирования считается допустимой, если по физическим ограничениям лидара равномерную плотность обеспечить не удаРис. 49. Прорисовка контурной части карты (плана) по лазерно-локационным данным.

ется, но данные даже с существенной неравномерностью представляют определенную ценность. Во-вторых, проблема равномерности связана с выдерживанием заданных условий выполнения аэросъемочных работ, прежде всего высоты и скорости.

В настоящее время нет официальных рекомендаций, определяющих требуемую плотность сканирования в зависимости от характера решаемой задачи.

В таблице 13 приведены ориентировочные значения плотности сканирования при выполнении работ по топографическому картированию в различных масштабах по данным компании «Геокосмос».

Таблица 13. Типовые значения плотности сканирования Масштаб создаваемой карты Плотность сканирования, Приведенные в таблице значения следует понимать таким образом, что ЛЛ данные с указанным в таблице значением плотности сканирования могут быть эффективно использованы как для построения рельефа, так и для выделения контуров на требуемом уровне точности. Кроме того, обязательным является наличие геопривязанных цифровых аэрофотоснимков, которые используются совместно с ЛЛ данными для выделения контуров и дешифрирования.

• Доминирующая ориентация зондирующего луча. Если, как в большинстве случаев, используется режим плоскостного сканирования, то доминирующая ориентация зондирующего луча определяется следующими двумя значениями:

амплитудой сканирования, т.е. угловой шириной полосы съемки, и углом наклона сканирующего блока.

использовании вертикального режима съемки (а) значительное чиРис. 50. Характер распределения лазерных отрасло лазерных точек будет достижений от крон деревьев и поверхности земли при вертикальном (а) и наклонном (б) положении скарежим съемки наиболее удобен, нерного блока.

получить ЛЛ изображение как истинной земли, так и растительности. Однако при таком положении сканирующего блока могут появиться трудности при восстановлении огибающей лесного массива из-за недостаточного количества отражений от крон.

При съемке той же сцены с использованием наклонного режима сканирования практически все отражения соответствуют верхней части крон. Это позволяет существенно повысить степень детальности восстановления огибающей и распознавания отдельных деревьев. Однако при таком режиме съемки практически отсутствуют отражения от земли, что делает невозможным прямое использование традиционной методики восстановления огибающей, явным образом опирающейся на данные по истинному рельефу. В этом случае необходимы дополнительные проходы над заданным маршрутом с вертикальным режимом сканирования.

Другие примеры, иллюстрирующие важность выбора надлежащих параметров ориентации зондирующего луча:

1) съемка ЛЭП, когда за счет установки сканера в наклонное положение на 10–20° по направлению полета удается обеспечить получение как отражений от проводов и тросов, так и от опор и даже столбов;

2) съемка плотно застроенных городских территорий. В этом случае необходимо обеспечить максимальную вертикальность распространения зондирующего луча с тем, чтобы исключить возникновение мертвых зон.

5.4. Вопросы точности лазерно-локационных данных Важность вопроса точности лазерно-локационных данных не нуждается в дополнительных комментариях, поскольку аэросъемочный лидар есть, по определению, средство аэрогеодезических измерений. Однако большое внимание должно быть уделено правильной трактовке такого понятия, как точность.

Как известно из общей метрологии: проблема точности любого средства измерения сводится к исследованию источника и характера ошибок между истинным и замеренным значением измеряемого параметра. Применительно к лазерно-локационным измерениям можно предложить несколько аспектов рассмотрения этого вопроса. Возможные способы классификации погрешностей:

– паспортные и реальные;

– приборные и методические;

– по источнику происхождения.

Кроме того, следует упомянуть, что проблема точности лазерно-локационных данных практически неотделима от проблемы их семантической ценности, а также то, что необходимо разделять точность первичных ЛЛ данных («физическую» точность) и точность геоинформационных материалов (топографических карт, планов, инженерных моделей), построенных на их основе. В настоящей главе рассматривается только точность первичных ЛЛ данных. Рассмотрим упомянутые способы классификации погрешностей ЛЛ данных отдельно.

• Паспортные и реальные погрешности. Паспортные значения ошибок измерений специфицируются производителем. В качестве примера рассмотрим спецификацию точности лазерного локатора ALTM 3100 канадской компании Optech Inc. (табл. 14).

Табл. 14. Типовая спецификация точности лазерно-локационных данных Точность в плане(1) Точность по высоте (1) Паспортная спецификация точности ЛЛ измерений, обеспечиваемая тем или иным прибором, обладает некоторыми особенностями:

1) количество определяемых параметров сильно ограничено, а определение точности сильно упрощено. По сути дела указывается только предельное значение ошибки и вероятность в предположении, что характер распределения погрешности – Гауссовый. Целесообразность такого подхода определяется в большей мере коммерческими, а не техническими обстоятельствами. Кроме того, спецификация такого рода у каждого производителя предполагает наличие хорошо определенной процедуры контроля точности, включающей летные и наземные измерения. Такая процедура, как правило, используется в качестве приемо-сдаточной;

2) неявно подразумевается, что указанные значения точности соответствуют идеальным условиям съемки, т.е. в процессе эксперимента обеспечены следующие условия: благоприятная GPS обстановка, по количеству спутников, значению PDOP, надлежащее геодезическое обеспечение, качественное пилотирование, обеспечивающее получение полноценного навигационного решения, нормальные оптические свойства отражающих поверхностей наземного объекта, используемого в качестве эталона.

Реальные погрешности почти всегда отличаются от паспортных в худшую сторону. Здесь речь идет не о том, что паспортные спецификации точности содержат недостоверную информацию. Правильнее будет говорить, что в реальности съемка выполняется не всегда в идеальных условиях, поскольку в расчет применяются не только технические, но и экономические факторы. Поэтому на практике приходится сталкиваться со значительным снижением точности по отношению к паспортным значениям. По этой же причине категория точности ЛЛ данных намного сложней формы, указываемой в спецификации, так как на практике в не самых благоприятных условиях приходится считаться с множеством факторов, прямо или косвенно влияющих на точность.

• Приборные и методические погрешности. Такое деление погрешностей в метрологии считается классическим. Приборные погрешности связанны с неустранимыми эффектами в форме шумов и наводок, содержащимися в результирующих измерениях и носящих случайный характер. В аэросъемочном лидаре это приборные погрешности оптико-электронного тракта приемника и излучателя, схемы измерения дальности, ошибки механизма развертки, а также ошибки GPS и IMU. Контроль за величиной и динамикой (изменением значений приборных погрешностей в ходе эксплуатации) выражается в проведении периодических лабораторных калибровок и поверок, в ходе которых определяется множество поправочных коэффициентов к результатам непосредственных измерений дальнометрического и навигационного блока. Применение этих поправок позволяет в значительной степени устранить системные погрешности и определить величину остаточного разброса значений, которые и принимаются за точность.

Как и для других средств дистанционного зондирования и измерения вообще, следует различать абсолютную и относительную точность измерения, а также такие категории, как точность и чувствительность (или разрешающая способность).

Методические погрешности, по определению, возникают от того, что для получения результата измерений в конечные сроки и с «разумными» затратами всегда приходится игнорировать некоторые неглавные факторы, которые тем не менее оказывают некоторое воздействие на результат. В авиационной лазерной локации главными источниками методических погрешностей оказываются бортовой GPS приемник, а также средства геодезического обеспечения.

Приведем некоторые примеры методических погрешностей:

– конечная расходимость зондирующего луча;

– ширина мгновенного поля зрения приемника, которая шире эффективной расходимости зондирующего луча;

– рефракция в атмосфере;

– гравитационные аномалии.

• Классификация погрешностей по источнику происхождения. Этот вопрос уже косвенно обсужден нами выше. Он имеет важное практическое значение, так как всегда важно понимать, какой блок в составе лидара или какой процесс является источником той или иной погрешности или неисправности. Локализация источника позволяет принять адекватные корректирующие действия, так как применительно к каждому отдельному блоку разработчиком прописаны процедуры контроля, калибровки и профилактики. Повторим еще раз, что источником различного рода погрешностей в лазерной локации могут выступать:

– сканирующий блок;

– дальнометрический блок;

– навигационный комплекс GPS+IMU;

– средства геодезического обоснования, т.е. опорная геодезическая сеть;

– ошибки по результатам определения выставочных параметров.

6. ВОЗДУШНАЯ ЛАЗЕРНО-ЛОКАЦИОННАЯ СЪЕМКА

Вводятся основные количественные и качественные параметры, которые могут быть использованы для полностью формального представления полетного задания, условий фактического выполнения съемки и контроля качества выполнения задания. Везде в настоящей главе предполагается, что лазерно-локационная съемка сопровождается аэросъемкой с использованием цифрового или аналогового топографического аэрофотоаппарата, поэтому параметры, характеризующие его работу, также принимаются во внимание. Также в настоящей главе рассмотрены в общей форме вопросы оптимизации режимов выполнения лазерно-локационной съемки, исходя из характеристик объекта съемки, типа ландшафта, метеорологических условий и других параметров.

6.1. Основные параметры воздушной лазерно-локационной съемки и оптимизация режимов ее выполнения Основные параметры, характеризующие процесс воздушной лазерно-локационной съемки, приведены в таблице 15.

Таблица 15. Основные параметры воздушной лазерно-локационной съемки где P – вес фракции дерева в абсолютно сухом состоянии, кг;

D1.3 – диаметр ствола на высоте 1.3 м от его основания, см;

H – высота дерева, м; Dk – диаметр кроны, м; a – константа уравнения;

S – стандартная ошибка уравнения; R2 – индекс детерминации.

Рис. 102. Распределение деревьев лиственницы по морфометрическим показателям стволов и крон, аппроксимированное функцией Вейбулла: а) – D1.3, б) – H, в) – Dкр., г) – Lкр., д) – Sкр., е) – G f (Dкр.).

Рис. 103. Совмещенная матрица гистограмм распределения и коррелированных полей рассеяния основных морфометрических показателей лиственничного древостоя (Центральная Эвенкия).

Таблица 25. Корреляционная матрица (R) таксационных и морфометрических показателей лиственничного древостоя (Центральная Эвенкия) Рис. 104. Парные линейные зависимости между морфометрическими показателями деревьев лиственницы, полученные по лазерно-локационным данным, и наземным измерениям на координатных пробных площадях: а) – H, Lкр., Dкр. f (D1.3); б) – Lкр., Dкр. f (H); в) – Lкр. f (Dкр.);

г) – Sкр. f (D1.3), где H – высота дерева, м; Lкр. – длина кроны; Dкр. – диаметр кроны;

D1.3 – диаметр ствола на высоте 1.3 м от его основания; Sкр. – площадь кроны.

Рис. 105. Трехмерное поле распределения морфометрических параметров деревьев в лиственничнике, полученное в результате сопряженной регрессии лазерно-локационных и наземных данных: а) – D1.3 f (H, Dкр.), б) – D1.3 f (H, Lкр.), в) – Sкр. f (H, Dкр.), г) – Sкр. f (H, D1.3).

Таблица 26. Корреляционная структура связи (R) размеров и массы фракций деревьев лиственницы (Центральная Эвенкия) Ветви 200. Time H North East Roll Wander *********No Items********* Condition:

-1.500 < Roll < 1. Time H North East Roll Wander Velocity 379171.312 637.153 4987028.861 38376730.111 -0.006 -0.420 38. 379173.692 635.737 4986966.608 38376796.808 -0.008 -0.420 38. Maximal deviation:

-1. 379174.447 635.467 4986947.079 38376818.203 -0.002 -0.420 38. 379174.447 635.467 4986947.079 38376818.203 -0.002 -0.420 38. Maximal deviation:

-1. 379189.547 637.411 4986568.571 38377244.321 -0.012 -0.420 36. 379192.267 636.179 4986503.518 38377319.434 -0.001 -0.420 36. Maximal deviation: 1. На рисунке 121 показан пример создания в ALTEXIS карты распределения лесной растительности по высотам на основе лазерно-локационных данных.

Рис. 121. Лазерно-локационная карта распределения лесной растительности по высотам.

8. ЛАЗЕРНО-ЛОКАЦИОННЫЙ МЕТОД В ТОПОГРАФИИ И СИСТЕМЫ

КАРТОГРАФИРОВАНИЯ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

8.1. Технологическая основа лазерно-локационного метода Говоря о технологической основе, мы имеем в виду, прежде всего, совокупность базовых технологий сбора и обработки геопространственных данных, лежащих в основе метода. Такими технологиями являются:

1) собственно лазерно-локационная съемка;

2) цифровая аэрофототопография;

3) технология прямого геопозиционирования аэросъемочных данных.

Каждая из перечисленных базовых технологий представляет собой совокупность типовых аппаратных и программных средств и методик их использования. Можно также сказать, что каждая из таких технологий предполагает наличие одного основного средства сбора данных (прибора), который в наибольшей степени определяет как содержание, так и логику работы всей технологии.

Так в лазерной локации, как следует из самого названия технологии, таким прибором является лазерный локатор или лидар. В цифровой аэрофототопографии это аэрофотоаппарат, а в технологии прямого геопозиционирования – гибридные GPS/INS системы.

Обратимся к рисунку 122, представляющему роль каждой технологической составляющей лазерно-локационного метода.

локационного метода в топографии, необходимо сделать два важных замечания:

1. Как уже было отмечено выше, название метода вовсе не означает доминирование лазерного локатора, т.е. лидара как источника геопространственных данных. Правильней будет говорить, что именно наличие лидара отличает этот метод от других.

2. Лазерно-локационный метод является не альтернативой, а дальнейшим развитием традиционных GPS/INS систем подробно рассмотрены в предшествующих главах. Поэтому для того, чтобы правильно воспринять технологическое содержание лазерно-локационного метода и систем картографирования реального времени, необходимо более подробно познакомиться с инструментами и методами современной раздел топографии, изучающий методы создания топографических карт по материалам авиационных съеРис. 122. Технологиче- мок» (БСЭ, 1978). Предлагаемое определение может ская составляющая лазебыть и не столь изящно, но оно, тем не менее, верно рно-локационного метоописывает суть аэрофототопографии, как прикладной да: а) лидар – поставлядисциплины. Предельно упрощая проблему, можно ет лазерно-локационные данные. Назначение:

ЦМР, ЦММ, выделение как по аэрофотоснимкам сделать карту.

контуров, дешифрироваИсходя из приведенных определений, можно уже ние; б) цифровой аэросейчас обратить внимание на ряд интересных обстояфотоаппарат – поставтельств, существенных для всего дальнейшего излоляет цифровые аэрофожения.

тоснимки. Назначение:

традиционное; в) систе- Обстоятельство №1: аэрофототопография – ма GPS/IMU – поставляэто всего лишь раздел общей топографии, то есть ет элементы внешнего всегда имеется возможность создавать топографичеориентирования аэрофоские карты и планы не только аэросъемочными, но и тоснимков и ЛЛ данных.

Назначение: прямое геопозиционирование (гео- Однако многие находят аэрогеодезические методы привязка).

изящными, производительными и экономически эффективными. Возможно поэтому, эти самые методы как в чисто топографических, так и в «околотопографических» приложениях, безраздельно доминировали в течение всего 20 века. И в 21 веке их доминирование пока сохраняется.

Обстоятельство №2: аэрофотоаппарат (т.е. в простейшем случае любой фотоаппарат, устанавливаемый на летательный аппарат с целью съемки Земли) является во многом определяющим компонентом всего аэрофототопографического процесса. Речь идет не только о чисто этимологической близости терминов: аэрофотоаппарат – аэротопография. В геодезии масса подобных примеров – теодолитная или тахометрическая, а также мензульная, лазернолокационная и, конечно, GPS-съемки. Здесь, как и в случае с аэрофототопографией, существенно наличие главного средства измерения или сбора данных, которое не только дает имя методу, но и, исходя из своей собственной логики, во многом определяет логику всего этого метода. Последнее обстоятельство чрезвычайно важно. И поэтому, коль скоро нашей целью является познание современной аэрофототопографии, наибольшее внимание нам придется уделить именно аэрофотоаппарату, его функциональности, логике практического использования, фотографическому и фотограмметрическому качеству и, конечно же, стоимости.

Обстоятельство №3, возникшее по результатам анализа предложенных канонических определений аэрофототопографии, перед началом рассмотрения дела по существу. Аэрофототопография – это такой вид человеческой деятельности, в которой правильным считается начать с установки фотоаппарата на борт летательного аппарата, а закончить производством полноценной топографической карты.

Признание этого факта позволяет изобразить «технологический каркас»

аэрофототопографии следующим образом: оптическое приборостроение аэрофотосъемка и фотограмметрия геодезия картография.

Как следует из приведенной выше схемы, исследование современного состояния и перспектив развития современной аэрофототопографии не сводится к оценке исключительно аэрофотоаппаратов – обособленно от тех задач, для решения которых их создают и потом покупают.

Классический подход и его носители Классический подход к аэрофототопографии представлен фундаментальным трудом А.Н. Лобанова (1983). Приведем несколько классических положений, весьма существенных для правильного усвоения современного взгляда на аэрофототопографию:

– считающийся базовым в классической аэрофототопографии, т.н. стереотопографический метод, предполагает использование аэросъемочных данных (то есть аэрофотоснимков) для создания как рельефной, так и контурной части карты;

– масштаб создаваемой топографической карты (плана) и морфология объекта съемки – два главных обстоятельства, оказывающих наиболее существенное влияние как на выбор аэрофотоаппарата (в частности, величины фокусного расстояния), так и режима съемки (высота, скорость, величина перекрытий);

– достижение нормативной точности выходного топографического материала в значительной степени зависит от качества наземных геодезических работ по планово-высотному обоснованию (определению координат опознаков) и развития фототриангуляционной сети. А последнее, в свою очередь, находится в очень сильной зависимости от качества пилотирования и выполнения аэросъемки в целом.

О текущем моменте Что же нового произошло в аэрофототопографии за последние 20 лет, и не нашло своего отражения в трудах классиков? Перечислим основные тенденции:

1) обязательным стало использование систем спутниковой навигации GPS/GLONASS как для определения пространственных координат точки фотографирования каждого аэрофотоснимка, так и для контроля пилотажно-навигационных параметров и управления аэрофотосъемочным процессом в целом;

2) активно стали применяться так называемые интегральные навигационные комплексы типа GPS/IMU, которые позволяют с достаточной точностью определять значения всех шести параметров внешнего ориентирования каждого аэрофотоснимка, как линейных, так и угловых. В некоторых случаях это позволяет полностью отказаться от работ по абсолютному пространственному ориентированию аэрофотоснимков, которое, как известно, выполняется с целью их последующего ортотрансформирования и геопозиционирования. В большинстве случаев наличие GPS/IMU данных позволяет существенно упростить и убыстрить процедуру создания фототриангуляционной сети;

3) чрезвычайно существенным обстоятельством является возможность выполнять одновременно аэрофотографическую и лазерно-локационную съемку;

4) Ну, и наконец, нельзя не отметить то, что практически все основные компоненты современной аэрофототопографии уже де-факто являются цифровыми. «Цифровизация» началась с картографии и фотограмметрии и, на сегодняшний день, можно сказать, победила окончательно. Цифровые методы доминируют и в геодезии, как в полевой, так и в камеральной фазе. В настоящее время разворачивается активный процесс перехода с аналоговых на цифровые аэрофотоаппараты.

8.3. Аналоговые и цифровые аэрофотоаппараты Сравнение аналоговых и цифровых аэрофотоаппаратов предварим двумя замечаниями, соответствующими точке зрения авторов на эту проблему:

• практически по всем параметрам цифровые камеры превосходят аналоговые;

• даже неискушенный в аэрофотографии читатель из своего повседневного жизненного опыта хорошо представляет, чем бытовые цифровые камеры отличаются от аналоговых. И это обстоятельство значительно облегчает задачу авторов.

Таким образом, агитацию в пользу внедрения цифровых методов аэрофотосъемки можно вести на двух уровнях:

1. «Обывательском» – почти дословно повторяя аргументы, приводимые ведущими производителями цифровой фототехники. Все эти аргументы в полной мере справедливы и в нашем случае.

2. «Профессиональном». Этот уровень агитации требует большего учета специфики метода использования фотоаппаратов для решения топографо-геодезических задач.

Традиционно главным доводом в пользу использования цифровых топографических аэрофотокамер является их технологичность. Считается, что:

– цифровые камеры более надежны в работе по сравнению с аналоговыми;

– данные, поставляемые цифровыми камерами, т.е. цифровые аэрофотоснимки достовернее аналоговых в информационном отношении (рис. 123);

– использование цифровых камер значительно сокращает длительность технологического цикла аэрофототопографического производства, т.к. при производстве цифровых аэрофотоснимков исключаются «мокрые» процессы, связанные с проявкой, закреплеа) фрагментов: (а) аналогового – Leica RC-30; (б) цифрового – Vexcel UltraCAM D аэрофотоснимков одинакового масштаба.

Рис. 124. Сравнение фотографического качества аэроснимков по зернистости: аналогового – Leica RC-30 (левый снимок); цифрового – Vexcel UltraCAM D (правый).

Рис. 125. Широкий фотометрический динамический диаобеспечивается возможность получения как пазон аэрофотоснимков, попанхроматических, так цветных и спектрозональ- лученных современными цифровыми аэрофотокамераных снимков в видимом и ближнем инфракраснми.

Рис. 126. Возможность получения панхроматических, цветМетоды классифиных и спектрозональных аэрофотоснимков.

Говоря о современных цифровых топографических аэрофотоаппаратах можно предложить базовый набор критериев оценки их Приведенный список является далеко неполным, а сами критерии достаточно условными и требующими дополнительных комментариев. Однако они, в целом, верно отражают «пользовательский» подход к оценке качества предлагаемый средств цифровой аэрофотосъемки и целесообразности их использования взамен традиционных аналоговых средств.

Пользуясь этими критериями, ниже буРис. 127. Крупномасштабная аэродут обсуждаться цифровые аэрофотоаппафотосъемка объектов многоэтажной имеющиеся сегодня (особенно широкоформатные) цифровые аэрофотоаппараты характеризуются некоторым набором общих свойств, а именно:

Таблица 38. Набор пользовательских критериев оценки производительности и качества современных цифровых Фотографическое динамический диапазон, интенсивность качество шумов, качество цветопередачи стабильность параметров внутреннего ориФотограмметрическое ентирования, достижимая точность выполкачество нения фототриангуляции Производительность cек; по площади картографируемой территории – в км2/час возможность адаптации традиционных техТехнологичность нологических процессов, наличие квалифицированного персонала 1. Использование CCD (ПЗС в русской транскрипции) приемников излучения, матричного или линейного типа.

2. Синтезированный кадр (для широкоформатных аэрофотоаппаратов).

Т.е. результирующий кадр системы формируется из набора субкадров, соответствующих отдельным CCD матрицам (линейкам) приемников.

3. GPS/INS поддержка. Т.е. пространственные линейные и угловые координаты системы координат аэрофотоаппарата (элементы внешнего ориентирования) определяются с использованием средств инерциальной навигации и систем спутникового геопозиционирования GPS и (или) ГЛОНАСС.

4. Широкий динамический диапазон 12–14 бит.

5. Наличие компенсации сдвига изображения в течение времени экспозиции («смаз»). Для обозначения этого свойства в англоязычной литературе укрепился термин FMC – Forward Motion Compensation.

6. Использование гиростабилизации для подержания планового положения аппарата в процессе съемки.

Вместе с тем современные цифровые аэрофотоаппараты различаются по целому ряду параметров. Укажем главные:

1. Геометрия приемника – матрица CCD или линейка CCD.

2. Метод синтеза кадра.

3. Способ компенсации «смаза» – механический или электронный.

Первые два указанных различия носят концептуальный характер и в значительной степени определят «идеологию» как самих аэрофотоаппаратов, так и методик их использования.

В таблице 39 представлен один из возможных подходов к классификации цифровых аэрофотоаппаратов, когда в качестве основного критерия используется размер выходного кадра (аэрофотоснимка):

Таблица 39. Классификация цифровых аэрофотоаппаратов Отметим, что такой метод классификации является весьма условным и не отражающим существа дела. Мы приводим его исключительно из-за того, что он, несмотря на свою ограниченность, является весьма распространенным.

Кроме этого, данный метод классификации пригоден только по отношению к кадровым системам. Однако по традиции линейные фотографические сканеры (Leica ADS-40, Jena-Optronik JAS-150) принято относить к широкоформатным аэрофотоаппаратам.

Малоформатные камеры активно использовались для аэросъемочных целей до конца 90-х годов прошлого столетия. Сейчас их роль весьма ограничена.

Некоторые примеры аппаратов этого класса приведены на рисунке 128.

Rollei d507 metric Kodak (DCS5 Pro 14n) пользу камер этого типа является их «умеренная» ценовая ниша, компактность, малое энергопотребление и, как следствие, возможность быстрой адаптации к существующим носителям. Такие камеры управляются с использованием обычных персональных компьютеров, которые часто используются и как средства накопления аэрофотоснимков (рис. 129).

Рис. 129. Среднеформатные цифровые топографические камеры.

Отметим главные технологические ограничения среднеформатных цифровых фотоаппаратов, в смысле их аэрофотосъемочного использования:

1. Используется только один матричный CCD приемник, что ограничивает размер результирующего кадра. С января 2006 г. фотоаппараты компании Rollei будут поставляться с приемниками, обеспечивающими получение кадра размером 39 мегапикселей и минимальным интервалом фотографирования около 2 с. На сегодняшний день это самый лучший показатель.

2. Режим компенсации сдвига изображения в среднеформатных камерах не используется, что накладывает определенные ограничения при выборе условий проведения аэрофотосъемочных работ (высоты, скорости, длительности экспозиции).

На рисунке 130 представлены модели цифровых широкоформатных аэрофотоаппаратов, а в таблице 40 показаны их основные характеристики.

Рис. 130. Крупноформатные цифровые топографические камеры.

Таблица 40. Основные параметры крупноформатных камер

INTERGRAPH LEICA SYSTEMS

заметим, что он один из самых важных, в том числе и с экономической точки зрения. В этой связи нельзя не отметить, что на сегодняшний день UltraCAM X австрийской компании Vexcel Imaging – самая производительная цифровая аэрофотокамера в мире, существенно превосходящая своих главных конкурентов – DMC компании Intergraph и ADS-40 компании Leica Geosystem, а также и все другие камеры.

С появлением камер такого класса вполне уместно ставить вопрос о сравнении разрешающей способности и суммарной информационной емкости цифровых и аналоговых широкоформатных аэрофотоаппаратов.

Для этой цели проведем следующие вычисления. Возьмем стандартный аналоговый аэрофотоснимок в форме негатива размером 180180 мм. Подвергнем его оцифровке в фотограмметрическом сканере с принятым в России шагом 20 микрон. Могут использоваться различные модели фотограмметрических сканеров. Количество информации на один оцифрованный аэрофотоснимок составит:

т.е. – 81 мегапиксель. Сравнивая полученное значение с форматом кадра UltraCAM X, который, как указано выше, составляет 136 мегапикселей, убеждаемся, что UltraCAM X в практическом смысле обеспечивает большее количество информации на один кадр. Конечно, лучшие аналоговые аэрофотоаппараты обладают разрешением, позволяющим проводить оцифровку с шагом 10 и даже мкм. Поэтому цифровым аэрофотоаппаратам пока «далеко» до теоретического предела информативности. Тем не менее, такие рассуждения показывают, что по такому важному параметру как информативность, цифровые топографические камеры сравнимы с лучшими аналоговыми, а по всем другим пользовательским параметрам их превосходят.

Обратимся к таблице 42, представляющую динамику продаж широкоформатных цифровых аэрофотоаппаратов с момента их появления.

Таблица 41. Основные технические характеристики цифровой топографической аэрофотокамеры UltraCAM X

ОПИСАНИЕ ВЫХОДНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕНСОРНОГО БЛОКА КАМЕРЫ

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БОРТОВОГО БЛОКА НАКОПЛЕНИЯ И

ОБРАБОТКИ СНИМКОВ (SCU)

ПРОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

(По материалам конгресса ASPRS в Рино, США, 2006) В таблице 42 представлены данные, в том числе и по двум главным конкурирующим продуктам DMC компании Intergraph и ADS-40 компании Leica Geosystems. В настоящее время компания Vexcel поставила уже более 50 цифровых аэрофотокамер. Начиная с 2006 года, две такие камеры используются в странах бывшего СССР. С 2002 г. в России используются два линейных фотографических сканера ADS-40.

Очевидно, однако, что Vexel, благодаря четко выверенной маркетинговой стратегии занял лидирующую позицию в деле производства и поставки цифровой аэрофотосъемочной техники. Сегодня есть все основания считать, что давно предсказуемый перелом в пользу цифровых аэрофотосъемочных средств произошел и, в значительной степени, благодаря активной деятельности в этой сфере российских компаний Геокосмос и ГеоЛИДАР (рис. 132).

Перед тем как продолжить обсуждение, представим еще один возможный способ классификации цифровых (в том числе широкоформатных) аэрофотоаппаратов, исходя из принципов формирования результирующего изображения. Как было сказано выше, такой подход представля- Рис. 132. Генеральный директор компании Геолидар Е.М. Медведев (в центре) с президентом и осется существенно более конст- нователем компании Vexcel Imaging профессором руктивным. Ключевую роль при Францем Леберлом и его супругой Гертрудой.

таком методе классификации играет архитектура приемника. Итак, по способу формирования изображения, цифровые топографические фотоаппараты бывают:

1) с одиночным матричным приемником (matrix);

2) с композитным приемником, состоящим из нескольких физических матричных приемников;

3) с приемником в виде одного или нескольких CCD приемников линейного типа. Приемники такого типа называют также линейками или гребенками.

Главное, что в отличие от матрицы, такие приемники имеют одномерную структуру. Важное замечание – первые два типа приборов, как уже отмечалось выше, могут быть названы кадровыми, так как формируют традиционный аэрофотоснимок квадратной или прямоугольной формы. Приборы третьего типа кадровыми не являются. Они формируют непрерывные последовательности данных, которым больше подходит название «полоса». Множество примеров аэросъемочных данных такого рода можно найти на сайте компании Leica Geosystem: www.leica-geosystems.com.

В таблице 43 представлено распределение наиболее известных цифровых топографических аэрофотоаппаратов в соответствии с предложенной классификацией.

Таблица 43. Классификация наиболее известных цифровых аэрофотоаппаратов по способу формирования изображения Композитный матричный UltraCAM-X (Vexcel Imaging) 8.5. Кадровые и линейные цифровые фотографические системы Термин «линейный сканер» применительно к аэрофотографическим системам не является общепризнанным. Многие утверждают, что это термин неверно отражает суть приборов этого типа. Тем не менее, мы будем пользоваться именно этим привычным для нас термином.

Производители, как правило, ориентируются только на один из двух указанных типов. Современные технологии разработки и создания цифровых метрических аэрофотоаппаратов слишком сложны и ресурсозатратны, чтобы позволить себе «роскошь» поддержки сразу двух концепций. Различия концепций касаются не только принципов построения оптических и электронных компонентов приборов, но и всей идеологии их использования, включая полевые, аэрофотосъемочные, фотограмметрические и камеральные работы.