Глава 12. СИСТЕМЫ НАЗЕМНОГО МОБИЛЬНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ

12.1. Особенности и преимущества наземных мобильных систем

Используемое на западе название «системы мобильного карто-

графирования» СМК является дословным переводом англоязычного термина «mobile mapping systems». Иногда в западной литературе используется термин «mobile mapper». Его можно не вполне корректно

онно-измерительные и вычислительныеДсредства, самодвижущуюся платформу, а также совокупность программных и методических средств, предназначенных для выполнения топографической съемки земной поверхности.

перевести как «мобильный картограф». И в том, и в другом случаях

используемые названия нельзя признать удачными, по крайней мере, они никак не вписываются в отечественную традицию, которая уже на уровне терминологическом четко разграничивает работы по топо-

Главной отличительнойАчертой СМК как средства топографической съемки является нал чие в ее составе сканирующего лазерного дальномера (лазерного сканера), а также возможность работы в дина-

Синструментаистемыданной съёмки, в принципе это название можно отнести как к наземному, так и к воздушному лазерному сканированию.

оздание наземных мобильных сканирующих систем является дальнейшим развитием технологии наземного лазерного сканирования за счёт фактической модернизации и внедрения основных элементов технологии воздушного лазерного сканирования (ВЛС), направленными на увеличение производительности, повышение каче-

149

ства и комфортности проведения полевых и камеральных работ. В качестве движущейся платформы здесь используются наземные средства передвижения: автомобили, железнодорожные дрезины и локомотивы, речные и морские суда, причем в современных моделях рабочая скорость движения платформы достигает магистральной скоро-

•GPS − траектории движения платформы; И

•Position and Orientation SystemД(POS) − угловой ориентации платформы;

•LIDAR − дальномерных лазерных измерений.А

обработку. б

и1. Бортовой GPS-приемник регистрирует траекторию движения автомобиля. GPS-данные подвергаются дифференциальной коррек- ц на основе данных неподвижной азовой GPS-станции. Спутниковые данные о новляются с частотой 2−20 Гц.

2. Инерц альная с стема о еспечивает измерение и регистра- Сц ю параметров угловой ор ентации платформы. Инерциальные данные обновляются с частотой от 200 до 500 Гц, т.е. значительно чаще,

чем спутн ковые, но меют дрейф.

3. Лазерные мпульсы отражаются от поверхности земли, зданий, объектов инфраструктуры и др., регистрируются приемником излучения преобразуются в цифровую форму.

4.Продольная развертка осуществляется за счет движения платформы.

5.Каждый из сканеров реализует развертку и при отсутствии препятствий обеспечивает получение съемочных данных в радиусе,

который доступен для данной модели, например до 100 м (модель VI00), до 200 м (модель V200) или 300 м для системы

StreetMapper 360.

150

ный лазерный сканер, геоцентрической системе координат WGS-84.

Пр нц п альную схему согласования данных инерциальной и спутниковой навигационной систем и процесс исключения влияния

дрейфа акселерометров блока IMU можно показать на

примере коррекции траектории, спроектированной на координатную плоскость OXZ (рис. 12. 2):

• в точках A, B, C, D, E и F, где выполнены спутниковые и инерциальные измерения, реальная траектория (3) совпадает с траекториями, вычисленными по данным инерциальных (1) и спутниковых (2), что обусловлено «сбросом» влияния накопленного к этому моменту дрейфа акселерометров и гироскопов;

151

ет пр нц п согласован я результатов инерциальных и спутниковых данных, дает ключ к пониманию причин относительно невысокой их точности в реальном режиме и объясняет необходимость постобработки.

Данные лазерного сканирования, полученные с помощью МСС, представляют собой «облака точек» с определенным количеством одиночных лазерных измерений. Каждое одиночное лазерное измерение имеет собственную временную метку в формате UTC или GPS-времени. Для синхронизации данных сканирования использу-

152

ются данные спутникового приемника GPS, а для коррекции мгновенных изменений положения мобильной платформы − данные инерциальной системы.

Очевидно, что технология в плане конструктивных решений имеет много общего с методом воздушного лазерного сканирования (рис. 12.3). С чисто математической точки зрения в СМК используется абсолютно аналогичный принцип измерения, что и в других приборах, относящихся к категории «лазерные сканеры», или другое

К сканера OXYZ по базису обобщённой СК ONEA, определяемые по известным формулам аналитической геометрии по трём углам ориентирования:

153

На основании уравнения (12.2) выполняется расчет всех координат лазерных точек:

зависимости от погоды, как у ВЛС.

уществует еще одно важное отличие − наземные мобильные сканирующие системы можно использовать непосредственно в населенных зонах, так как применяемые в них наземные лазерные сканеры безопасны для зрения. По аналогии с ВЛС логично было бы назвать этот метод съёмки наземное мобильное лазерное сканирова-

154

ние (НМЛС) и в отличие от статичного Наземного Лазерного Сканирования (НЛС). Для сокращенного названия воздушного лазерного сканирования «ВЛС» нет необходимости включать «М» − мобильное, так как другого способа в этом случае нет.

Сложный инструмент, которым являются мобильные сканирующие системы (МСС), интересен и универсален настолько, что самим фактом своего появления определил целый метод топографогеодезической съемки с присущими только ему технологическими приемами работы в полевых и камеральных условиях, характером выходных данных, средствами метрологического обеспечения и т.д.

Основной областью применения НМЛС являются объекты городской инфраструктуры и архитектуры, а также протяженные линейные объекты, такие как линии электропередачи, автомобильные и железные дороги, аэродромы, трубопроводы, береговая линия и пр.

сколько лазерных сканеров с углом обзора до 360о, GPS и инерциальной системой (рис. 12.4). Кроме того, такие системы комплектуются цифровыми фотоаппаратами. При начале движения автомобиля сканеры и фотокамера начинают свою работу, в результате чего на экране компьютера мы видим получаемые от них данные. Это очень наглядно, оператор сразу имеет возможность оценить степень достаточности получаемых данных и наличие мертвых зон в тех или иных

155

местах (рис. 12.5). На случай остановки система может прекратить сбор данных и возобновить его при продолжении движения. Указанные системы поставляются с программным обеспечением, которое наилуч-

вывод окончательных данных. Плотность сканирования при использовании, например, одного сканера в системе StreetMapper 360 со-

ставляет (табл. 12.1):

Таблица 12.1

Данные, накопленные за 1 ч съемки, могут быть полностью об-

работаны в течение 1 ч.

Технология лазерной съемки достигла такой ступени развития, когда она позволяет формировать графические изображения исключительного качества, насыщенные структурными и топографически-

Ссъемки12.2. остав и отличие наземных мобильных

ми деталями. В отличие от фотографий, и плоских изображений, получаемые данные на основе лазерного сканирования, являются трех-

сканирующих систем

На сегодняшний день системы мобильного картографирования предлагают пользователям канадская компания Optech Inc. и германская IGI mbH-Riegl . Обе эти компании занимаются также производством аэросъемочных лидаров, иначе называемых воздушными ла-

156

зерными сканерами или локаторами. И это не просто совпадение, поскольку методики получения данных съемки с использованием автомобильных и авиационных платформ не имеют принципиальных отличий. В обоих случаях в качестве основного источника данных при-

дополнительный источник геопространственной информации позволяет получить еще более точное и достоверное навигационное решение. Количество сканирующих модулей, схема их установки и развертка, как правило, отличаются от аэросъемочных систем. В системах мобильного картографирования чаще применяют не один, а от двух до четырех сканирующих модулей, что обеспечивает более полное покрытие сцены съемки во всех ракурсах и минимизирует теневые участки. Что касается траектории сканирования (развертки), то по общему признанию специалистов, оптимальной является круговая развертка, так, как это исполнено в системе Lynx компании Optech

или в новой модели StreetMapper360.

Все устройства жестко крепятся на специальной платформе, которая, по заявлениям производителей, может быть установлена «практически на любой автомобиль». В определенном смысле это

По сравнению с аэросъемочными лидарами системы мобильного картографирования гораздо меньше зависят от погодных условий. Однако сама область их применения для исследования городских территорий часто означает съемку в неблагоприятной GPS-обстановке, когда количество наблюдаемых спутников сильно ограничено, так как видимость закрыта радионепронициемыми объектами (высотные дома, деревья и пр.). Особенно сложная ситуация наблюдается, если съемку приходится вести в тоннелях. ля компенсации неблагоприятной GPS-обстановки разворачивают сеть съемочного обоснования (в городских условиях возможности геопривязки значительно больше, чем в чистом поле), выбирают ведение съемки на коротких дальностях (как правило, до 100 м), таким образом уменьшая ошибку опре-

158

Система мобильного картографирования LYNX Mobile Mapper, разработанная канадской фирмой Optech полностью решает задачи инженерного и топографического обследования протяженных объектов (улицы, проспекты, коммуникации и другие объекты инфраструктуры города), где неэффективно, затруднено или невозможно использование стационарных наземных сканеров, а технология воздушного лазерного сканирования не обеспечивает необходимую плотность и точность сканирования.

Система LYNX Mobile Mapper особенно актуальна для сбора данных лазерного сканирования в условиях города: при скорости обследования до 100 км/ч она обеспечивает беспрецедентную детальность трехмерных изображений со средней абсолютной точностью лучше пяти см (при этом дальномерная точность составляет ±7 мм) и плотностью данных вплоть до первой точки на 1 см 2. Технические характеристики даны в табл. 12.2.

Данная система может включать несколько лазерных сканеров (до четырех) и цифровых фотокамер (до двух). Использование нескольких сенсоров позволяет оптимизировать зону охвата и минимизировать зону лазерной тени. Съемочный комплекс представляет со-

159

бой единый, жестко устанавливаемый на крышу модуль, подходящий к стандартным транспортным средствам и допускающий небольшие механические «адаптации». Поставляемый модуль содержит две платформы для установки сканеров с возможностью их переориентирования, два посадочных места для камер и крепление для установки антенны системы IMU/GPS. Жесткость блока и всех креплений гарантирует неизменность пространственных и угловых «выставочных» параметров.

Программное обеспечение состоит из двух частей LYNX-Survey

и LYNXProcess.

Система позволяет получать геопространственные данные для:

• высокоточных цифровых карт и трехмерных моделей рельефа,

• охраны исторических и культурных памятников;

Средачдорогит.д., спец ал сты могут построить высокоточные трехмерные компьютерные модели. Полученные модели чрезвычайно важны для

• обследования открытых карьеров и пр.

Система Lynx Mobile Mapper о ладает уникальными возможно-

планирования новой схемы дорог и их ремонта, для оценки маршрутов перевозки негабаритных грузов и управления инфраструктурой

(рис. 12.9).

Рис. 12.9. Транспортная развязка: трехмерное облако точек / трехмерная

CAD-модель

160

Системы НМЛС позволяют легко и быстро собирать лидарные данные для нужд железнодорожного сообщения. Установки на самоходной дрезине или специально модернизированном автомобиле (см. рис.12.3) продемонстрировали способность систем обеспечивать данные необходимой точности для инфраструктуры железных дорог. Традиционные методы топографической съемки требуют частых измерений на подошве рельса, головке рельса и подошве противоположного рельса. Это трудоемкий, нарушающий нормальную работу железной дороги, а иногда и опасный, процесс. Сбор лидарных данных занимает гораздо меньше времени и сводит к минимуму нарушение железнодорожного сообщения. Люди не подвергаются опасности, а измерения могут проводиться чаще, режим их легко выбирается оператором.

161

никового приемника, обеспечивающего точное позиционирование системы, другого оборудования (цифровых камер, датчиков-одометров и др.), а также компьютера с программным обеспечением для оператив-

162

163

Topcon IP-S2 HD может комплектоваться панорамной фотокамерой высокого разрешения, собирающей до 15 кадров в секунду. Полученные фотографии могут использоваться для окрашивания облаков точек или просто для получения изображений, привязанных по

Topcon IP-S2 или Topcon IP-S2 HD и из CAN-шины автомобиля.

164