2438

Глава 11. МЕТОД АЭРОГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ НА ОСНОВЕ

ВОЗДУШНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ЛОКАЦИИ

ИЦИФРОВОЙ АЭРОФОТОСЪЁМКИ

11.1.Принципиальные отличия и сфера применения метода

Развитие современной аэрогеодезии обусловлено не только переходом на принципиально новый, цифровой уровень работы с пространственными данными, но и появлением новых типов геодезиче-

GPS

Лазерный

сканер

INS

GPS

Рис.11.1 Принципиальная схема лазерной локации местности

ского оборудования, инструментов и технологий получения данных о Земле. Ярким примером современных методов получения информации о земной поверхности является воздушное лазерное сканирование (ВЛС) и наземное мобильное лазерное сканирование (НМЛС).

С развитием технических возможностей оборудования, лазерное сканирование расширило сферу применения. В настоящее время ВЛС успешно используется для создания трехмерных метрических моделей местности, цифровых топографических планов и карт, таксации леса, в маркшейдерских работах и т. п. Одним из основных направлений использования ВЛС стало создание и обновление крупномас-

111

штабных топографических карт и планов – важнейшей части инже- нерно-геодезических изысканий.

Воздушное лазерное сканирование (лазерная локация) в настоящее время является одним из самых эффективных методов выполнения топографических работ. Использование воздушного лазерного сканера (ЛИДАРа) для съемки поверхности земли является наиболее передовой и самой продуктивной технологией получения высокоточных пространственных данных и позволяет выполнять значительные объемы работ более производительно по сравнению с традиционной топографической съемкой. Этот метод позволяет создавать крупномасштабные топографические карты и планы масштаба 1:500 и мельче с сечением рельефа 0,5 м даже в залесённой местности.

Принцип работы воздушного лазерного сканера следующий (рис.11.1.) Во время полета воздушного судна с помощью бортового интегрального комплекса (спутниковый приемник плюс инерциальная навигационная система) на каждый момент времени достаточно точно получают элементы внешнего ориентирования сканера: пространственные координаты траектории полёта и углы наклона и разворота сканера. Лазерный сканер выступает в роли дальномера, фиксируя фазу угла сканирования и расстояние от воздушного судна до подстилающей поверхности. Для уточнения пространственного положения воздушного судна во время полета создается сеть наземных базовых станций, за счет которой определяются дифференциальные поправки. В итоге получается так называемое «облако точек лазерного отражения», в котором каждая точка имеет пространственные координаты XYZ в необходимой системе координат с сантиметровой точностью.

Кроме этого, в аэросъемочный комплекс входит цифровая аэро-

фотокамера, например RCD105 39 Mpix компании Leica Geosystems,

снимки которой позволяют очень быстро создавать цветные ортофотопланы высокого разрешения на территорию съемки. Технология создания ортофотопланов максимально оптимизирована за счёт полученных в полёте элементов внешнего ориентирования снимков. Детальная матрица рельефа, необходимая для аналитического трансформирования снимков, получается в результате обработки данных воздушного лазерного сканирования. По трансформированным снимкам и результатам дешифрирования создаются фотокарты.

Каким образом выполняется вся технологическая цепочка, от организации и проведения воздушного лазерного сканирования и

112

цифровой аэрофотосъемки до выпуска и печати готовых топографических планов и карт рассмотрим более детально.

В основе технологии лежит выполнение синхронного маршрутного лазерно-локационного сканирования местности и цифровой аэрофотосъемки в составе, например, следующего комплекта оборудования:

Лазерного сканера ALTM-1210 с разверткой лазерного луча в одной плоскости и частой выполнения измерений 5 Кгц. Угол сканирования может быть задан в диапазоне 20 , а частота сканирования может меняться от 0 до 28 Гц. На основании данных этой подсистемы можно вычислить расстояние между излучателем и объектом отражения, а также угол в плоскости сканирования, куда был направлен луч в момент излучения.

Инерциальная система, датчики которой установлены в одном блоке с лазерным сканером. На основании данных этой подсистемы можно вычислить параметры ориентации летательного аппарата (датчиков инерциальной системы, лазерного сканера и фотоапарата) относительно определенной системы координат.

GPS-приемник. На основе данных которого, осуществляется синхронизация времени работы всех подсистем, а также вводится единая система координат и рассчитывается траектория полета летательного аппарата.

Для выполнения съемки создаются базовые GPS-станции, дан-

ные которых используются для вычисления дифференциальных поправок при определении траектории летательного аппарата. Для определения траектории летательного аппарата и уточнения угловых данных инерциальной системы, применяется метод совместной обработки GPS-данных и данных инерциальной системы. Применение такого метода расчета повышает как точность определения угловых параметров, так и местоположения.

Кроме прибора, выполняющего лазерно-локационное сканирование местности, на борту летательного аппарата устанавливается цифровая фотокамера. Поскольку в состав прибора, выполняющего лазерно-локационную съемку (ALTM-1210), входит инерциальная подсистема, то геодезическая привязка фотографий осуществляется программным способом автоматически, учитывая траекторию полёта и угловую ориентацию фотоаппарата и летательного аппарата в момент экспозиции снимка. То есть вычисляются линейные X, Y, Z и угловые , , элементы внешнего ориентирования снимка.

113

Технические характеристики лазерного сканера ALTM-1210:

11.2. Этапы технологии выполнения лазерно-локационных работ

Технология включает несколько этапов:

1.Планирование и подготовка аэросъемочных работ:

Получение картографического материала и утверждение границ объекта съемки.

Выбор параметров съемки, исходя из продукта необходимого Заказчику и условий съемки.

Подготовка материалов для навигации и настройка навигационнойсистемы.

Камеральная рекогносцировка и выбор геодезических пунктов для определения местоположения базовых станций.

Составление проекта съемки.

2.Работы по геодезическому обеспечению аэросъемочных работ:

Полевое обследование пунктов ГГС, мест установки базовых станций и мест расположения контрольных точек.

Создание рабочего проекта привязки базовых станций.

Закрепление мест установки базовых станций и контрольных точек.

114

Спутниковые наблюдения в сети (в соответствии с рабочим проектом) и на контрольных точках.

Обработка наблюдений. Вычисление координат базовых станций и контрольных точек.

3.Установка и калибровка оборудования на летательном аппарате

(ЛА):

Измерение параметров установки аппаратуры.

Спутниковые наблюдения для проведения калибровки оборудования.

Проведение калибровочного полета.

Обработка результатов калибровочного полета и проверка точности данных.

4.Выполнение лазерно-локационной съемки:

Расстановка и включение базовых станций, обеспечивающих дифференциальный режим обработки GPS-данных.

Выполнение съемочного задания, согласно выбранным режимам съемки и графику работ.

Архивация отснятого материала.

5.Контроль полноты и качества отснятого материала:

Контроль качества GPS-измерений.

Контроль наличия пропусков в данных.

Контроль качества полученных данных.

Вычисление расхождений координат точек, полученных по результатам лазерного сканирования, и контрольных точек.

Составление, если это необходимо, задания на пересъемку.

6.Обеспечение правил проведения аэросъемочных работ и решение режимных вопросов.

Следующими технологическими этапами являются первичная обработка материалов съемки и тематическая обработка. Результат первичной обработки массив точек, каждая из которых является результатом отражения лазерного луча от поверхности рельефа или иного объекта, в который попал лазерный луч. Каждая такая точка характеризуется тремя координатами в какой-либо геодезической или локальной системах координат.

Конечным продуктом после тематической обработки являются:

Цифровая модель рельефа (ЦМР) и цифровая модель растительности в виде массивов классифицированных точек при-

115

надлежащих рельефу и не принадлежащих рельефу соответственно.

Тематические слои по «Техническому заданию» заказчика (гидросеть, ЛЭП, строения, дороги и т.д.).

Векторизованные слои (гидросеть, ЛЭП, строения, дороги и т.д.).

Ортофотоплан.

Лазерно-локационные и аэрофотосъемочные работы, выполняемые в ходе полевого обследования

11.2.1. Установка и наладка оборудования на борту летательного аппарата

Перед проведением полевых работ выполняется монтаж аэросъёмочного оборудования на борту самолёта или вертолёта, пример последнего приводится ниже на базе разработок ЗАО «ОПТЭН Лимитед».

В составе комплекта аэросъёмочного оборудования используются:

-собственно лазерный сканер ALTM-1210;

-бортовой навигационно-геодезический спутниковый приёмник

производства компании Ashtech модели Z-12 (двухчастотный, 12-канальный);

-видеокамера производства компании Watek;

-видеомонитор пилота;

-видеозаписывающее устройство производства компании Sony;

-бортовой компьютер производства компании Panasonic;

-цифровой фотоаппарат производства компании KODAK

модели DCS 760;

-навигационный компьютер с установленным программным обеспечением Ozi Explorer;

-устройства сопряжения с бортовыми системами вертолёта. Методика установки оборудования на вертолет МИ-8, получив-

ший самое широкое распространение в Российской гражданской авиации, хорошо отработана в ЗАО «ОПТЭН Лимитед» по проведению комплексного лазерного обследования. Сканирующая головка совместно с боксом цифрового фотоаппарата устанавливается над плановым люком тросовой подвески вертолета Ми-8. При этом при-

116

меняется специальная алюминиевая рама, разработанная совместно организациями АО «Взлет» и ЗАО «ОПТЭН Лимитед».

Внутренняя установка сканирующей головки и бокса цифрового фотоаппарата имеет ряд неоспоримых преимуществ перед внешней подвеской. К ним следует отнести, во-первых, лучшую влаго- и пылезащищенность оптических прецизионных модулей. При внутренней установке во время взлета и посадки отверстие люка закрывается заслонкой, что препятствует попаданию на оптику пыли, поднимаемой с ВПП потоком воздуха, идущим от главного ротора вертолета.

Во-вторых, внутренняя установка обеспечивает гораздо более плотную фиксацию сканирующей головки относительно корпуса вертолета, а значит, и относительно фазового центра антенны GPS, которая также закреплена на корпусе. Следует принять во внимание, что местоположение точек отражения лазерного импульса рассчитывается исходя из того предположения, что центр инерциальной системы координат (находящейся внутри сканирующей головки) неподвижен относительно фазового центра антенны GPS. Поэтому, в конечном счете, внутренняя установка позволяет обеспечить большую точность измерения, чем внешняя.

Блок управления ALTM устанавливается на платформу, разработанную совместно ЗАО «ОПТЭН Лимитед» и AO «Взлет», раму в районе 4-го и 5-го шпангоутов вертолета. Питание бортовой аппаратуры осуществлялось от одной точки вертолетной системы питания через специальное распределительное устройство, спроектированное в АО «Взлет». Исходя из требований безопасности, в конструкции этого распределительного устройства предусмотрена возможность отключения пилотом питания бортового комплекса посредством переключения всего одного тумблера. Плавкие предохранители распределительного устройстварассчитанына пропускание тока не более25 А.

Приемник GPS, бортовой компьютер и компьютер управления режимами сканирования HUSKY штатно закрепляются на верхней плоскости блока управления ALTM.

Согласно конструкторской документации, разработанной в АО «Взлет», специальная антенна GPS, предназначенная для авиационного базирования, устанавливается в верхней части корпуса хвоста вертолета Ми-8 вместо первого строевого огня. Такая установка позволяет, при одновременном выполнении требований безопасности, обеспечить минимально возможное маскирование спутников GPS корпусом вертолета.

117

Непосредственно на приборную панель перед левым пилотом устанавливается видеомонитор. Обычно монитор отображает видеоинформацию, приходящую от камеры, установленной в одном блоке со сканирующей головкой, и позволяет пилоту контролировать область сканирования, однако в данном случае на монитор пилота выводится изображение полетных линий с навигационного компьютера и маркер, показывающий в реальном масштабе времени положение вертолета.

Для точных расчётов лазерно-локационных данных проводятся измерения положения фазового центра бортовой GPS-антенны в системе координат инерциальной системы сканера, т.е. определяется вектор: «центр инерциальной системы – фазовый центр антенны

GPS».

Измеренные значения уточняются в процессе проведения калибровочной процедуры, представляющей собой серию небольших по длительности пролетов над некоторым специально выбранным калибровочным объектом. Сканирование объекта проводится в различных режимах по разным направлениям. Анализ расхождения лазерных данных, полученных в различных режимах, позволяет ввести корректирующие поправки в измеренные ранее выставочные параметры аппаратуры.

11.2.2. Геодезическое обеспечение аэросъемочных работ

На пунктах съемочного обоснования устанавливаются спутниковые антенны. Центрирование и нивелирование антенн проводится до и после сеанса наблюдений с помощью оптических триггеров, входящих в комплект GPS-приемников. До и после выполнения наблюдений проводятся контрольные измерения высот антенн.

Наблюдения на пунктах съемочного обоснования проводятся во время аэросъёмки при следующих установках:

Угол маски возвышения – 10о;

Интервал записи измерений – 1 сек;

Запись наблюдений во внутреннюю память

приемников.

Для обеспечения наилучшего качества спутниковых наблюдений, производится планирование сеансов лазерно-локационной съемки. В результате определяются интервалы времени, в течение которых создаются наилучшие условия для проведения спутниковых наблю-

118

дений (наибольшее количество видимых спутников, наилучшая геометрия созвездия спутников).

Прогнозирование GPS обстановки осуществляются с применением программы Reliance Mission Planner. Основой планирования служат максимально свежие файлы альманахов, принятые GPS приемниками, а также сведения NANU. В качестве критериев благоприятной GPS-обстановки оцениваются количество видимых спутников и величины PDOP.

Следует учитывать, что GPS данные траекторий подвергаются позднее обработке по методике совместного уравнивания данных GPS с данными инерциальной системы. Поэтому во время проведения обследования требуется наличие не менее 6-ти спутников с углом возвышения более 15 над горизонтом. Угол в 15 выбран исходя из условий маскирования бортовой GPS антенны корпусом вертолета и максимальных углов крена и тангажа, разрешенных техническими условиями на пилотирование при проведении лазерного обследования.

11.2.3. Производство измерений на борту летательного аппарата

Основу комплекса лазерного сканера составляют лазерный дальномер, бортовой навигационно-геодезический спутниковый приёмник, сканирующая система и инерциальная аэронавигационная система. Во время движения носителя лазерного сканера над картографируемой поверхностью лазерные дальномеры выполняют от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч измерений в секунду. Направление распространения импульсов лазерного излучения изменяется с помощью сканирующей системы (осциллирующего зеркала). Данные о результатах каждого измерения наклонной дальности до подстилающей поверхности аннотируются точным временем, так же как и навигационные данные системы GPS о положении носителя в пространстве и данные инерциальной системы об ориентации носителя. Полученные данные измерений всех систем лазерного сканера, аннотированные точным временем, используются в процессе наземной обработки для определения точных геодезических координат точек отражения лазерного излучения. Приемник оптического излучения фиксирует момент поступления на фотоэлемент, как первого отклика, так и последнего. На практике это приводит к тому, что при картографировании залесенных участков земной поверхности прово-

119

дится обнаружение истинного рельефа местности, что трудно достижимо при использовании классических методов картографирования.

Система лазерного локатора расположены в двух блоках – оптическом блоке и блоке управления и регистрации данных. В лазерном сканере используется твердотельный лазер с внешней диодной накачкой, работающий на длине волны 1047 нм. Выбор такой рабочей длины волны можно считать оптимальным в силу ряда основных причин:

электромагнитные колебания с указанной длиной волны распространяются в приземных слоях атмосферы с незначительным затуханием;

спектральный коэффициент отражения от поверхностей большинства обследуемых объектов близок к единице;

приемники оптического излучения ближнего инфракрасного диапазона имеют малый коэффициент шума, для нормальной работы приемника не требуется сложных и дорогостоящих систем охлаждения фотоэлемента до сверхнизких температур; Оптическая система лазерного локатора состоит из системы

призм, зеркал и коллимирующего устройства. При проведении лабораторных измерений средней энергии в импульсе лазерного излучения на выходе лазера и на выходе оптической системы было установлено, что потери в оптической системе не превышают 2%. Система составлена так, что диаграммы направленности приемника и передатчика совмещены. На выходе коллиматора установлена призма, с помощью которой часть энергии импульса лазерного излучения распределяется на вход приемника. При этом запускается счетчик времени, останавливаемый в момент прихода отраженного сигнала.

Сканирование лазерного луча производится при помощи непрерывно осциллирующего зеркала. Специальный датчик фиксирует угол отклонения зеркала.

Все потоки данных аннотируются по единомуисточникувремени. В качестве эталонного источника времени в составе лазерного сканера используется высокостабильный кварцевый генератор бортового навигационно-геодезического спутникового приёмника. Для обеспечения необходимого уровня точности этот эталонный источник синхронизируется один раз в секунду с атомными источниками эталонной частоты, установленными на навигационных спутниках GPS. Благодаря тому, что информация, поступавшая на устройство записи со всех измерительных подсистем, аннотируется единым временем, в процессе обработки каждому измерению наклонной дальности от пе-

120