Медведев Е.М., Данилин И.М., Мельников С.Р., 2007 - Лазерная локация земли и леса. Учебное пособие

6. ВОЗДУШНАЯ ЛАЗЕРНО-ЛОКАЦИОННАЯ СЪЕМКА

Настоящая глава посвящена изучению воздушной лазерно-локационной съемки, т.е. аэросъемки с использованием лазерно-локационной аппаратуры.

Вводятся основные количественные и качественные параметры, которые могут быть использованы для полностью формального представления полетного за-

дания, условий фактического выполнения съемки и контроля качества выполнения задания. Везде в настоящей главе предполагается, что лазерно-локаци- онная 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-лока-

ционной съемки, приведены в таблице 15.

Таблица 15. Основные параметры воздушной лазерно-локационной съемки

Приведенные параметры соответствуют аэросъемочным лидарам с зигзагообразным методом сканирования. Данные, представленные в столбце «Ограничения», соответствуют лидару ALTM 3100 компании Optech Inc. Таблица 15

содержит не все технические параметры, характеризующие съемку, а только те из них, выбор которых относится к компетенции аэросъемочной бригады и эки-

пажа. В этом смысле они определяют именно процесс съемки. Кроме них, име-

ется еще обширное множество численных параметров, в той или иной степени

характеризующих процесс работы локатора и информационную ценность собираемых данных, которые прямо не относятся к характеристикам съемки.

На рисунке 51 представлены основные геометрические соотношения, характеризующие распределение лазерных точек по поверхности земли при зиг-

загообразном методе сканирования. Рассмотрим эти соотношения подробнее.

Как видно из рисунка и представленных формул, ширина полосы захвата W

101

нии визирования. В последнем случае величину амплитуды сканирования записывают в форме ±ϕ’. Понятно, что величины ϕ и ϕ’ связаны простым соотношением ϕ = 2ϕ’. Например, для ALTM 3100 максимальная амплитуда сканирова-

ния составляет 50° или ±25°.

Направление, соответствующее движению летательного аппарата вперед,

обычно обозначается индексом X, а перпендикулярно этому направлению – ин-

дексом Y. Соответственно говорят о продольных (X) и поперечных (Y) геометрических соотношениях и параметрах. Значение SX принято называть продоль-

ным интервалом сканирования. Как видно из рисунка 51, значение SX соответ-

ствует максимальному продольному расстоянию между смежными линиями сканирования. Легко понять, что среднее продольное расстояние между соответствующими лазерными точками смежных линий сканирования вдвое меньше

– 0.5 SX. Из формулы SX = V/fскан видно, что продольный интервал сканирования

прямо пропорционален скорости движения носителя и обратно пропорционален

частоте сканирования.

Величину SY принято называть поперечным интервалом сканирования. Эта величина характеризует расстояние межу соседними лазерными точками в пределах каждой линии сканирования. Формула, определяющая значение SY, не-

сколько сложней SY = 2Wfскан/F, т.е. поперечный интервал тем больше, чем

больше ширина полосы захвата и частота сканирования, и меньше частота зондирующих импульсов.

Так же определяют понятия продольной и поперечной плотностей сканирования DX, DY соответственно как обратные величины к значениям интервалов сканирования: DX = 2/SX, DY = 1/SY.

При определении DX использован коэффициент 2, потому что, как было по-

казано выше, среднее значение продольного интервала сканирования равно

0.5 SX. Размерности величин плотностей сканирования – м–1. Можно также определить категорию поверхностной плотности сканирования D, которая будет

характеризовать среднее количество лазерных точек, приходящихся на едини-

цу поверхности земли. Совершенно очевидно, что: D = DXDY. Размерность D –

м–2.

На практике введенные значения плотности сканирования оказываются важнейшими параметрами, характеризующими информативность съемки. Ясно, что чем выше значение D, тем в общем случае выше степень подробности и больше объем информации, собираемый в процессе лазерно-локационной съемки для данной территории. С другой стороны, пропорционально увеличе-

102

нию D увеличивается потребное летное время – одна из важнейших состав-

ляющих стоимости работ.

Проведение воздушной лазерно-локационной съемки предусматривает решение следующих основных вопросов:

1)выбор оптимального значения плотности сканирования D с учетом характера решаемой задачи;

2)выбор режимов пилотирования с учетом технических возможностей летательного аппарата и квалификации экипажа. Правильный выбор режимов пилотирования, в свою очередь, должен обеспечивать:

– возможность стабильного выдерживания параметров высоты Н и скорости съемки V;

– максимальную точность прохождения аэросъемочных маршрутов;

– примерное равенство значений продольной DX и поперечной DY плотности сканирования. Это положение верно в большинстве случаев, но имеются

некоторые исключения. Например, при съемке леса или линий электропередач иногда выбирают очень высокие значения поперечной плотности сканирования,

значительно занижая продольную. Таким приемом достигается предельно плотное расположение лазерных точек вдоль линии сканирования, когда очень

важно «не пропустить» некоторый тонкий объект, такой как ветвь дерева или провод.

3)Учет необходимости обеспечения заданных режимов функционирования

другой аэросъемочной аппаратуры, которая используется одновременно с лидаром. Например, если кроме лидара используется аэрофотоаппарат, необходимо при определении режимов съемки учесть следующие параметры: ширина поля зрения аэрофотоаппарата, требуемое значение интервала фотографиро-

вания для обеспечения фотограмметрического продольного перекрытия и дру-

гие параметры. Технические характеристики аэрофотоаппарата окажут влияние на выбор H, V и других параметров съемки.

Вообще выбор параметров выполнения аэросъемочных работ с использованием лидаров является нетривиальной задачей. Решение, как правило, яв-

ляется результатом оптимизации технических и экономических условий прове-

дения съемки по одному или нескольким критериям. Могут использоваться различные критерии, но все они предполагают работу с некоторыми параметрами, характеризирующими те или иные результаты съемки и допускающими количественные оценки. Задача оптимизации в наиболее общей форме может быть

сформулирована как достижение максимального значения одного из парамет-

ров при наличии количественных ограничений на значения других параметров.

Например, необходимо обеспечить максимальное значение плановой точности лазерных точек при наличии ограничения на плотность сканирования D < 2 м-2.

Внекоторых случаях подобного рода задачи могут быть решены чисто анали-

тически, в других случаях решение может быть найдено с привлечением аппарата динамического программирования или более сложных математических

приемов.

Рассмотрим некоторые параметры, которые наиболее часто выступают в качестве аргументов при решении задачи оптимизации режимов выполнения

лазерно-локационной съемки:

– производительность, т.е. количество погонных или квадратных км, которые могут быть отсняты в единицу времени, например за один аэросъемочный

час. Понятно, что так определенная величина производительности в общем

случае обратно пропорциональна заданной плотности сканирования. Иными

103

словами, чем меньше заданная величина плотности, тем большее количество

километров можно отснять за равное время;

–точность. При выполнении задач оптимизации всегда разделяют плановую и вертикальную результирующую точности лазерных точек, так как ошиб-

ки, влияющие на эти две составляющие точности, имеют разную природу. Кроме того, в традиционной топографии всегда было принято специфицировать

требования по точности плановых и высотных координат разными значениями;

–плотность сканирования. Этот параметр подробно описан выше;

–равномерность сканирования. Как правило, под равномерностью скани-

рования понимают обеспечение примерного равенства продольной и поперечной плотности сканирования, а также выдерживание заданных значений высо-

ты и скорости съемки. Для оценки равномерности сканирования вводится набор специальных численных характеристик;

–высота съемки не более определенного значения. Необходимость ис-

пользования такого параметра объясняется, прежде всего, вероятными погодными ограничениями. Как было показано выше, лазерно-локационная съемка

невозможна в условиях облачности. Поэтому очень часто планировать аэросъемочные работы приходится «по фактической погоде» с учетом фактического

значения высоты нижней кромки облаков;

–вероятность обнаружения объектов определенного класса, например

ЛЭП, береговой линии. Это параметр, требующий чрезвычайно ответственного

подхода при использовании его в качестве основного параметра оптимизации. Почти всегда достижение максимальной вероятности обнаружения того или иного объекта требует максимальных экономических затрат. Как раз в таких случаях необходимо наличие развитого математического аппарата, обеспечи-

вающего априорные оценки вероятности обнаружения объекта той или иной

морфологии при определенных условиях выполнения аэросъемочных работ;

–обеспечение фотограмметрического перекрытия аэрофотоснимков либо условий для использования другого средства авиационного дистанционного зондирования, например инфракрасного сканера, используемого одновременно с

лидаром.

В заключение данного раздела отметим, что с формальной точки зрения оптимизация режима съемки подразумевает выбор параметров съемки V, fскан,

ϕ, H, F и др., в соответствии с одним или несколькими выбранными критериями.

6.2. Этапы выполнения лазерно-локационной съемки и основные процедуры метрологической поддержки

В практическом плане задача выполнения лазерно-локационной съемки предполагает последовательное выполнение ряда этапов:

1.Подготовительный этап, который включает такие процедуры, как:

– метрологическое обеспечение;

– калибровка;

– развитие опорной геодезической сети.

2.Этап выполнения собственно аэросъемочных работ.

3.Этап предкамеральной (полевой) обработки, который включает следующие процедуры:

– восстановление траектории, т.е. получение законченного навигационного решения по линейным и угловым параметрам движения носителя в процессе съемки;

104

–производство (расчет) первичных лазерно-локационных и сопутствующих

данных;

–экспресс-анализ первичных данных по таким понятиям, как полнота покрытия, точность, качество пилотирования.

4. Этап общетопографической обработки, включающий:

–геокодирование лазерных точек;

–выделение поверхностей истинной земли, растительности;

–создание ортофотомозаики цифровых аэрофотоснимков.

5. Этап семантической обработки, включающий:

–создание семантических трехмерных моделей географических объектов;

–дешифрирование, выделение контуров;

–другие виды картографической обработки.

Рассмотрим более подробно процедуры метрологической поддержки. Применительно к задаче метрологического обеспечения лазерно-локаци-

онной съемки можно выделить четыре группы вопросов:

1.Восстановление траектории. В рамках этой задачи осуществляется

восстановление точной траектории движения точки сканирования в ходе съемки. Понятно, что это является необходимым условием получения точных резу-

льтирующих данных. Эта процедура осуществляется на основе совместного анализа данных GPS и инерциальной системы. Как было указано выше, поло-

жительный результат достигается за счет того, что возмущения обоих систем

находятся в различных диапазонах спектра.

Функция восстановления траектории является неотъемлемой частью комплекса процедур, выполняемых бортовым навигационным комплексом, входящим в состав лидара. Такое восстановление осуществляется как в реальном

времени в ходе выполнения аэросъемки, так и в ходе наземной постобработки.

Во втором случае получаемые данные используются для обслуживания дальномерных измерений, т.е. для расчета координат лазерных точек. На практике восстановление траектории практически всегда осуществляется штатными аппаратными и программными методами, поставляемыми вместе с лидаром. По

этой причине методические аспекты восстановления траектории в настоящей

работе не рассматриваются. Описанные ниже навигационные процедуры следует рассматривать как необходимые условия полного и качественного восстановления траектории.

2.Измерение выставочных (off-set) параметров взаимного ориентирова-

ния сенсора инерциальной системы и антенны GPS. Точное измерение выста-

вочных параметров имеет большое значение, так как корректная работа бортового навигационного комплекса возможна только при малых (не более нескольких см) ошибках определения взаимного положения.

3.Калибровочная процедура. Специфика работы бортового навигационно-

го комплекса, как уже отмечалось, состоит в интегрировании GPS и IMU данных на основе фильтра Калмана. Использование фильтрации нестационарного типа определяет характер ошибок выходных значений, характеризующих положение носителя. Если погрешности определения внутренних и внешних выставочных

параметров не превосходят допустимых значений, то ошибка положения проявляется в основном в появлении постоянных смещений к определяемым углам

ориентации носителя R, P, H.

Калибровочная процедура, выполняемая после каждой новой установки оборудования, призвана определить значения погрешностей с тем, чтобы в последующем они могли быть учтены математически как поправки. Калибровоч-

105

ная процедура заключается в многократной съемке наземного эталонного объ-

екта. По лазерно-локационным изображениям, соответствующим различным

проходам, подбираются такие значения поправок: R, P, H, чтобы обеспечи-

ть геометрическое совпадение всех этих изображений.

4. Контроль качества пилотирования. Соответствующие программные процедуры используются для контроля качества выполнения аэросъемочных

работ в части выполнения экипажем заданных режимов полета.

6.3. Измерение выставочных параметров сканерного блока

Схема измерения выставочных параметров основана на следующих принципах:

–конфигурация взаимного положения и ориентации сканерного блока и GPS антенны на летательном аппарате варьируется. Сканерный блок может ус-

танавливаться как на внешней подвеске, так и внутри фюзеляжа. Кроме того, часто сканерный блок наклоняют. Почти всегда отсутствует прямая видимость между сканерным блоком и GPS антенной;

–положение и ориентация всех компонентов определяются с помощью GPS методов в специальной системе координат, образованной базовой GPS станцией, располагаемой в непосредственной близости от объекта измерения;

–положение в пространстве GPS антенны определяется непосредственно. Для определения положения сканерного блока сначала осуществляют проецирование двух характерных точек на поверхность земли. После этого летатель-

ный аппарат удаляется, что дает возможность определить пространственные

координаты характерных точек и через них восстановить положение сканерного блока.

тема координат oNEA, и система координат oXYZ, жестко связанная с корпусом сканерного блока. Положение систем координат ясно из рисунка 53.

Проводятся следующие непосредственные измерения:

106

– NA, EA, AA – географические коорди-

наты положения антенны;

В качестве параметра рассматривается значение вектора bS1 , определяющего положение первой характерной точки в oXYZ. Понятно, что целью проце-

дуры является определение координаты вектора bSA в oXYZ.

Если все приведенные выше значения известны, значение bSA может быть определено по следующей схеме:

1)определяется матрица направляющих косинусов AGS , характеризующая

текущее положение сканерного блока в геодезическом пространстве в момент

измерения;

2)при этом в качестве значений крена R, и тангажа P используются данные инерциальной системы. Что касается значения курса H, то оно может быть определено по координатам NS, ES и Nq, Eq следующим образом:

H = arctan( E2 − E1 )

N2 − N1 .

Введем дополнительный вектор bS1 , определяющий положение первой ха-

рактерной точки сканера в (oXYZ) (рис. 51).

Очевидно, что bS1 в oXYZ является константой и определяется только конструкцией сканерного блока, поэтому он может быть измерен один раз и в дальнейшем использоваться в качестве параметра.

Положение в геодезическом пространстве первой характерной точки бу-

дем определять вектором bG1 , который очевидно равен: bG1 = (NS, ES, As + HS), а

положение антенны в геодезическом пространстве будем описывать вектором:

107

тогда искомый вектор bSA : bSA = AGS (bGA −(bG1 − AGS bS1 )) .

Упрощая это выражение и принимая во внимание, что ASG AGS =1, имеем

bSA = bS1 + ASG (bGA −bG1 ) .

Последнее уравнение является основным при определении выставочных параметров сканерного блока.

Описанная в настоящем разделе методика измерения выставочных пара-

метров сканерного блока реализована в виде специального программного модуля, входящего в семейство программных продуктов ALTEXIS.

Как было отмечено выше, процедура измерения выставочных параметров выполняется всякий раз при новой установке аэросъемочного комплекса на борт летательного аппарата.

6.4.Общие принципы проведения полетной калибровочной процедуры

6.4.1.Неизбежные малые ошибки в определении выставочных параметров

X0, Y0, Z0 проявляются в возникновении систематических постоянных погреш-

ностей HE, RE, PE в данных, выдаваемых бортовым навигационным комплексом. Обычно значения таких погрешностей не превышают 2–3 мрад, и их определение в лабораторных условиях не представляется возможным. Это вынуждает проводить специальный аэросъемочный полет, в котором выполняется съемка

эталонного (калибровочного) наземного объекта. По результатам камеральной

обработки с помощью специальных математических процедур определяются

поправочные значения RE, PE, HE. Эти значения в дальнейшем могут использоваться в качестве поправок к угловым координатам носителя R, P, H, поставляемых навигационным комплексом, и таким образом повысить результирую-

щую точность лазерно-локационных данных.

Для проведения калибровочной процедуры выбирается наземный объект значительных размеров, по возможности правильной геометрической формы. Как правило, используются промышленное здание, ангар и т.п. Положение калибровочного объекта предварительно точно определяется наземными геоде-

зическими методами.

В ходе калибровочной процедуры выполняется серия аэросъемочных залетов над выбранным объектом. Смысл этой операции состоит в том, что нали-

чие ненулевых погрешностей HE, RE, PE вызывает те или иные отклонения ла-

зерно-локационного изображения объекта по отношению к его истинному поло-

жению. Так, при наличии положительной погрешности по углу тангажа RE изображение здания прямоугольной формы будет смещаться по направлению по-

лета. Величина линейного смещения S может быть измерена как разность координат стены здания на изображении и истинных геодезических координат,

либо как половина разности координат стены с двух изображений, полученных

на встречных курсах. Если достоверно известно, что две другие составляющие погрешности равны нулю, то значение PE может быть определено по формуле:

PE = S H ,

где H – высота полета в метрах.

108

Аналогично определяются значения RE и HE. Для их вычисления в рамках

калибровочной процедуры используются специальные типы заходов, которые будут рассмотрены ниже.

Рассмотрим основные требования к выбору стандартного калибровочного

объекта и режимов съемки:

1) калибровочный объект должен иметь значительные размеры (более 100

м). Это позволяет обеспечить хорошее покрытие калибровочного объекта ЛЛ

данными с типовых высот H в 400÷600 м, используемых при калибровке;

2) калибровочный объект должен иметь хорошо определенные боковые грани с четкими кромками, так как именно по кромкам наиболее точно определяется смещение S. Кромка здания должна быть свободна от всех образований, способных снизить четкость ее ЛЛ изображения, а именно перил, рифленого металлического покрытия и т.п.;

3) при выборе высоты полета следует руководствоваться следующими соображениями. Большее значение высоты полета H позволяет получить пропорционально большее значение отклонения S и тем самым повысить чувствительность и результирующую точность. С другой стороны, чрезмерное увели-

чение H создает трудности по пилотированию в части выхода на калибровоч-

ный объект и устойчивости по крену;

4) также при выборе высоты H и скорости полета V следует иметь в виду значение среднего интервала сканирования, т.е. среднего расстояния между

смежными лазерными точками, которое, естественно, лимитирует максималь-

ную точность измерения S и соответственно угловых поправок.

Возможны два основных метода калибровки:

1)cтандартный;

2)автоматический.

В стандартном методе в качестве калибровочного объекта, как правило, используется крупное промышленное здание. Величины поправок HE, RE, PE

определяются оператором в результате итерационной процедуры, предпола-

гающей многократный пересчет ЛЛ изображений калибровочного объекта с различными значениями поправок.

При автоматическом методе в качестве калибровочного объекта используется провод одного пролета ЛЭП. В силу того, что провод ЛЭП является полно-

стью математически определенным объектом, в этом случае удается полно-

стью автоматизировать процесс подбора поправочных параметров HE, RE, PE. Кроме того, удается получить статистические оценки точности и достоверности

значений поправок. Выполнение калибровочной процедуры в общем случае

включает этапы, показанные в таблице 16.

6.4.2. Вне зависимости от используемого типа калибровочной процедуры на этапе камеральной обработки данных необходимо выполнить ряд подгото-

вительных мероприятий, обеспечивающих возможность перехода непосредственно к подбору значений поправок.

Главная функция программного обеспечения, используемого на этом этапе, заключается в обеспечении каждой лазерной точки изображения набором данных, однозначно определяющих направление коррекции положения этой

лазерной точки в геодезическом пространстве под влиянием введения малых

значений поправок HE, RE, PE.

Траекторные данные представляют собой две дискретные последователь-

ности – последовательность координат GPS антенны носителя {Xai, Yai, Zai, ti},

частота которой составляет 1–20 Гц, и последовательность углов пространст-

109

Таблица 16. Этапы работ при выполнении калибровочной процедуры

венной ориентации сенсора IMU {Raj, Paj, Haj, tj}, частота которой в зависимости

от модели лидара составляет 50–200 Гц.

Последовательность замеренных наклонных дальностей {Dk} и углов фазы сканирования {αk} имеют частоту равную основной частоте сканирования конкретного локатора с учетом возможности регистрации более одного импульса за акт сканирования, т.е. находится в диапазоне 5–100 кГц.

Каждая лазерная точка P характеризуется своими пространственными ко-

ординатами XP, YP, ZP и временем регистрации tP. Функции базового программ-

ного обеспечения с учетом введенных определений могут быть сформулированы следующим образом:

1. Путем совместного анализа последовательностей данных необходимо сопоставить каждой лазерной точке калибровочного объекта {XP, YP, ZP, tP} зна-

чения пространственных и угловых координат носителя с учетом значения угла

сканирования, приведенных к точке сканирования (рис. 54).

На рисунке значения координат Xm*, Ym*, Zm* соответствуют точке сканирования в мо-

мент регистрации лазерной точ-

ки P, а значения Pm*, Rm*, Hm*

есть углы ориентации IMU в

110