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

Русские

АЦП

Аналого-цифровой преобразователь

БНК

Бортовой навигационный комплекс

ГИС

Геоинформационная система

ИС

Инерциальная система

ЛЛ

Лазерный локатор, лазерно-локационный

ЛЭП

Линия электропередачи

МПЗ

Мгновенное поле зрения

ОЭБ

Оптико-электронный блок

РЛ

Радиолокация, радиолокационный

СБВ

Специализированный бортовой вычислитель

СК

Система координат

ЦМР

Цифровая модель рельефа

Английские

ALTM

Airborne Laser Terrain Mapper

CAD

Computer Aided Design

DTM

Digital Terrain Model

GIS

Geographical Information System

GPS

Global Positioning System

IMU

Inertial Measurement Unit

INS

Inertial Navigational System

IRS

Inertial Reference System

POS

Position and Orientation System

PPS

Pulse Per Second

RTK

Real Time Kinematical

TIM

Time Interval Meter

UTM

Universal Transverse Mercator

WGS-84

World Geodetic System

3D

Three Dimensional

Leica Geo-

Mosaic

Optech

Riegl LMS

Riegl LMS

Terra

TopoSys

Производитель

systems

Mapping

Incorpo-

Point USA,

TopEye

TopEye

GIS &

Systems

rated

GmbH

GmbH

Inc.

GmbH

Mapping

Inc.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

ALS-50

Наименование

Airborne

ALMIS

ALTM

LMS-

LMS-Q28

ALTMS

TopEye

TopEye

Falcon

Laser

350

3100

Q140i

0 i

4036

MK 1

MK II

Scanner

Дата ввода в экс-

1–2003/

2000/

1998 /

1996/

плуатацию / пос-

02–2004

2002

02-2004

1996

2004

2–2006

2006

2006

2006

леднее обновление

Лазер

Diod

Fiber laser

Тип/класс лазера

Class IV

Class I

Class IV

Class I

Class I

Class IV

pumped

Class IV

Dd: YAG/

/Class IIIB

Class IIIB

< 200 м

40/60/120/

41/60/120/

для неза-

Расстояние,

220/450 в

220 в за-

щищенных

70

безопасное для

0

80

0

0

зависи-

висимо-

0.27

глаз,

(в полете)

зрения, м

~1000 м

мости от

сти от

режима

режима

бинокль

Осцилли-

Враща-

Осцилли-

Вращаю-

Вращаю-

Вращаю-

Двойная

Вращаю-

Волокон-

Метод сканирования

рующее

ющееся

рующее

щееся

щееся

щееся

система

щееся

но-опти-

зеркало

зеркало

зеркало

зеркало

зеркало

зеркало

зеркал

зеркало

ческий

Helix

метод

Частота сканирова-

83

30

33–100

30

24

0–40

7

100

83

ния (min-max), КГц

Ближняя

Ближняя

Рабочая длина

инфра-

инфра-

1.064

0.9

1.064

красная

красная

1.064

1.064

1.064

1.56

волны, μm

зона

зона

спектра

спектра

Длина импульса, нс

~12

15

7

Не опре-

Не опре-

10

6–8

4

5

делена

делена

Расходимость луча

0.33

3

0.3 или 0.7

3

0.5

0.75

1, 2, 4

1

1

(милирадианы)

или 8

Максимальный угол

75

60

50

40

22.5

36

20

20

7.2

сканирования (град)

Максимальное чис-

Первый

Первый

ло регистрируемых

4, включая

откликов на каждый

3 первых

1

последний

или пос-

или пос-

4

4

3

9

импульс

ледний

ледний

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Интенсив-

Тип/ин-

ность воз-

тенсив-

вращенно-

Интенсив-

Интен-

Интен-

Интенсив-

Интен-

Интен-

ность

Интен-

Дополнительные

сивность

го сигнала,

сивность

ность

сивность

сивность

возвра-

сивность

ность воз-

регистра-

измерения

вращенно-

возвра-

ция формы

возвра-

возвра-

возвра-

возвра-

щенного

возвра-

щенного

щенного

щенного

щенного

щенного

сигнала /

щенного

го сигнала

сигнала

волны

сигнала

сигнала

сигнала

сигнала

полная

сигнала

отражения

форма

(до 15 от-

волны

счетов)

Leica

Mosaic

Optech

Riegl

Riegl

TerraPoint

TopoSys

Производитель

Geosys-

Mapping

Incorpo-

LMS

LMS

TopEye

TopEye

tems GIS

Systems

USA, Inc.

GmbH

& Mapping

Inc.

rated

GmbH

GmbH

Любой

12–

двухчас-

тотный

каналь-

Двухча-

Тип GPS

GPS при-

N/A

N/A

Двухчас-

Trimble

Trimble

Trimble

ный,

стотный

емник с

тотный

4700

4700

4700

двухчас-

тотный

выходным

форматом

Rinex

Навигационная

Applanix

Applanix

HS 764 50

HS 764 50

Applanix

система (INS)/

POS/AV

100 Гц

POS/AV

N/A

N/A

200 Гц

частота, Гц

200 Гц

200 Гц

Гц

Гц

POS/ AV

Программное

Собст-

Собст-

Trimble

Trimble

обеспечение для

Applanix

Applanix

Applanix

постобработки

POSPAC

венное

POSPAC

N/A

N/A

венное

TTC

TTC +

POSPAC

GPS / INS

ПО

ПО

+TEPP

TEPP

Точность и разрешение

Угловая точность

0.005/

0.02/0.02/

0.005/

N/A

N/A

0.008/

N/A

N/A

0.01/0.01/

(roll/pitch/heading),

0.005/

0.005/

0.008/

0.05

0.02

град.

0.008

0.008

0.03

Разрешение по

1.5

2.5

1.0

2.5

2.0

0.75

2.0

2.0

1.4

дальности, l σ, см

Точность по

15 (высота

до 1000 м )

геодезической

15

4

N/A

N/A

15

10

10

10

35 (высота

высоте, l σ, см

до 3500 м)

Точность плановых

~1/6000 от

20

~1/6000 от

N/A

N/A

30

10

10

25

координат, l σ, см

высоты

высоты

полета

полета

Габариты и электропитание

Лазерный блок, кг,

30 кг,

N/A

24 кг,

6 кг,

10 кг,

55 кг,

184 кг

184 кг

45 кг

37.5×14×

см×см×см

37×56×24

26×19×57

56×20×20

80×50×75

14

Весь комплекс, кг,

64 кг,

30 кг,

76 кг

N/A

N/A

140 кг,

285 кг

285 кг

100 кг

70×55×10

см×см×см

48×52×64

50×50×25

0

Электропитание

26 A @ 28

15 A@24

35 A@28 В

30 Вт

100 Вт

25 A @ 24

20–70 A

20–70 A

16 A @ 28

В

В

В

@ 28 В

@ 28 В

В

Эксплуатация

Высота полета

80–3500

200–4000

0/275/

номиналь-

300–400

800–1000

500/1000/

60/200/

60/200/

300/1200/

(минимальная –

350

ная, до

3000

960

960

1600

максимальная, м)

4000 м фа-

ктическая

Максимальная

Ограни-

Ограни-

чена за-

чена за-

продолжительность

4

пасом

7

N/A

N/A

пасом

3

4

6

непрерывной

топлива/

топлива/

съемки, час

аппара-

аппара-

том

том

Программное обес-

Собст-

Собст-

печение для плани-

AeroPlan,

MDL при-

MDL при-

TopPIT -

рования маршрута

ASCOT

венное

ALTM Nav.

N/A

N/A

венное

ложения

ложения

Mission

полета

ПО

ПО

Optech

Leica

IGI Lite-

TopoSys

Характеристики

ALTM

ALS-50

Mapper

Falcon

Комментарий

3100

2800

1

2

3

4

5

6

Максимальная

Более 20

Важнейший параметр. С учетом возможно-

информатив-

(до 66 в

сти настройки параметров развертки опре-

ность (частота

100

83

зависимо-

83

деляет общую информативность аэрофото-

лазерных им-

сти от вы-

съемочного комплекса, стоимость бита дан-

пульсов), кГц

соты)

ных, максимальный темп сбора аэросъемоч-

ных данных

Количество

Дополняет значение частоты лазерных им-

пульсов. С учетом этого параметра макси-

регистрируемых

4

3

2

2

мальная производительность

ALTM 4×100

откликов

измерений в секунду, ALS 50

3×83 и т. д.

Чрезвычайно важен при съемке в условиях

покрытых лесом территорий

Регистрация

Да

Да

Да

Да

Способствует более полному дешифрирова-

интенсивности

нию

Гарантирован-

ная регистра-

Да

Нет

Да

Да

Чрезвычайно важно при съемке рельефа в

ция последнего

условиях покрытых лесом территорий

отклика

Возможность

Да

использования

100, 70,

Позволяет эффективно использовать ин-

различных час-

50, 33

Да

Да

Нет

формационную производительность сканера

тот лазерных

КГц

на различных высотах

импульсов

45° либо

Максимальная

60° (с

уменьшен-

ширина поля

50°

50°

ной даль-

14.3°

Определяет максимальную ширину полосы

зрения

ностью и

захвата

скоростью

сканирова-

ния)

Возможность

Да,

Да,

Нет,

Наличие такой возможности в сочетании с

от 0 до

от 0 до

только два

опцией «компенсации крена» позволяет обе-

настройки

макси-

макси-

фиксиро-

Нет

спечить заданную плотность

сканирования

ширины полосы

мально-

мально-

ванных

для любых условий при «щадящих» тре-

захвата

го зна-

го зна-

значения

бованиях к качеству пилотирования. Осо-

чения

чения

бенно актуально при выполнении площад-

ной съемки

В ALTM безопасные условия обеспечивают-

ся наличием двойной дивергенции (снижает

Класс

безопасную высоту до 80 м) и автоматиче-

ским отключением лазера при снижении вы-

опасности

4

4

1

1

соты меньше допустимой. LiteMapper и Fal-

для зрения

con полностью безопасны для зрения, так

как водянистое тело глаза полностью погло-

щает излучение. По этой же причины эти

приборы «слепы» при наличии даже легкой

дымки в атмосфере, либо влаги на поверх-

ности земли

Возможность

В ALTM эта возможность обеспечена нали-

работы на

Да

Нет

Да

Да

чием режима двойной дивергенции. В Lite-

сверхнизких

Mapper и Falcon за счет полной безопасно-

высотах < 100 м

сти по зрению

Окончание Приложения 4

1

2

3

4

5

6

Максимальная

Наряду с максимальной шириной поля зре-

высота съемки,

3500

3500

900

1600

ния определяет максимальный захват

м

Частота лазер-

ных импульсов

Нет

Определяет

информативность при макси-

при работе на

33

24

данных

Нет данных

мальной площади покрытия

максимальной

высоте, кГц

Наличие гибкой

системы раз-

вертки (нас-

Важнейший параметр, влияющий на универ-

тройка пара-

Да

Да

Нет

Нет

сальность, т.е. возможность работы в раз-

метров скани-

личных приложениях

рования в зави-

симости от ус-

ловий съемки)

Возможности по

обеспечению

Также сильно влияет на универсальность.

равенства про-

Высокие

Высокие

Отсутст-

Отсутствуют

Наличие такой возможности позволяет вы-

дольной и по-

вуют

полнять однородное сканирование с любых

перечной плот-

высот и при любых скоростях

ности сканиро-

вания

Однородность

Не опре-

Не опреде-

ALTM – практически равномерное распре-

плотности рас-

делено

лено

деление точек вдоль линии сканирования,

пределения ла-

96%

87%

(фиксиро-

(фиксирован-

ALS-50 – существенно неравномерно, при-

зерных точек

ванная

ная разверт-

чем плотность на краях полосы захвата в

вдоль линии

развертка)

ка)

два раза выше, чем в центре (за счет сину-

сканирования

соидальной развертки)

Фиксиро-

Фиксирован-

ванная

ная разверт-

Определяет:

Тип развертки

Пилооб-

Синусо-

развертка

ка на базе

– возможность настройки (ALTM, ALS-50);

на базе

волоконно-

– обеспечение равенства продольной и по-

разный

идальны

вращаю-

оптической

перечной плотности;

й

щейся

схемы. Спе-

– обеспечение однородности вдоль линии

призмы.

циальный

сканирования

Парал-

волнообраз-

лельные

ный рисунок

линии

развертки

Фактическое

разрешение по

дальности меж-

2.1

2.8

Нет

Нет данных

Важный параметр при съемке насыщенных

ду двумя по-

данных

сцен (например, лес)

следовательны-

ми откликами, м

Возможность

Наличие такой возможности позволяет:

изменения ди-

– расширить диапазон рабочих высот;

вергенции зон-

Да

Нет

Да

Нет

– получать отклики от тонких объектов (про-

дирующего

вода распределительных линий, контактная

луча

сеть, листва и т.д.)

Возможность

Расширяет номенклатуру летательных ап-

установки на

Да

Нет

Да

Нет

паратов, позволяет выбирать легкие и де-

внешней

шевые

подвеске

Наличие

Да

(рабочий

Позволяет работать в зимних условиях, за-

изолирующего

диапа-

Нет

Нет

Нет

щищает от влаги при установке на внешней

кожуха (тепло и

зон - от

данных

подвеске

влагозащита)

-10°С до

+35°С)

Компенсация

Да

Да

Нет

Нет

Крайне эффективно при выполнении пло-

крена

щадной съемки (эффект гироплатформы)

Регистрация

Чрезвычайно

расширяет информативность

формы отра-

Да

Нет

Нет

Нет

(в настоящее время нет серьезного матема-

женной волны

данных

тического обеспечения)

Настройка по-

В значительной степени способствует уни-

ложения ска-

Да

Нет

Да

Нет

версальности. В наклонном положении мож-

нерного блока

но снимать провода и опоры ЛЭП, стены

зданий, лес и т.п.)

ISBN 5-903055-09-5

© E.M. Medvedev, I.M. Danilin, S.R. Mel’nikov, 2007

FOREWORD FOR THE SECOND EDITION …..……………………………………………..................

4

INTRODUCTION ……………………………………………………………………………………………..

6

1.

LASER LOCATION AS APPLIED BRANCH OF SCIENCE …..……………………………………..…

6

1.1

Matter and General Principles of Laser Location ……..………………………………………………..…

6

1.3

Pulse and Phase Method for Distance Metrology ……….……………………………………………..…

16

1.4

Laser Location and Traditional Methods for Topographical Survey ……….……………………….…..

23

1.5

The Concept for Laser Location Method of Gathering Geospatial Data …..……………………...……

25

1.6

Economic Perspectives for the Usage of Laser Location Instruments …..………………………..……

28

Survey ………………..…………………………………………………………………………………..……

36

2.3

The Functional Scheme of Typical Laser Locator on an Example of ALTM by Optech ……………...

41

2.4

The Methods for Scanning Executing …………….…………………………………………………..……

47

4.5

Integral Navigation Solution ………………………………………………………………..………….……

85

5.

LASER LOCATION DATA AND THEIR INFORMATION CHARACTERISTICS ………………….…

89

5.2

Physical Limits for Laser Location Method and Ways for Their Overcoming ………….……..…….....

90

5.3

General Questions on Information Value of Laser Location Data ………………..…………………..…

94

5.4

The Questions of Laser Location Data Accuracy …..………………………………………………….…

98

8.

LASER-LOCATION METHOD IN TOPOGRAPHY AND SYSTEMS OF REAL TIME MAPPING … 176