Лазерное сканирование 2014 / Литература Лекции / Середович В.А., Комиссаров А.В., Комиссаров Д.В., Широкова Т.А. Наземное лазерное сканирование. 2009

где x, y – плоские координаты точек снимка;

ζx, ζy – систематические ошибки в координатах точек снимка; x0, y0, f – элементы внутреннего ориентирования камеры;

ai, bi, ci – направляющие косинусы, зависящие от угловых элементов внешнего ориентирования снимка;

X, Y, Z – пространственные координаты точек тест-объекта в системе координат сканера;

XS, YS, ZS – координаты точки фотографирования в системе координат сканера.

В качестве функций для описания систематических ошибок ζx, ζy предлагается использовать полиномы Цернике, достаточно широко применяемые для калибровки цифровых неметрических камер 32, 113 :

Основными неизвестными в уравнениях (77) являются элементы внешнего ориентирования снимка XS, YS, ZS, , , , а дополнительными неизвестными – элементы внутреннего ориентирования съемочной камеры и коэффициенты ki и Pi полиномов (78), через которые представлены систематические ошибки в координатах точек снимка.

Уравнения (80) являются нелинейными относительно неизвестных величин, поэтому их решение выполняется итерационным методом и с использованием метода наименьших квадратов.

Оценка точности определения параметров калибровки. После определения элементов внешнего и внутреннего ориентирования снимков и коэффициентов полиномов вычисляются ошибки x, y в координатах точек снимка по формулам (78). Затем на основе выражений (79) вычисляются

невязки xi, yi, с помощью которых определяются средние квадратические ошибки, характеризующие точность калибровки снимков, по формулам:

изображения калибруемой камеры. Калибровка считается удовлетворительной, если выполняется условие:

где dx и dy – размеры пикселя по осям x и y. Практические работы показали:

с использованием наземного лазерного сканера можно выполнить полную калибровку цифровой камеры;

точность определения координат специальных марок сканером удовлетворяет требованиям, предъявляемым к созданию тест-объектов для калибровки камер;

по снимкам специальных марок, расположенных, как показано на рис. 143, обеспечивается достоверное определение параметров калибровки камеры.

Основными преимуществами калибровки цифровых неметрических камер с использованием наземных лазерных сканеров являются:

полная автоматизация процесса калибровки, так как специальные марки для всех наземных лазерных сканеров изготовлены таким образом, что их легко можно идентифицировать как на цифровом снимке, так и на точечной модели, полученной в результате сканирования;

исключается необходимость закрепления точек тест-объекта и создания различного рода конструкций;

калибровку камер можно выполнять как на специальном тестовом полигоне, так и в момент самой съемки объекта, поскольку в технологии наземного лазерного сканирования для объединения сканов, полученных с нескольких сканерных станций в единую точечную модель, применяются специальные марки.

4.8. Развитие и внедрение трехмерных ГИС

Развитие последних технологий в различных областях науки, техники и производства явно демонстрирует совершенствование методов сбора данных и построения цифровых моделей объектов и рельефа местности, направленное на повышение их точности и детальности, автоматизацию процессов и

уменьшение стоимости работ. К таким методам относятся: аэро- и космическая съемка и наземная стереофотограмметрическая съемка, воздушное и наземное лазерное сканирование и GPS-съемка.

Многообразие методов сбора данных позволяет предложить различные технологические схемы их использования для построения трехмерных моделей объектов. В настоящий момент для трехмерного моделирования территорий и объектов разработаны различные подходы, различающиеся точностью, детальностью, территориальным охватом и стоимостью [90].

Фотограмметрия является классическим и доминантным подходом для получения пространственных данных о местности. В этом случае построение трехмерных моделей объектов и картографирование территорий выполняются с использованием стереопар снимков. В последнее время снова возрастает популярность наземной стереофотограмметрической съемки объектов, где цифровые камеры применяются для получения крупномасштабных снимков, например, зданий [90]. С развитием технологии цифровой обработки изображений повышается скорость обработки данных, снижается ее стоимость и увеличивается степень автоматизации процессов распознавания и создания трехмерных моделей объектов по их изображению.

С целью построения трехмерных моделей местности, кроме стереофотограмметрического метода обработки снимков, разработаны новые технологии получения трехмерной информации по одиночному изображению с использованием геометрических свойств объектов и законов их отображения на плоскости, теней или комбинации этих подходов. Применение данных технологий позволяет ускорить процесс обработки снимков и снизить ее стоимость по сравнению со стереоизмерениями. Имеющиеся на данный момент коммерческие программные продукты дают возможность создавать фотореалистичные модели городов и зданий по одиночным космическим или аэроснимкам.

Лидарная съемка, или лазерное сканирование, на сегодняшний момент является самым оперативным и автоматизированным способом сбора пространственной информации о местности. Использование воздушного и наземного лазерного сканирования позволяет быстро и точно построить цифровые модели рельефа и определить высоты сооружений.

Построение трехмерных моделей зданий по данным лазерной съемки, также как и большинство задач выделения характерных особенностей изображений, может быть реализовано в полуавтоматическом или автоматическом режиме. Полуавтоматические процедуры основаны на использовании набора примитивов для описания стандартных типов зданий и крыш. В этом случае оператор «вписывает» соответствующий примитив в массив точек и комбинирует (соединяет) его с общей моделью здания. Различные автоматические процедуры построения трехмерных моделей зданий помогают получить оператору размеры отдельных элементов объекта и уточнить трехмерные каркасы моделей.

Сложность построения трехмерных моделей зданий можно уменьшить, интегрируя данные, полученные со снимков, цифровой карты или ГИС. В этом

случае информация о плановом положении сооружений берется с карты, а для получения их высот применяются два похода: используются стереопары снимков либо данные лазерного сканирования.

Совершенствование методов получения пространственной информации об объектах, а также аппаратных и программных средств вычислительных систем привело к появлению трехмерных ГИС.

Трехмерные ГИС часто называют виртуальными. Виртуальная ГИС может решать практически все задачи, которые на данный момент реализованы в традиционных ГИС. Таким образом, она может использоваться для городского планирования, оценки состояния растительности, почв, водных путей или дорожных участков, предсказания наводнений и многих других задач. Кроме того, возможность получения детального трехмерного вида отдельных объектов и территорий с любой точки пространства открывает новые перспективы для пользователей ГИС. Проектировщики новых зданий и сооружений могут получить комплексный трехмерный вид ландшафта с предполагаемого места строительства объекта или виртуальный снимок спроектированного сооружения с соседнего здания, а архитекторы – увидеть макет улиц, зданий и парков и, таким образом, определить границы строительных площадок, возможность возникновения дорожных пробок, оценить освещенность улицы в дневное и ночное время и т. д. С помощью базы данных ГИС представляется возможным рациональное проектирование размещения торговых точек, школ, детских садов, культурных центров, водопроводных магистралей и множества других социально значимых объектов.

Использование виртуальных ГИС позволит службам МЧС, скорой, аварийной и пожарной помощи немедленно получить трехмерный вид территории, откуда поступил сигнал о бедствии, и соответствующую информацию из базы данных ГИС о событиях, например, где на предполагаемом пути следования спасательной службы возникли проблемы с движением из-за строительства или перегруженности дороги.

Опыт выполнения работ по наземному лазерному сканированию и моделированию различных по назначению и сложности объектов ситуации и рельефа местности позволил сделать вывод о следующих достоинствах трехмерных моделей по сравнению с традиционной картой или планом.

Информативность. Наличие третьего измерения само по себе говорит о том, что информационная нагрузка трехмерной модели на порядок выше, чем планов и карт. Однако не только этим фактом объясняется высокая информативность 3D-модели. Во-первых, для города, заводов, площадок сложного технологического оборудования свойственно наличие многоярусных конструкций. Такие объекты из-за наслоения элементов невозможно отобразить детально на плоскости. В этом случае на топографическом плане для многоярусных конструкций, как правило, показывается либо нижний, либо верхний ярус. Во-вторых, многие объекты на плане отображаются в виде точечных условных знаков (например, пожарные гидранты), которые по определению не имеют ориентации. На трехмерной модели такие объекты будут выглядеть аналогично, как на местности (в соответствии с их высотой и

направленностью). Отсутствие подобной информации может быть критическим, например, при проведении оперативных мероприятий по пожаротушению.

Наглядность. Традиционные планы содержат информацию о третьем измерении (о высоте) в виде горизонталей, отметок точек местности и отдельных элементов объектов, т. е. третья координата здесь представлена как атрибут, подпись или отдельный слой (например, слой цифровой модели рельефа). Такая форма отображения и хранения информации во многом затрудняет ее интерпретацию как для человека, так и для вычислительной системы. Установлено, что 50 % мозговых нейронов участвуют в процессе обработки зрительной информации. Это говорит о том, что трехмерная визуализация стимулирует больше нейронов, вовлекая большую часть мозга в процесс решения проблемы. Например, при анализе информации с двумерных карт мозг должен сначала построить концептуальную модель рельефа местности, прежде чем принять какое-либо решение. Эта задача может оказаться довольно сложной даже для тренированного человека, например, при работе с картографическими материалами на сложные территории. Трехмерное отображение местности воспроизводит пространственную реальность, позволяя наблюдателю более быстро оценивать и понимать ситуацию [77].

Непрерывность. Поскольку отметки на плане показываются только для характерных или контрольных точек, то такая форма графического или электронного представления рельефа местности будет являться дискретной, в то время как трехмерная модель по своей сути непрерывна.

Точность и достоверность. По точности трехмерные модели не уступают, а в ряде случаев превосходят, традиционные карты и планы. Например, метод лазерного сканирования и алгоритмы обработки его данных сами по себе подразумевают, что полученная модель будет более точной, поскольку метрические характеристики объектов определяются не по координатам двухтрех пикетов, а по совокупности множества измерений. Если по результатам лазерного сканирования построены две плоскости, отображающие стены здания, то очевидно, что геометрически линия пересечения двух плоскостей будет определена значительно точнее, чем если бы координаты углов здания были получены по одному измерению электронным тахеометром на отражатель. Кроме того, безотражательный принцип работы сканера исключает ошибку неточной установки отражателя на объект. Запас точности трехмерной модели также вытекает из свойства ее непрерывности, так как плановые координаты и отметки промежуточных точек местности или оборудования можно получить не интерполированием и аппроксимацией, а непосредственным измерением [77].

Использование достоинств трехмерных цифровых моделей местности и возможностей трехмерных ГИС позволит на качественно новом уровне решать следующие инженерно-технические задачи [90]:

1)оперативное проектирование реконструкции коммуникаций объектов;

2)трехмерная презентация объектов с визуализацией всех технологических узлов, связей и т. п.;

3)компьютерное моделирование технологических процессов работы оборудования на заводах, нефте- и газоперерабатывающих площадках и т. п.;

4)детальное проведение инвентаризации объектов;

5)оперативный мониторинг состояния оборудования на основе совмещения трехмерной модели с другими видами наблюдений (например, материалами тепловизионной съемки или данными пьезометров).

Этим списком далеко не ограничивается перечень задач, решение которых возможно с использованием трехмерных ЦММ и виртуальных ГИС. Например,

вряде стран с высокой стоимостью земли ведется разработка системы трехмерного кадастра, в которой плата за пользование землей рассчитывается не от площади земельного участка, а от его трехмерного объема. Таким образом, трехмерные ГИС рано или поздно вытеснят другие формы представления информации о местности [90], для получения которой на сложные технологические объекты, здания и сооружения методу наземного лазерного сканирования в отношении детальности, оперативности и точности в настоящее время нет равных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исходя из опыта применения наземных лазерных сканирующих систем для решения прикладных задач в различных областях народного хозяйства (топография, маркшейдерия, геология, архитектура, строительство, судостроение, археология, медицина и др.), можно смело говорить об уверенном внедрении данной технологии в повседневную практику. Концепция полной автоматизации при сборе пространственных данных об объектах местности средствами лазерной локации позволяет решить две основные проблемы любого производства:

1)увеличить производительность работ;

2)повысить качество и надежность получаемой продукции.

Фактически, точность определения координат точек местности с использованием наземных лазерных сканеров зависит в основном от характеристик прибора, т. е. исключается ряд ошибок при наведении на марку, установке вешки, нумерации пикетов и т. п. Повышение надежности результатов сканирования обусловлено, прежде всего, снижением влияния человеческого фактора при работе с прибором. При камеральной обработке материалов полевых сканерных съемок по-прежнему большую роль играет опыт оператора в интерпретации большого объема данных лазерного сканирования, и проблема автоматизации обработки этих данных становится главной. Однако в этом направлении ведутся активные разработки алгоритмов и программных продуктов, позволяющих упростить и автоматизировать работу «камеральщика».

Быстрому внедрению технологии наземного лазерного сканирования в производство способствовала тенденция перехода от классической двумерной картографии и проектирования к трехмерному описанию объектов реального мира. Преимущества трехмерных моделей по своей информативности и наглядности бесспорны перед традиционными двумерными планами, картами и чертежами. За последние два десятка лет технология описания объектов реального мира с помощью трехмерного компьютерного моделирования перешла от фантастики к действительности. Однако если рассматривать глобальный переход от традиционных карт и ГИС к трехмерным, то нужно еще решить ряд важных проблем, связанных с хранением и организацией данных, стандартизацией форматов, разработкой принципиально новых методов анализа данных, поскольку количество топологических связей для трехмерного мира как минимум на порядок выше. Несмотря на указанные проблемы, уже сегодня имеется ряд практически выполненных проектов по трехмерному моделированию отдельных объектов и целых территорий для решения конкретных задач. Например, в условиях возрастания стоимости земельных ресурсов в некоторых странах внедряются системы трехмерного кадастра объектов недвижимости, позволяющие при регистрации учитывать объем используемого пространства, а не площадь земельного участка.

Таким образом, наземные лазерные сканеры являются новым измерительным средством, позволяющим сделать реальным и повседневным получение трехмерных моделей различного назначения.

Все это позволяет говорить о том, что в ближайшее время технология наземного лазерного сканирования если не полностью вытеснит, то, по крайней мере, займет ведущее положение в области полевого сбора метрической информации с целью трехмерного моделирования объектов и территорий.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Авдусин, Д.А. Полевая археология СССР [Электронный ресурс] / Д.А.

Авдусин. М.: Высшая школа, 1980. – Портал «Археология России», 2003. Режим доступа: http://www.archeo-logia.ru/Library/book/6420eba768ac

2.Анализ точности лазерных сканирующих систем [Электронный ресурс]

/W. Boehler и др.// Докл. на XIX симп. CIPA, Анталия, Турция 30 сент. – 4 окт.

2003.: сайт фирмы Г.Ф.К. Режим доступа: http://www.gfkleica.ru/scan/testir.htm№61. – С. 146–149.

3.Аникушкин, М.Н. Наземные системы лазерного сканирования. Опыт работ [Текст] / М.Н. Аникушкин // Геопрофи. – 2005. – № 1. – С. 49–50.

4.Антипов, И.Т. Математические основы пространственной аналитической фототриангуляции [Текст] / И.Т. Антипов. – М.: Картгеоцентр – Геодезиздат. – 2003. – 296 с.

5.Антонович, К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии [Текст]. В 2 т. Т. 1: монография / К.М. Антонович; ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия». – М.: ФГУП «Картгеоцентр», 2005. – 334 с.: ил.

6.Антонович, К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии [Текст]. В 2 т. Т. 2: монография / К.М. Антонович; ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия». – М.: ФГУП «Картгеоцентр», 2006. – 360 с.: ил.

7.Батраков, С.И. Радиотехнические цепи и сигналы [Текст]: учеб. для вузов по спец. «Радиотехника» / С.И. Батраков. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1988. – 448 с.: ил.

8.Большаков, В.Д. Геодезия. Изыскания и проектирование инженерных сооружений [Текст]: справ. пособие / В.Д. Большаков, Е.Б. Клюшин, И.Ю. Васютинский. – М.: Недра, 1991. – 238 с.: ил.

9.Большаков, В.Д. Уравнивание геодезических построений [Текст]: справ. пособие / В.Д. Большаков, Ю.И. Маркузе, В.В. Голубев. – М.: Недра, 1989. – 413 с.: ил.

10.Васильев, Л.Н. Калибровка аэрофотоаппаратов по снимкам испытательного полигона [Текст] / Л.Н. Васильев и др. // Геодезия и

картография. – 1974. № 10. – С. 40–49.

11.Валеев, С.Г. Регрессионное моделирование при обработке наблюдений [Текст] / С.Г. Валеев. – М.: Недра, 1991. – 272 с.

12.Галкин, Ю.С. О новой дисперсионной формуле стандартного воздуха для видимого и ближнего ИК-диапозона спектра [Текст] / Ю.С. Галкин, Р.А.

Захаров, Р.А. Татевян // Геодезия и картография. – 1997. № 11. – С. 14–18.

13.Гауф, М. Электронные теодолиты и тахеометры [Текст] / М. Гауф; пер.

счешск. – М.: Недра, 1978. – 150 с.

14.Генике, А.А. Глобальная спутниковая система определения местоположения GPS и применение в геодезии [Текст] / А.А. Генике, Г.Г. Побединский. – М.: Картгеоцентр – Геодезиздат, 1999. – 272 с.

15.Геодезическое инструментоведение [Текст] / Ф. Деймлих; пер. с 4-го перераб. и доп. изд. – М.: Недра, 1970. – 584 с.

16.Геодезия. Геодезические и фотограмметрические приборы [Текст]: справ. пособие / Н.Н. Воронков, В.С. Плотников, Е.И. Калантаров и др. – М.: Недра, 1991. – 429 с.: ил.

17.Горенштейн, И.А. Инерциальные навигационные системы [Текст] / И.А. Горенштейн. – М.: Машиностроение, 1970. – 284 с.

18.ГОСТ 8.570–2000. Резервуары стальные вертикальные цилиндрические.

Методика поверки. Введен 01.01.2002. Минск, 2000.

19.Грунин, А.Г. Наземная лазерная сканирующая система – ILRIS 3D [Текст] / А.Г. Грунин // Геопрофи. – 2003. – № 2. – С. 23.

20.Данилин, И.М. Лазерная локация земли и леса [Текст]: учеб. пособие / И.М. Данилин, Е.М. Медведев, С.Р. Мельников. – Красноярск: Ин-т леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2005. – 182 с.

21.Дубиновский, В.Б. Калибровка снимков [Текст] / В.Б. Дубиновский. – М.: Недра, 1982. – 224 с.

22.Елисеев, С.В. Геодезические инструменты и приборы. Основы расчета, конструкции и особенности изготовления [Текст] / С.В. Елисеев. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1973. – 392 с.

23.Зюзин, А.С. Боковая рефракция при измерении углов на пунктах городской полигонометрии [Текст] / А.С. Зюзин // Геодезия и картография. –

1956. № 6. – С. 18–26.

24.Инструкция по нивелированию I, II, III и IV классов. ГКИНП (ГНТА) – 03-010-03. Федеральная служба геодезии и картографии России [Текст]. – М.: ЦНИИГАиК, Картгеоцентр – Геодезиздат, 2004. – 244 с.: 35 ил.

25.Инструкция по развитию съемочного обоснования съемки ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS [Текст]. – М.: ЦНИИГАиК, 2002. – 124 с.

26.Инструкция по топографической съемке в масштабе 1 : 5 000, 1 : 2 000, 1 : 1 000 и 1 : 500. Главное управление геодезии и картографии при Совете Министров СССР [Текст]. – М.: Недра, 1985. – 150 с.

27.Калантаров, Е.И. Фотограмметрическое инструментоведение [Текст]: учебник для вузов / Е.И. Калантаров. – М.: Недра, 1986. – 126 с.: ил.

28.Камен, Х. Электронные способы измерений в геодезии [Текст] / Х. Камен. – М.: Недра, 1982. – 132 с.

29.Клюшин, Е.Б. Инженерная геодезия [Текст]: учеб. для техникумов / Е.Б. Клюшин, Д.Ш. Михелев. – М.: Недра, 1990. – 264 с.: ил.

30.Комиссаров, А.В. Исследование точности наземных лазерных сканеров [Текст] / А.В. Комиссаров // Соврем. проблемы техн. наук: сб. тез. докл. Новосиб. межвуз. науч. студен. конф. «Интеллектуальный потенциал Сибири». Ч. 3. – Новосибирск, 2004. – С. 104.

31.Комиссаров, А.В. Исследование стабильности работы блока лазерного дальномера сканера Riegl LMS Z-360 [Текст] / А.В. Комиссаров // Сб. науч. тр. аспирантов и молодых ученых Сиб. гос. геодез. акад. Вып. 2 / Под общ. ред. Т.А. Широковой; СГГА. – Новосибирск, 2005. – С. 62–66.