Использование современных мобильных 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 лазерными 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 применяются сканирующие лазерные дальномеры, съемка ведется в динамическом режиме, а координатная привязка осуществляется за счет использования систем прямого геопозиционирования, принцип действия которых основан на обмене данными в реальном времени между системой спутниковой навигации GPS (ГЛОНАСС) и инерциальной системой.

Единственное существенное функциональное отличие в системе прямого геопозиционирования, используемой для автомобильных платформ, это появление третьего независимого источника навигационной информации: датчика скорости или пройденного пути. Этот дополнительный источник геопространственной информации позволяет получить еще более точное и достоверное навигационное решение. Количество сканирующих модулей, схема их установки и развертка тоже, как правило, отличается 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.

Для получения дополнительной информации, сканирующие блоки часто комбинируются с цифровыми фотокамерами, видеокамерами, тепловизорами и пр. Совместное использование лазерно-локационных и фотографических данных позволяет при визуализации назначать каждой лазерной точке её естественный цвет, что приводит к появлению фотореалистичных трёхмерных цифровых моделей (рис. 5,6)

В се устройства жестко крепятся на специальной платформе, которая, по заявлениям производителей,  может быть установлена «практически на любой автомобиль». В определенном смысле это действительно так, хотя в каждом конкретном случае возникает множество вопросов, связанных с обеспечением допустимой механической нагрузки, режимом электропитания, согласованием схемы установки с дорожной полицией и пр..

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. Для 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 100м). Таким образом уменьшая ошибку определения пространственных координат из-за погрешности угловых элементов внешнего ориентирования, и используют специальное программное обеспечение, которое на камеральной стадии позволяет компенсировать ошибки инерциальной системы, оставшейся без GPS поддержки.

Классические мобильные картографы устанавливаются без всяких ограничений и успешно эксплуатируются и с плавучих платформ (Рис. 7), хотя у мобильного картографирования «с воды» несомненно есть свои особенности, которые выделяют этот вид съемки среди аналогичных.

Компания Applanix предложила первую из известных истории морскую (а равно речную и озерную) систему мобильной съемки, имеющую название  LANDMark Marine.

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 5 см (при этом дальномерная точность составляет ±7 мм), и плотностью данных вплоть до 1 точки на 1 см2.

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 собой 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.

ПО обработки данных - Специализированное, позволяющее наилучшим образом производить планирование съемки, ее проведение, расчет динамической траектории и вывод окончательных данных. Программное обеспечение состоит из двух частей LYNX-Survey и LYNXProcess

Система позволяет получать геопространственные данные для:

• Высокоточных цифровых карт и трехмерных моделей рельефа, растительности и объектов городской застройки,

• Предпроектных топографических и инженерно-изыскательских работ,

• Исполнительной документации,

• Мониторинга коммуникаций и оценки их технического состояния,

• Планирования ремонтных и регламентных работ

• Кадастра

• Моделирования городов

• Охраны исторических и культурных памятников

• Обследования открытых карьеров и пр.

Система «Lynx Mobile Mapper» обладает уникальными возможностями по быстрому трехмерному сканированию автодорог, инфраструктуры, зданий и сооружений. Сканирование производится лидарами, установленными на транспортном средстве.  Благодаря сканированию всех деталей дороги и ее окрестностей, включая дорожные ограждения, трещины в дорожном покрытии, кюветы, воздушные линии электропередач и т.д., специалисты могут построить высокоточные трехмерные компьютерные модели. Полученные модели чрезвычайно важны для планирования новой схемы дорог и их ремонта, для оценки маршрутов перевозки негабаритных грузов и управления инфраструктурой.

Системы НМЛС позволяет легко и быстро собирать лидарные данные для нужд железнодорожного сообщения. Установки на самоходной дрезине или специально модернизированном автомобиле (рис.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, и режим их легко выбирается оператором.

Технические характеристики мобильной лазерно-локационной системы"LYNX Mobile Mapper™ M200" компании Optech
Максимальная дальность	>100 м (при 20% отражательной способности)
Дальномерная точность	7 мм (1 sigma)
Пространственное разрешение	До 1 см на скорости 100км/ч
Абсолютная точность	Лучше 5 см (при хорошей GPS обстановке)
Система прямого геопозиционирования и ориентирования IMU/GPS	Applanix POS LV 420
Угол обзора сканера	360° при отсутствии препятствий
Частота сканирования	До 9000 об/мин
Частота импульсов	100 000 импульсов/с для каждого сканера
Число измерений для одного импульса	До 4 отражений одного луча
Число сканеров	От 1 до 4
Число фотокамер	До 2
Возможность установки	Пригодно на любые транспортные средства
Рабочие температуры	-20°C до 40°C (внешняя)
Температура хранения	-40°C до 80°C

Аппаратная часть системы:

управляющий / навигационный блок;

• интерфейс оператора;

• один и более (до 4) лазерных сенсоров;

• одна или 2 цифровый фотокамеры;

• две платформы для установки сканеров с возможностью их переориентирования;

• накопитель данных;

• антенна системы IMU/GPS;

• система навигации POS LV 420

• соединительные кабели;

Системы мобильного картографирования от Topcon

(IP-S2 HD и IP-S2 HD).

Системы Topcon IP-S2 и Topcon IP-S2 HD (Рис. 13) обладают возможностями высокоскоростной съемки больших площадей и линейных объектов с достаточной точностью. Это открывает перед ними множество различных вариантов применения, где скорость съемки традиционными способами могла бы значительно замедлить работу.

Поэтому при создании этих систем пришлось решать задачу интеграции высокоскоростных лазерных сканеров, блока инерциальных измерений, спутникового приемника, обеспечивающего точное позиционирование системы, другого оборудования (цифровых камер, датчиков-одометров и др.), а также компьютера с программным обеспечением для оперативного управления системой и сохранения собранных данных.

Состав систем.

Системы Topcon IP-S2 (рис.14) и Topcon IP-S2 HD (рис. 18) является модульными и состоят из ряда блоков, каждый из которых отвечает за свою задачу в процессе сбора данных.

GNSS-приемник.

Используемые двухчастотные приемники могут принимать как сигнал системы GPS, так и сигнал российской группировки спутников ГЛОНАСС.

Блок инерциальных измерений.

Этот блок дает системе точные данные об ориентации автомобиля в процессе движения. Кроме того, при кратковременном блокировании сигналов GNSS (в случае проезда под мостами или в тоннелях) данные блока инерциальных измерений наряду с другими данными (например, с датчиков-одометров) используются для интерпретации координат транспортного средства с заданным интервалом.

Цифровая камера.

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 времени и текущей позиции.

Сканеры

В системе может использоваться до 6 лазерных сканеров. В конфигурации Topcon IP-S2 HD используется лазерный сканер Velodyne HDL-64E. Сканер выполняет до 1,333 млн. измерений в секунду, имеющих метку времени и геопривязку. В универсальной конфигурации Topcon IP-S2 используются 3 лазерных сканера - два сканера с обзором 180° для сканирования ситуации справа и слева от машины, и еще один сканер с обзором 90°, ориентированный по оси движения транспортного средства. Сканеры выполняют до 40000 измерений в секунду, имеющих метку времени и геопривязку.

Датчик колеса (одометр)

Датчик закрепляется непосредственно на колесе автомобиля и используется для определения скорости и пройденного пути. Аналогичная информация может быть получена системой Topcon IP-S2 или Topcon IP-S2 HD также и из CAN-шины автомобиля.(Weel encoder.JPG)

Блок управления.

Специальный блок, имеющий разъемы для подключения описанных ранее устройств и связи с компьютером. Блок управления получает данные от всех подключенных сенсоров и, используя опорный генератор, присваивает им метки точного времени. В дальнейшем данные с метками времени поступают в общую базу данных.

Программное обеспечение.

Блок управления содержит встроенное программное обеспечение, предназначенное для проверки подключенных к системе сенсоров, их настройки, задания файлов работ и сохранения данных (VehicleDahboard.jpg). Для обработки полученных данных используется программное обеспечение Geoclean, в котором объединяются данные, полученные от GNSS приемника, блока инерциальных измерений, датчика колеса и фотокамеры. На основе полученных данных вычисляются точные координаты автомобиля на каждый момент движения. После произведенных вычислений пользователю становятся доступны такие функции, как просмотр траекторий движения автомобиля, выполнение измерений по облакам точек и фотографиям, выделение элементов из облаков точек и фотографий, получение из облака точек точных координат различных элементов. В дальнейшем полученные данные могут быть экспортированы в файлы обменных форматов ASCII, LAS, BIN. (office.tif)

Процесс съемки и получаемый результат.

Для выполнения измерений в районе работ должна быть установлена базовая станция GNSS, данные с которой используются для вычисления координат автомобиля с заданным интервалом. Позиционирование может осуществляться в режиме постобработки данных. После настройки и тестирования всех сенсоров системы находятся в готовности к работе.

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 местах (рис. 22). На случай остановки система может прекратить сбор данных и возобновить его при продолжении движения. Навигацию осуществляет водитель по запроектированному маршруту, где в качестве основы может использоваться растровое изображение из Google Earth территории объекта сканирования (рис. 22).

Результатом работы Topcon IP-S2 и Topcon IP-S2 HD  являются полученные в результате сканирования облака точек, в которых каждая точка имеет метку времени и трехмерные координаты, цветные панорамные фотографии, также привязанные по времени и координатам.

Применение в дорожном хозяйстве. В этом случае системы позволяют подготовить данные для анализа состояния дорожной одежды и профиля автодороги, состояния бровки дороги, определения радиуса кривизны и виражей на весьма протяженных участках. При этом мы получаем не отдельные характерные точки дороги, как происходит при съемке с помощью электронных тахеометров и GNSS-приемников, а огромный массив информации, детальнейшим образом описывающий всю дорогу до последней кочки.

Управление территориями. Системы  также находят свое применение в управляющих организациях для целей инвентаризации. Сюда можно отнести и инвентаризацию объектов инфраструктуры – дорожные знаки, наземные коммуникации, выходы подземных коммуникаций, искусственные неровности и т.д., и инвентаризацию зеленых насаждений в городской черте. В последнее время становится актуальной тематика создания 3D-моделей существующих городов для более эффективного управления территориями. Для таких приложений оперативность работы Topcon IP-S2 и Topcon IP-S2 HD просто трудно переоценить.

Цифровая картография, сбор данных для ГИС систем. Одна из наиболее часто встречающихся областей применения - это сканирование с целью мобильного картографирования больших участков территорий либо уточнение уже существующих картографических материалов. Если на съемку большого участка застроенной территории могут уйти дни, недели, система справится с такой задачей за считанные часы. При этом качество полученных данных не будет уступать традиционным методам съемки.