Системы мобильного картографирования от Topcon

(IP-S2 HD и IP-S2 HD).

Системы Topcon IP-S2 и Topcon IP-S2 HD (Рис. 12.10) 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.

С остав систем.

Системы Topcon IP-S2 (рис.12.11) и Topcon IP-S2 HD (рис. 12.15) является модульными и состоят из ряда блоков, каждый из которых отвечает за свою задачу в процессе сбора данных. Технические характеристики приведены в таблице 12.3.

GNSS-приемник.

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

Б лок 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 (Рис. 12.15) 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 (Рис.12.14) 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 (Рис.12.18). 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)

3. 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. 12.19 справа). 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. 12.19 слева).

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 (рис. 12.20), а также цветные панорамные фотографии, 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.

Параметры таблица 12.3
Компоненты ГНСС для двух систем: Topcon IP-S2 HD  Topcon IP-S2
Каналы	40 каналов, all-in-view, L1, L1 GPS, L1/L2 GPS, L1/L2 ГЛОНАСС, L1/ L2 GPS + L1/ L2 ГЛОНАСС, WAAS
Отслеживание слабого сигнала	Менее 30 dBHz
Холодный / теплый старт	< 60 с / < 10 с
Перезахват	< 1 с
Вибрации	Динамические, до 30 g
Дополнительные функции	Multipath Mitigation, Co-Op Tracking
Положение в реальном времени и сырые данные	Частота обновления до 20 Гц
RTCM SC104 v2.1 and 2.2	Ввод / Вывод
NMEA 0183 v2.1, 2.2, 2.3 & 3.0	Вывод
Блок инерциальных измерений
Частота передачи данных	100 Гц
Частота смещения сдвига гироблока	1°/ч, 3°/ч, 5°/ч
Питание Topcon IP-S2 HD Topcon IP-S2
Напряжение питания	Постоянное 12-14 В, 50 ампер 9-28В
Потребляемая мощность	Примерно 300 Ватт
Физические характеристики Topcon IP-S2 HD Topcon IP-S2
Габариты / Масса	1422 x 699 x 1245 мм, 82 кг
Условия эксплуатации Topcon IP-S2 HD Topcon IP-S2
Температура рабочая/хранения	–10° ... +40°C/ –30°..+60°C/– 45°..+80°C
Порты ввода/вывода
CAN - шина	OBDII - MOLEX-9 Pin
Кодировщик	Квадратурный вход TTL
Сетевое подключение Ethernet	100 Base-T
USB 2.0	Вход/Выход
Последовательный порт RS-232-/422	До 2 Мб/с
Скоростной цифровой порт I/O (x4)	LVDS 400 Мб/с
Лазерные сканеры Topcon IP-S2 HD Topcon IP-S2
Тип	Velodyne® Два SICK™ LMS 291- S05, HDL-64E S2 Один SICK™ LMS 291-S14
Угол сканирования/угловое разрешение	30.13º/0.4º LMS 291-S05 - 180°/1°, LMS 291-S14 - 90°/0.5°
Типичная точность измерения	± 20 мм ± 45 мм
Диапазон измерения	120 м (отраж. способность 80%), 30 м 50 м (отраж. способность 100%)
Частота передачи данных	1,333 млн. точек в секунду 75 Гц через Ethernet

4. Испытание системы StreetMapper

Система StreetMapper, являющаяся результатом со­вместной работы английской компании 3D Laser Mapping и немецкой фирмы IGI mbH, специализирую­щейся в области навигации, представляет собой первый образец системы, предназначенной для быстрой и точ­ной мобильной трехмерной лазерной съемки.

Компании 3D Laser Mapping было предложено про­вести испытание системы StreetMapper в ходе работ по обследованию трехкилометрового участка шос­се из двух проезжих частей в ближайшем пригороде Копенгагена.

Результаты этого обследования контролировались при помощи сравнения с координатами контрольных точек, съемка которых выполнялась дорожным управлением. Данный отчет посвящен точности съемки, достигнутой с помощью мобильной системы.

Каждая из проезжих частей обследовалась системой StreetMapper на скорости 45 км/ч. Сканеры были настроены так, что первый был ориентирован вниз на 20° от горизонта, второй вверх на 20° от горизонта, и два боковых под углом 45° к ли­нии движения. Такая расстановка позволила достичь при съемке плотности в 200 точёк/м² для всего марш­рута. Число спутников в начале съёмки было 8, а к концу возросло до 10 (рис.12.21).

Разни­ца между положением траектории в прямом и обратном расчетах пакета TERRAOffice составила по высоте 20 мм. Погрешности

по северному и по восточному направлениям соответственно составили 15 и 10 мм.

Маркированные контрольные точки были расставле­ны вдоль обочины через каждые 200 м. Их координа­ты были обследованы с помощью GPS при­емника при измерениях в режиме статики. Полученные данные были уровнены по методу свободной сети и затем приведены к точному высотно­му уровню. Точность позиционирования каждой точки составила 5 мм в плане и 10 мм по высоте. Высотные значения, полученные по результатам лазер­ного сканирования, сравнивались со

Таблица 12.4
СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ СЪЁМКИ С КОНТРОЛЬНЫМИ ИЗМЕРЕНИЯМИ
ИЗМЕРЕНИЯ В ОТДЕЛНЫХ ПУНКТАХ	МЕТОД GPS- СТАТИКА	ТАХЕОМЕТРИЧЕСКАЯ СЪЁМКА
ЧИСЛО ТОЧЕК	40	1020
СРЕДНЕЕ ОТКЛОНЕНИЕ ПО ВЫСОТЕ	0,75	-1,3
МАКСИМАЛЬНОЕ ОТКЛОНЕНИЕ ПО ВЫСОТЕ	20	75
МИНИМАЛЬНОЕ ОТКЛОНЕНИЕ ПО ВЫСОТЕ	-20	-60
СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОЕ ОТКЛОНЕНИЕ	10	12,4
СТАНДАРТНОЕ ОТКЛОНЕНИЕ	9,97	12,3

значениями (табл. 12.4), полу­ченными путем измерений GPS прием­ником в статике, а также полученные тахеометром. Установлено, данные системы StreetMapper имеют стандартное отклонение в 10 мм от результатов измерений GPS приемником в режиме статика и 12,3 мм от измерений, выполненных тахеометром.