Состояние и перспективы развития воздушного и наземного лазерного сканирования в России Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 528.48

Е.М. Медведев, С.Р. Мельников «Г еолидар», Москва В.А. Середович СГГ А, Новосибирск

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВОЗДУШНОГО И НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ В РОССИИ

Важнейшими задачами сбора пространственных данных в современной геоинформатике являются создание:

- Цифровых карт и планов линейных и площадных объектов всего масштабного ряда;

- Высокоточных цифровых трехмерных моделей сложных инженерных объектов, зданий и сооружений;

- Высокоточных цифровых ортофотопланов высокого разрешения;

- Трехмерных цифровых моделей местности и рельефа;

- Кадастровых планов и землеустроительной документации;

- Цифровых карт и трехмерных моделей рельефа дна в шельфовой зоне и внутренних водоемах и т. п.

Основными объектами съемки на сегодня являются:

- Нефтегазоконденсатные месторождения.

- Магистральные трубопроводы.

- Линии электропередач.

- Автомобильные и железные дороги (существующие и проектируемые).

- Горнообогатительные комбинаты.

- Города и другие населенные пункты.

- Инженерные объекты, здания и сооружения.

- Объекты в горной местности.

На сегодняшний день - быстрое и качественное выполнение указанных выше работ невозможно без использования технологий и оборудования воздушного и наземного лазерного сканирования.

Принципы работы воздушного лазерного сканера рассмотрим на примере приборов класса ALTM, выпускаемых канадской компанией Optech Inc.

Рис. 1. Принцип работы воздушного лазерного сканера

В качестве излучателя используется полупроводниковый лазер, как правило, ближнего инфракрасного диапазона, работающий в импульсном режиме. Для каждого излученного импульса регистрируется время,

затраченное на распространение от источника до объекта, вызвавшего отражение, и обратно к приемнику. С учетом постоянства скорости и прямолинейности распространения электромагнитных колебаний в атмосфере, измеренной значение временного интервала позволяет

определить расстояние (в терминах лазерной локации «наклонную

дальность») от источника излучения до объекта. Кроме значения наклонной дальности D для каждого излученного импульса регистрируется текущее значение угла а отклонения сканирующего элемента (зеркала, призмы, оптического клина). Величина этого угла позволяет однозначно определить направление распространения зондирующего импульса («линию

визирования») в системе координат лидара, которая «жестко» связана со строительными осями сканерного блока лидара.

В свою очередь положение и ориентация системы координат лидара в геодезической (или географической) системе координат определяются благодаря присутствию на борту в составе лидара навигационного комплекса, который обеспечивает непрерывное определение трех пространственных координат положения сканероного блока X, Y, Z и трех углов его ориентации со, ф, к. Такой набор шести параметров пространственного положения и угловой ориентации в фотограмметрии называется элементами внешнего ориентирования. Принцип работы бортового навигационного комплекса основан на совместрой оптимальной обработке данных приемника спутниковой системы GPS и инерциальной системы.

В зависимости от типа лидара могут фиксироваться более одного (до четывех) отражений от наземных объектов для каждой линии визирования. Т. е. если на пути распространения лазерного луча он сталкивается с неполным препятствием, то часть энергии импульса отражается, а другая распространяется дальше вдоль линии визирования. Такая возможность способствует получению более информативных лазерно-локационных данных, так как для одного излученного импульса имеем несколько вернувшихся. Так, даже один импульс может принести множественные отклики сразу от нескольких значимых компонентов сцены: первые отклики будут получены за счет отражений от листвы растительности, проводов и опор ЛЭП, кромок зданий, а последний отклик, как правило, соответствует поверхности земли или другой сплошной поверхности, являющейся абсолютным препятствием на пути распространения лазерного импульса. Кроме поверхности земли примером такого «абсолютного» препятствия может выступать крыша здания.

Из представленного краткого описания видно, что функциональная схема лазерного сканера в его нынешней форме не содержит никаких принципиально новых компонентов. В этом смысле, с некоторыми упрощениями такой прибор можно было бы определить как «сканирующий лазерный дальномер с навигационным обеспечением». Все основные структурные компоненты, составляющие лидар, такие как сканерный блок, GPS, инерциальная система всесторонне изучены и уже много лет активно эксплуатируются. Поэтому, говоря о концепции современного лидара, используемого для топографических целей, следует заявить, что принципиально новое качество данных, поставляемых таким прибором появляется именно благодаря объединению всех упомянутых компонентов в единое целое. Это не могло случиться ранее начала 90-х годов 20-го века, ведь только к этому моменту использование GPS и лазерных дальномеров прочно утвердилось в аэросъемочной практике, инерциальные системы стали активно применяться для непосредственного определения элементов внешнего ориентирования, а по показателям точности все составляющие лидар источники геопространственных данных достигли взаимосогласованного уровня.

Именно с этого момента появилась возможность утверждать, что лазерная локация не только средство «дистанционного зондирования», но в большей степени «фотограмметрическое средство». Последнее предполагает наличие некоторых гарантий точности геопривязки данных съемки и пространственных измерений по таким данным. С появлением первых лидаров такие гарантии точности были представлены производителями и выражались в том, что специфицируемая точность лазерно-локационных данных составляла 15-20 см в абсолютных геодезических координатах.

Таблица. Показатели точности основных структурных компонентов типового

воздушного лидара к началу 90-х годов 20-го века

Определяемый Источник Точность

параметр

Пространственные

ОРБ

8-10 см

координаты носителя

Наклонная дальность Лазерный дальномер 10-15 см

Ориентация носителя Инерциальная система 1 -2 мрад (ошибка позиционирования

15-30 см при высоте съемки 300 м)

В настоящее время различают два основных вида лазерно-локационных данных и соответственно два основных вида лазерно-локационных изображений:

1. В дальномерной форме.

2. В форме интенсивности отраженного импульса.

Представленное деление в равной степени применимо как к воздушным так и к наземным лазерно-локационным данным.

Рис. 2. Типовое лазерно-локационное изображение в дальномерной форме

Рис. 4. Типовое лазерно-локационное изображение в дальномерной форме, полученное с помощью наземного лазерного сканера

В современной лазерной локации используются два основных метода измерения наклонной дальности - импульсный и фазовый. Сразу оговоримся, что в лидарах воздушного базирования в настоящее время используется только импульсный метод, а в наземных лидарах и импульсный, фазовый методы.

На рисунке представлен принцип определения наклонной дальности при использовании фазового метода.

Transmit

Signal

Receive

Signal

1

/ —

Рис. 5. К определению фазового метода определения наклонной дальности

Этот принцип состоит в определении количества целых длин волн между локатором и объектом и разности фаз излученной и принятой волны модулирующего колебания. Ширина полосы модуляции до 10 гГц при использовании современных лазерных диодов (semiconductor laser diodes). Отметим, что в этом случае зондирующее излучение должно быть непрерывным, что в общем случае значительно повышает требования по выходной мощности излучающего лазера по сравнению с импульсным методом.

Напомним, что фазовый метод измерения дальности пока применяется только в лидарах наземного базирования.

Главное преимущество фазового метода измерения - более высокая точность, которая может достигать первых миллиметров.

Для того чтобы определить расстояние между источником и объектом необходимо:

1. Определить целое количество длин волн модуляции K, приходящихся на это расстояние.

2. Определить разность фаз Л(р между принятой и опорной волной и тем самым оценить дополнительное расстояние, соответствующее «последней» неполной волне.

Если значения К и Л(р удалось определить, то искомое расстояние определяется по формуле:

D = Kl + ^-yI,

2я

здесь Я - длина волны модуляции.

Приведенной простой формулы достаточно, чтобы в принципе дать объяснение высокой точности фазового метода дальномерных измерений. Точность величины Я определяется стабильностью частоты генератора модулирующего колебания. В современных условиях возможно достичь очень высокой точности этого параметра. Т. е. если значение K определено

правильно, то член КЛ практически не вносит никакого своего вклада в результирующую ошибку измерения дальности.

Величина Лер также может быть определена достаточно точно. Сразу отметим, что в зависимости от типа лидара может использоваться либо аппаратный метод определения значения Лер с помощью так называемых фазиметров, либо принятый сигнал в цифровой форме записывается на магнитный носитель, а все последующие процедуры корреляционного анализа (для определения фазы) осуществляются программно. В любом случае удается достичь высокой точности определения Лер.

В настоящее время можно выделить четыре основных сектора рынка воздушных лазерных сканеров:

- Съемка площадных объектов;

- Съемка площадных объектов с высоким разрешением;

- Коридорная (линейная) съемка;

- Батиметрическая съемка.

Российский рынок воздушного лазерного сканирования. Основные особенности и тенденции:

- Доминирование ведущего мирового производителя оборудования. На сегодняшний день:

- 11 ALTM производства ОРТЕСН активно используются в России.

- ALS (Leica) всё ещё «собирается приступить» к работе.

Российский рынок - быстро растущий сегмент большой индустрии геоинформационных услуг

- Москва входит в тройку городов мира, имеющих сервис-центры лазерных сканеров.

- Количество компаний, предоставляющих услуги к концу 2005 года увеличилось в 2 (два) раза!

- Продолжается корпоративно-отраслевая специализация компаний.

- Появление на рынке первой НЕмосковской компании.

- Двукратное увеличение компаний, обрабатывающих данные лазерного сканирования (2005 год).

- Российские компании выполняют проекты на всех континентах, кроме Австралии и Антарктиды (пока...).

- Начался процесс формирование объединений российских поставщиков услуг.

140 ЛОС\ р

“1ПП /

ЯП / /

Rn

4П

9П

п

2001 2002 2003 2004 2005 2006

Рис. 7. Россия. Рынок услуг воздушного лазерного сканирования. Сегодня и

завтра (млн долларов США)

Российский рынок наземных лазерных сканирующих систем в 2006 году Основные особенности и тенденции: годовой рост мирового рынка -более чем на 65% (по прогнозам Spar Point Research LLC,USA).

Рис. 8. Россия. Наземные лазерные сканеры. Сегодня и завтра (в шт.)

Measurement Syäems GmbH 24%

Рис. 9. Аналитические данные по доле участников рынка лазерных сканеров (2003 г.) (по оценкам Spar Point Research LLC, USA)

20 п

16 г

/ /

12 / /

/

/ /

СҐ

о

п а

2002 2003 2004 2005 2006

Рис. 10. Россия. Рынок услуг наземного лазерного сканирования.

Сегодня и завтра (в млн. $)

Тенденции развития рынка НЛС

Растущий спрос на 3-Д модели и наземные лазерные сканеры со стороны собственников: зданий и сооружений, городской инфраструктуры,

предприятий химии и нефтехимии, фармацевтики, автомобильной промышленности, ядерных и обычных электростанций, компаний занимающихся строительством и реконструкцией инженерных сооружений, в т. ч. в открытом море. Рост спроса на точную техническую документацию по существующему состоянию зданий, сооружений, инженерных объектов и т. д. при работах по их реконструкции, модернизации или выводе из эксплуатации. Совершенствование программного обеспечения

Основные выводы:

- Технология воздушного и наземного лазерного сканирования уже заняла существенную часть рынка картографирования и моделирования местности и объектов, заменяя традиционные методы съёмки.

- Хорошие результаты дает совмещение данных воздушных лазерных сканеров:

- С данными аэрофотосъемки (для съемки площадных объектов);

- С данными наземных лазерных сканеров (для построения высокоточных трехмерных моделей сложных инженерных объектов).

- К 2010 цифровые системы, в т.ч. лазерные сканеры и цифровые аэрофотоаппараты будут доминировать в топографических, инженерно-изыска-тельских и специализированных приложениях.

© Е.М. Медведев, С.Р. Мельников, В.А. Середович, 2006