Влияние плотности точек воздушного лазерного сканирования на точность создания цифровой модели рельефа местности Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 528.8

А.В. Антипов

СГГ А, Новосибирск

ВЛИЯНИЕ ПЛОТНОСТИ ТОЧЕК ВОЗДУШНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ НА ТОЧНОСТЬ СОЗДАНИЯ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ

Приведены особенности получения данных воздушного лазерного сканирования и результаты исследования точности создания цифровой модели рельефа в программном продукте TerraSolid в зависимости от плотности точек лазерных отражений.

A.V. Antipov

Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)

10 Plakhotnogo Str., Novosibirsk, 630108, Russian Federation

POINTS’ DENSITY INFLUENCE OF THE AIRBORNE LASER SCANNING ON THE ACCURACY OF DIGITAL ELEVATION MODEL CREATION

This article is about reception lidar data feature and investigation results of accuracy of digital elevation model creation depending on density of the airborne laser scanning in TerraSolid software.

Современные съемочные системы дистанционного зондирования быстро развиваются и совершенствуются, приводя к значительному прогрессу в получении данных. На сегодняшний день инновационные решения находят широкое применение при проведении аэрофотографической, радиолокационной и сканерной съемок.

Современный рынок данных дистанционного зондирования открыт для частных фирм и предприятий. Любой вид информации, получаемой с аэро-или космических носителей, используют для повышения производительности в создании конченого продукта. Одним из таких видов информации являются лидарные данные, применение которых позволяет сократить время на построение цифровой модели рельефа (ЦМР).

Цифровая модель рельефа объединяет совокупность дискретной информации, задающей рельеф, и математические методы, обеспечивающие вычисление высоты произвольной точки, принадлежащей области моделирования, по ее плановым координатам.

ЦМР используются для ортофототрансформирования аэро- и космических снимков, создания цифровых картографических продуктов и моделей местности, построения профилей местности, определения взаимной видимости между точками и других целей.

В обобщенном виде технологию построения ЦМР можно представить следующим образом:

а) Сбор информации о рельефе (измерение плановых координат и высот точек местности);

б) Описание цифровой модели рельефа;

в) Редактирование ЦМР.

Исходные данные о рельефе для построения ЦМР могут быть получены различными способами:

1) По цифровым топографическим картам и аналоговым топографическим картам оцифровкой горизонталей, высот пунктов государственной геодезической сети, урезов воды и других объектов, характеризующих рельеф местности;

2) По стереопарам снимков;

3) По результатам наземных съёмок (например, тахеометрической съёмки);

4) По данным радиолокационной и радиоинтерферометрической съемок;

5) По данным воздушного и наземного лазерного сканирования местности.

В настоящее время наиболее распространён первый способ сбора информации о рельефе для построения ЦМР как наиболее простой и менее дорогостоящий по сравнению с другими. Однако зачастую ЦМР, созданные по архивным топографическим материалам, не актуальны. Сбор данных о рельефе по стереопарам снимков отличается высокой трудоёмкостью и требует больших денежных затрат, в то же время позволяет обеспечить желаемую степень детальности представления земной поверхности. Полевые геодезические работы для получения информации о рельефе отличаются большой трудоемкостью и низкой производительностью. Наземное лазерное сканирование обеспечивает избыточную детальность и информативность о рельефе, но при использовании этой технологии съемке подлежит небольшой по сравнению с аэросъемкой участок местности. Таким образом, для создания ЦМР больших по площади территорий рациональнее использовать лидарные съемочные системы, позволяющие с достаточной плотностью получать данные (точечную модель) о «чистой земле». Одним из преимуществ этого метода сбора информации о рельефе является его оперативность, а значит, данные о подстилающей поверхности с момента их сбора до момента построения ЦМР не успевают устареть.

Получение и использование данных воздушного лазерного сканирования для построения ЦМР связано со следующими особенностями лидарной съемки:

- Обычно совместно с воздушным лазерным сканированием производится аэрофотосъемка местности;

- Точки лазерных отражений на краях полосы сканирования клиновидно сходятся (рис. 1), что связано с движением носителя;

- При увеличении угла сканирования плотность точек лазерных отражений уменьшается от оси маршрута к краям полосы сканирования (рис. 1), так как увеличивается расстояние до объекта сканирования и время прохождения зондирующего сигнала;

- Современные системы лазерной локации позволяют производить лидарную съемку с различной высоты (от 500 м до 5 000 м), что в свою очередь влияет на плотность лазерных точек;

- Плотность точек лазерных отражений зависит от технических

параметров лидара;

- Зондирующий сигнал, падающий на поверхность озер, рек, морей и других водных объектов, не возвращается или дает информацию об объектах, которые не существуют;

- При лидарной съемке объектов, имеющих сложную форму, возможно появление ложных лазерных точек на

продолжении линии распространения отраженного луча [1];

- Зондирующий сигнал способен проникать сквозь кроны деревьев и, отражаясь от поверхности земли, давать информацию о ней;

- Воздушное лазерное сканирование (без аэрофотосъемки) можно проводить ночью, что является преимуществом при съемке урбанизированных территорий, т. К. В ночное время городская жизнь «приостанавливается», что позволяет получать более достоверную информацию о рельефе;

- С помощью gps и imu - систем, устанавливаемых на летательное судно вместе с лидаром, возможна высокая точность определения траектории полета носителя (его абсолютные геодезические координаты определяются с точностью 0,03-0,10 м; скорость движения - с точностью 0,005 м/с; крен и

о о

тангаж - 0,004 ; курс - 0,008 ) [1, 2].

Информационная ценность данных лазерной локации определяется [1]: средним количеством лазерных точек на единицу поверхности, равномерностью распределения точек, доминирующей ориентацией зондирующего луча, программным продуктом (ПП) для обработки лидарных данных и др. При построении ЦМР особо важное значение имеют плотность точек лазерных отражений и качество используемого ПП. Поэтому цель данного исследования заключалась в определении зависимости точности создания ЦМР от плотности точек воздушного лазерного сканирования с использованием программного продукта TerraSolid, поскольку этот 1111 известен во многих странах мира и обладает широкими возможностями по обработке GPS и IMU - измерений, данных воздушного, мобильного и наземного лазерного сканирования, а также материалов аэрофотосъемки. Моделирование рельефа выполнено по данным лидарной съемки участка территории Ниагара площадью 2 км2 с преимущественно равнинным характером рельефа.

Рис. 1 . Распределение точек лазерных отражений при лидарной съемке

На первом этапе создания ЦМР произведена классификация точек лазерных отражений. Данную операцию в 1111 TerraSolid можно выполнить в интерактивном, автоматическом или комбинированном режиме. При проведении исследования для классификации точек использовался комбинированный режим. Сначала все точки лазерных отражений в автоматическом режиме классифицировались на точки, принадлежащие «чистой земле» и не принадлежащие ей. Для автоматической классификации точек лазерных отражений задавались следующие параметры: максимальный размер стороны здания; предельный угол наклона рельефа относительно горизонтальной плоскости; дистанция приближений (расстояние, через которое анализируется принадлежность точек элементарного участка к классу «чистая земля»); угол приближения, больше которого соседние элементарные участки земли не отклоняются относительно друг друга. В данном проекте использованы следующие параметры для обработки данных воздушного лазерного сканирования: максимальный размер стороны здания -250 м (измерен по аэрофотоснимкам); предельный угол наклона рельефа

о

задан 88, чтобы исключить из обработки точки лазерных отражений, принадлежащие стенам зданий и сооружений; в соответствие с рекомендациями фирмы-производителя 1111 Теп^оМ по обработке данных воздушного лазерного сканирования равнинных территорий дистанция

о

приближений задана - 1,4 м, угол приближения - 6. По окончанию автоматической классификации к лидарным данным подгружались аэрофотоснимки, полученные на данную территорию одновременно с воздушным лазерным сканированием. После синхронизации перемещения изображений в окнах с точками лазерных отражений и аэрофотоснимками визуально производилась оценка результатов автоматической классификации, которая показала, что часть точек, отнесенных в класс «чистая земля», не принадлежат ему. Так установлено, что из общего числа точек, отнесенных в класс «чистая земля», этому классу соответствовало 81 % точек, 18 % принадлежали водной поверхности, 1 % - крышам зданий, кронам деревьев и другим объектам. При помощи специальных инструментов корректировались результаты автоматической классификации точек лазерных отражений в интерактивном режиме. Количество точек, принадлежащих классу «чистая земля», и всех точек лазерных отражений на заданную площадь элементарных участков съемки представлено на рис. 2. Результаты комбинированной классификации показали, что 24 % от общего числа точек на всем исследуемом участке принадлежат истинной земле (рис. 3).

Рис. 2. Общее число лазерных отражений и принадлежащих «чистой земле»

Для исследования

а)

б)

ис

W ЬЛ*,,

»-AJr: Г"* '

rJ ■'*». ■'+

точности создания ЦМР на одну и ту же территорию в

зависимости от

плотности точек

воздушного лазерного сканирования создавались цифровые модели рельефа

методом TIN.

Плотность точек для построения ЦМР разряжалась искусственно, тем самым моделируя процесс лазернолокационной съемки

на постоянной высоте, с одним и тем же углом сканирования, неизменной скоростью движения носителя, одинаковой мощностью лазерного импульса и изменяющейся частотой зондирующего сигнала. Так как на данную территорию отсутствовала информация о координатах опорных точек, то изменение точности создания ЦМР оценивалось относительно самой «плотной» точечной модели, а значит и самой достоверной. Расхождения высот точек исходной (самой плотной) и менее «плотных» моделей были измерены интерактивно через каждые 100 м в характерных местах рельефа. В результате исследований получены средние отклонения координаты Z контрольных точек (по абсолютной величине) для моделей с различной плотностью лазерных отражений (рис. 4).

Рис. 3. Результат классификации точек лазерных отражений:

а - точки, принадлежащие «чистой земле»; б - все точки лазерных отражений, отнесенные к различным классам

Плотность точек ни км2

Рис. 4. Изменение точности создания ЦМР в зависимости от плотности точек

лазерных отражений

Из рис. 4 видно, что ошибка построения ЦМР, вызванная влиянием плотности точек лазерных отражений, изменяется незначительно в сравнении с погрешностью определения высот точек современными лидарными съемочными системами (15-20 см [3, 4, 5]), поэтому влиянием этой ошибки на точность построения ЦМР равнинной территории можно пренебречь.

Результаты исследования также показали, что программный продукт компании TerraSolid позволяет определять точки лазерных отражений, принадлежащие «чистой земле», в автоматическом режиме классификации с высоким показателем достоверности, что в свою очередь влияет на производительность выполнения процессов создания ЦМР.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Медведев, Е.М. Лазерная локация земли и леса [Текст] / Е.М. Медведев, И.М. Данилин, С.Р. Мельников //. - М.: Геолидар, Геокосмос; Красноярск: Институт леса им.

В.Н. Сукачева СО РАН , 2007. - 229 с.

2. Lite Mapper [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.igi-systems.com/

3. Официальный сайт компании Optech [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.optech.ca/

4. Официальный сайт компании Riegl [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.riegl.com/

5. Официальный сайт компании Leica Geosystems [Электронный ресурс] / Режим доступа: http:// www.leica-geosystems.com

© А.В. Антипов, 2010