Комплекс ПНГК-1 предназначен для оперативного определения плановых координат и высот точек местности в движении и на остановках. Применяется при заблаговременной подготовке территории в топогеодезическом отношении и при оперативном навигационно-геодезическом обеспечении [3].
Решаемые ПНГК-1 задачи:
· определение координат и высот пунктов специальных геодезических сетей;
· определение координат и высот точек местности по маршрутам передвижения;
· обследование и восстановление геодезических сетей в перепланируемых районах;
· контроль геодезической привязки элементов обстановки.
Интерес к авиационным геодезическим лазерным сканирующим комплексам вызван рядом несомненных потенциальных преимуществ, которые эти средства могут обеспечить по сравнению с традиционной аэрофотосъемкой.
В статье представлен новый для российского рынка высокоточный комплекс лазерного сканирования земной поверхности FALCON II германской фирмы TopoSys, построенный на оригинальных технических решениях и обладающий уникальными потребительскими характеристиками. Аппаратно FALCON II состоит из трех функциональных блоков. Первый— измерительный— содержит многоканальный лазерный сканер LIDAR, цифровую авиационную фотокамеру (поставляемый опционно-линейный, т.е. оптический, сканер с зеленым, красным, синим и инфракрасным каналами) и инерциальную навигационную систему с GPS корректором. Второй— вычислительный— это специальный компьютер и третий— пульт оператора (рис. 1).
Рис.1. Состав и размещение комплекса FALCON II на борту
Элементы первого блока, чувствительные к нестабильности взаимного пространственного расположения монтируются жестко по отношению к друг другу на едином «навигационном» основании подобно астроинерциальным навигационным системам космических кораблей.
Для всесторонней камеральной обработки результатов сканирования фирмой поставляется программный комплекс TopPIT.
Оптоволоконный лазерный сканер LIDAR работает на длине волны 1560 Hм и обеспечивает измерение расстояний до «сцены» с погрешностью не более 2 см.
Существенно новым является то, что световые импульсы сканера поочередно передаются и синхронно принимаются им по двум отдельным «связкам», состоящим из127 оптоволоконных световодов каждая, в которых направления лазерных излучателей и приемников друг относительно друга строго фиксированы с общим углом раствора в14.3 градуса. Понятно, что такая жесткая «веерная» оптоволоконная конструкция имеет многочисленные преимущества по сравнению с обычными «зеркальными» системами, в которых пространственное качание лазерного луча задается вращающимся зеркалом [7].
В схему сканера дополнительно введен высокостабильный калибровочный контур, который позволяет убрать временные задержки и нестабильности как оптических, так электронных каскадов сбора дальномерной информации. В результате лазерный сканер комплекса воспринимает и обрабатывает до девяти возвратных сигналов от отражающих поверхностей сцены, находящихся на разных высотных уровнях. Это обеспечивает необычайно полную информацию для пространственной фильтрации поверхностей, т.е. отделения рельефа местности от рельефа растительного покрова и строений, на ней находящихся.
Частота следования световых импульсов в комплексе FALCON II составляет 83 гц. Высокий темп измерений приводит к многократному частичному перекрытию облучаемой на конкретном интервале времени зоны земной поверхности, т.е. к значительной избыточности коррелированных измерений. Это позволяет применять методы математической обработки отраженных световых сигналов, которые сходны по своим свойствам со случайными, что с успехом и выполняется компьютером комплекса и в последующей камеральной обработке модулями пакета. В результате достигаются чрезвычайно высокие точность, разрешение и стабильность работы комплекса.
Линейный сканер фиксирует цифровые изображения в четырех цветовых компонентах: красном, зеленом, синем и ближнем инфракрасном. Он построен с применением высококачественных оптической и светочувствительной систем, которые позволяют собирать данные даже в условиях плохой освещенности. Получение и накопление данных в красном, зеленом и синем каналах обеспечивает впоследствии реалистичное цветовоспроизведение (truecolor) деталей сцены, а данные красного, зеленого и инфракрасного каналов используются для получения синтезированных цветовых изображений [6].
Комплексирование и временная синхронизация прецизионного многоканального лазерного измерения дальности с высокоскоростной цифровой фото системой, имеющей кроме основных цветовых каналов ещё и инфракрасный канал, открывают комплексу новые широкие возможности обогащения и обработки информации, например, синтезирование цветовой кодировки высотных отметок рельефа, фильтрацию растительности и сооружений и т.д. Автоматический контроль экспозиции и диафрагмы устраняет необходимость в ручной настройке линейного сканера. Конечный продукт обработки данных сканирования— это точный ортотрансформированный снимок [5].
Инерциальная система и GPS приемник, работающий в дифференциальном режиме, обеспечивают непрерывное вычисление точных значений трех координат местоположения борта относительно базовой станции GPS и выбранной для проведения съемки местной или государственной системы координат, а так непрерывное определение компонент пространственной скорости движения борта и построение местной вертикали, необходимой для работы обоих сканеров и последующих многочисленных вычислений. Размещение двух сканеров и обоих навигационных средств на одной жесткой платформе привело к устранению громадного количества инструментальных погрешностей и нестабильностей и существенному упрощению вычислительных процедур [2].
Все перечисленные компоненты измерительного блока, управляемые встроенными в них процессорными средствами и вычислительным блоком, и его программным обеспечением, генерируют и обрабатывают измерительную информацию исключительно в цифровом виде. Это обеспечивает высокую степень автоматизации обработки информации ивысокую производительность, расширяя тем самым область применения комплекса по сравнению со стандартной аэрофотосъемкой на сканирование крупных площадей земной поверхности. Это обстоятельство чрезвычайно важно для понимания оснований высокой точности, надежности, быстродействия и информационной гибкости всего комплекса.
Упомянутые выше методические и конструктивные решения, принятые при создании измерительного блока, позволили специалистам компании TopoSys за короткий срок (всего три года) создать и успешно использовать в многочисленных практических работах, уникальный по разрешающей способности и точности воспроизведения ортопроекций надежный геодезический комплекс для точного сканирования земной поверхности и наземных объектов (лесной покров, городские строения, лини электропередач и т.д.). Основу этого успеха составило использование чрезвычайно высоких плотностей разнородных информационных потоков в контурах комплекса, что обеспечило получение громадных объемов избыточной информации, позволивших в результате её математической обработки достичь практически предельных характеристик воздушного сканирования земной поверхности (рис. 2, 3, 4).
Рис.2.Использование сканера для мониторинга деградации рельефа местности
Пульт оператора FALCON II отображает результаты автотеста аппаратуры, а также всю оперативную контрольно-измерительную информацию. Отображение осуществляется в режиме реального времени в удобном и легком для понимания виде, поэтому контроль рабочего прохода борта предельно прост.
Рис.
3 Сканы городского ландшафта по первому и последнему отражению.
Фильтрация растительности и выделение реального ландшафта
Рис.
4. Работа ортонормирующих программ.
На правом изображении убрана вертикальная стена здания и видна проезжая часть,
скрытая ранее впереди стоящим зданием
Монтаж и калибровка FALCON II на борту самолета или вертолета любого класса требует минимума механических и электрических соединений и занимает не более одного часа, поскольку все элементы первого блока собраны на жестком основании из углеродного волокна, а технологические настройки, произведенные на заводе, остаются неизменными при смене борта.
Комплекс предназначен для работы в условиях с минимальными ограничениями как днем, так и в ночное время. Естественными ограничениями являются присутствие облачности или тумана под бортом. При работе ночью невозможно получать снимки поверхности. Оптимальная высота при съемке— 1600 м над поверхностью земли выбрана как некий компромисс между такими требованиями проведения измерений от плохо отражающих поверхностей, как малого энергопотребления, высокой скорости измерений и наиболее вероятной высоты нижней кромки облачности в средних широтах.
Программный пакет ТорPITпозволяет обрабатывать результаты, полученные сканером LIDAR, линейным сканером и навигационными средствами, т.е. приемником GPS и инерциальной системой, а также строить и воспроизводить изображения. В ТорРIT входят и отдельные модули для анализа данных, планирования полетов и контроля качества и др. TopPIT позволяет производить:
· вычисление местоположения и пространственную ориентацию лазерной системы;
· преобразование цифровых массивов;
· создание цифровых моделей поверхности и рельефа местности (высот);
· создание достоверных ортоизображений.
Данные лазерного сканирования и навигационного местоопределения преобразуются модулем «XYZ-Coordinates» в любую систему координат. Этот массив точек сохраняется в текстовом или в двоичном формате. Цифровая модель поверхности в растровом формате получается путем сортировки данных массива точек по минимальному искажению. Используя координатную сетку (привязку) модуля TopPIT, можно получать растры различной ширины.
Модуль RGBI программы TopPIT создает ортотрансформированные снимки рельефа из одновременно произведенных снимков и данных, полученных лазерным сканером. Ортотрансформированные снимки рельефа получаются на основе цифровой модели поверхности земли (растрового изображения), данные которой берутся за основу для получения снимка местности. Цветные (в натуральных цветах и синтезированных) снимки с координатной привязкой производятся в масштабах от 1:2500 до1:10000.
Средства фильтрации по последнему эхо позволяют устранить растительность и объекты, чтобы получить цифровую модель рельефа. Существует несколько фильтров, которые могут быть выбраны в зависимости от вида приложения, динамики рельефа и т.д.[1].
Воздушные линии электропередач выделяются из результатов измерений, полученных системой FALCON II, с помощью интерактивной программы «HSL». Эта программа воспринимает массив точек по высотам, полученных лазерным сканером, и создает 3D векторы линий ЛЭП. Представление выходных данных возможно, как в стандартных форматах, так и в форматах, задаваемых пользователем.
В целом, не будет большим преувеличением сказать, что комплекс FALCON II— это своеобразное новое слово в аэрофотограмметрии, практически уникальная разработка, постоянно расширяющая сферу своего применения и количество пользователей.
Рецензенты:Есаулко А.Н., д.с.-х.н., профессор кафедры агрохимии и физиологии растений, ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет», г. Ставрополь;
Подколзин А.И., д.б.н., профессор кафедры агрономической химии и физиологии растений, ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет», г. Ставрополь.