Литература

Лазерная локация земли и леса

1.1. Содержание и общие принципы лазерной локации

Лазерная локация как прикладная дисциплина изучает вопросы использования так называемых лидаров (другое название «лазерные сканеры» или «лазерные локаторы») для проведения топографо-геодезической съемки. Представленное определение, на первый взгляд, слишком общее, чтобы серьезно помочь читателю в понимании сути такого нетривиального явления, как лазерная локация. Тем не менее, оно позволяет уже сейчас сформулировать несколько важнейших тезисов, усвоение которых крайне существенно для правильного восприятия всего дальнейшего изложения:

– Лидар как средство съемки и источник геопространственных данных есть самый значимый объект, изучению технических свойств и методов использования которого в лазерной локации уделяется центральное место.

Аналогичное явление наблюдается в топографо-геодезических науках и технологиях довольно часто, когда некоторый класс приборов выступает в роли «технолого-образующего», т.е. для некоторой законченной технологии съемки, в значительной мере формируя внутреннюю логику такой технологии, набор методических приемов, терминологию и, что наиболее важно, область потенциального практического приложения. В качестве примера можно привести классический теодолит или GPS приемник геодезического применения. И тот, и другой прибор (естественно, речь идет не о конкретном приборе, а о классе приборов, реализующих единую концепцию измерений) в свое время выступили именно как «технолого-образующего», породив технологии съемки, за которыми сегодня соответственно закреплены термины «теодолитная съемка» и «GPS съемка».

Однако значительно более близким к лазерной локации является другой пример. В той же самой мере «технолого-образующим» прибором является аэрофотоаппарат, который на протяжении всего 20-го века и вплоть до настоящего времени является основным источником сбора геопространствнных данных для целей создания и обновления топографических карт и планов всего масштабного ряда. Если продолжить использовать предложенную терминологию, то можно утверждать, что аэрофотоаппарат как главный источник данных породил целый ряд прикладных дисциплин, таких, как аэрогеодезия, аэрофототопография и в значительной мере фотограмметрия.

Что касается авиационных лидаров, то совокупный опыт их использования в топографии к началу 21-го века позволяет говорить о появлении принципиально нового лазерно-локационного метода съемки, который, с одной стороны, предлагает ряд инновационных решений, а с другой – является дальнейшим развитием классического стереотопографического метода, который до недавнего времени наиболее полно выражал концепцию использования аэросъемочных средств для целей топографического картирования.

– По своему главному содержанию лазерная локация есть технология топографо-геодезическая.

Иными словами, она предназначена, прежде всего, для сбора геопростра-нственных данных по рельефу, а также по наземным объектам естественного и антропогенного происхождения, подразумевая в качестве главной цели создание или обновление топографических карт и планов. Конечно, эта цель не является единственно возможной, а в некоторых случаях и неосновной. Более того, возможность использования лидаров для целей крупномасштабного топографического картирования в дополнение или вместо аэрофотоаппаратов была осознана сравнительно недавно. До этого считалось, что лазерно-локационные методы могут с успехом использоваться в целом ряде практически важных приложений, причем как топографической, так и нетопографической направленности. Среди таких приложений выделяются создание цифровых моделей рельефа, прогнозирование зон затопления, обследование воздушных линий электропередачи, таксация леса, мониторинг состояния береговой линии и земель.

Роль лазерной локации во всех перечисленных приложениях нисколько не уменьшилась в настоящее время. Вдобавок появилось еще много новых. Тем не менее, по нашему убеждению, это нисколько не меняет топографо-геоезического содержания лазерной локации. Действительно, лазерно-локационные данные принципиально всегда являются топографическими по своему семантическому содержанию, они также всегда однозначно определены в некоторой хорошо определенной системе геодезических координат с некоторым, также однозначно определенным уровнем точности. Приведенные приложения, естественно, нуждаются в доказательствах и комментариях, которые будут представлены ниже.

Признание топографо-геодезической сущности методов лазерной локации, ни в коей мере не препятствует обсуждать те ее приложения, которые по характеру выходных продуктов не могут быть прямо отнесены ни к геодезии, ни к топографии, ни даже к цифровой картографии. Вообще принята следующая схема классификации приложений лазерной локации:

  1. топографо-геодезические и землеустроительные;
  2. инженерно-изыскательские;
  3. лесоустроительные и лесотехнические;
  4. экологические;
  5. электроэнергетические;
  6. другие.

Еще раз подчеркнем: при определении типа приложения используют характер конечного выходного продукта, получаемого с помощью лазерно-лока-ционных методов, либо отрасль, в которой такой продукт потребляется. Тип приложения самым существенным образом влияет на выбор методов программной обработки накопленных лазерно-локационных данных. Тоже значительно, хотя и в меньшей мере, специфика приложения сказывается на первичных этапах сбора лазерно-локационных данных, таких, как выбор модели лидара, типа летательного аппарата и режимов съемки.

Следует также отметить, что термин «съемка» наиболее полно выражает процесс использования лазерно-локационной аппаратуры и методов на практике. Этот термин также выражает преемственность с другими традиционными топографо-геодезическими методами, такими, как теодолитная съемка, тахеометрическая съемка, мензульная съемка, аэрофотосъемка, а также уже упомянутые – теодолитная съемка и GPS съемка.

– На физическом уровне основой лазерной локации является использование полупроводниковых лазеров в качестве источника зондирующего излучения.

Во второй главе будут подробно разъяснены преимущества лазера как источника излучения, в сравнении с естественными (некогерентными) источниками излучения оптического диапазона и радиолокаторами, которые используют сходные с лидарами методы зондирования, но работают в радио, а не в оптическом диапазоне электромагнитного спектра. Основная функция лазера – генерация импульсного или непрерывного излучения, которое, отражаясь от поверхности земли или наземных объектов, может быть использовано для измерения дальности от источника излучения до объекта, вызвавшего отражение. По этой причине оптико-электронный блок лидара иногда называют дальноме-рным. Лазер, таким образом, является важнейшим функциональным компонентом оптико-электронного блока лидара, в который, кроме самого лазера, могут входить устройство развертки, коллиматор, объектив, приемник, усилители, дискретизаторы, а также другие оптические и электронные компоненты.

Здесь отметим также, что вторым важнейшим компонентом авиационного лазерного локатора наряду с оптико-электронным (дальномерным) выступает навигационный блок, работа которого основана на взаимодействии в реальном времени системы спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС и инерциальной системы. Более подробно по этому вопросу см. главу 2.

1.1.1. Перейдем к рассмотрению практических достоинств и недостатков лазерной локации. При этом оговоримся, что, во-первых, и достоинства и недостатки представлены в самой общей декларативной форме, так как читатель еще не располагает достаточными знаниями, чтобы воспринять их в полной мере осмысленно. И, во-вторых, речь идет не об абсолютных достоинствах и недостатках, которые, как известно, не возможны, а об относительных, т.е. выявленных в сравнении с другими общепринятыми методами. Вопрос о выборе корректной базы для сравнения достаточно сложен и будет неоднократно обсуждаться в дальнейшем ходе повествования, а пока оговорим, что здесь в качестве такой базы выбраны классические аэрофототопографические методы съемки, предусматривающие использование аэрофотоаппаратов в аэросъемочном процессе и фотограмметрические методы камеральной обработки результатов съемки.

С учетом сделанных замечаний перейдем непосредственно к обсуждению достоинств и недостатков лазерно-локационного метода съемки.

Бесспорные преимущества лазерно-локационного метода.

1. Технологическая простота, короткий технологический цикл.

Здесь речь идет, конечно, об относительной простоте и относительной краткости технологического цикла по отношению к классическим аэрофотосъемочным технологиям. При реализации лазерно-локационных технологий целый ряд практически значимых материалов появляется через несколько дней или даже часов после завершения аэросъемочной части работ. Имеются в виду такие материалы, как совокупности (облака) лазерных точек, разделенные по их морфологической принадлежности (земля, растительность, поверхности водоемов, кровли зданий, провода ЛЭП и др.), цифровые модели рельефа, ортофотомозаика, а также многие контурные объекты и модели географических объектов в трехмерном представлении. Очень важно отметить, что все упомянутые материалы уже в момент возникновения полностью координированы, т.е. определены в некоторой заранее заданной системе геодезических или географических координат и в дальнейшем принципиально не требуется проведения никаких дополнительных мероприятий по координатной коррекции или преобразованию. Также важно то, что на практике подготовка всех этих материалов осуществляется в полевых условиях, в результате чего собственно камеральная фаза обработки начинается в существенно более подготовленных условиях, что, в свою очередь, также способствует сокращению технологического цикла.

2. Гарантии точности.

В большинстве случаев точность специфицируется на уровне 15 см по плановым и высотным координатам, причем специально указывается, что речь идет об абсолютной геодезической точности. Представленное определение нельзя признать безупречным, и вообще вопрос о реальной точности лазерно-локационного метода съемки достаточно сложен и подробно рассмотрен в главе 2. Однако сейчас главное не это. Важно то, что паспортное значение точности в большинстве случаев можно гарантировать лишь за счет формального соблюдения всех требуемых метрологических процедур, таких, как выбор благоприятного по GPS обстановке времени проведения аэросъемочных работ, выполнение выставочных и калибровочных процедур, соблюдение нормативных режимов полета и т.д. Иными словами, достижение паспортных значений геодезической точности выходных материалов есть рутинная процедура, требующая от персонала ответственности и добросовестности, но не изощренного профессионализма, родившегося на основе многолетнего опыта. Это одно из главных отличий лазерно-локационных и стереофотограмметрических методов измерений.

Что касается упомянутого значения геодезической точности в 15 см, то, конечно, следует признать, что эта точность не самая высокая из возможных. Большая точность при определенных условиях достижима даже аэрофотосъемочными методами, не говоря уже о наземных. Однако, во-первых, такой уровень точности является безусловно достаточным для чрезвычайно обширного класса приложений, в частности для создания топографических планов, вплоть до масштаба 1:1000 включительно. И, во-вторых, сравнение различных методов съемки только по одному критерию точности было бы некорректным без учета других параметров, таких, например, как производительность.

3. Отсутствие наземных геодезических работ по планово-высотному обоснованию при выполнении воздушной лазерно-локационной съемки.

Действительно, как будет показано в следующей главе, для обеспечения координатами лазерно-локационных данных используется так называемый метод прямого геопозиционирования, который реализует входящий в состав лидара навигационный блок. При проведении воздушной лазерно-локационной съемки принципиально отсутствует тот вид наземных геодезических работ, который в традиционной аэрофототопографии называется планово-высотное обоснование. Для правильной интерпретации и обеспечения координатами данных съемки нет необходимости выделять опознавательные знаки и определять их координаты. Понятно, что это обстоятельство значительно упрощает задачу, особенно в удаленных и труднодоступных районах.

Геодезическая поддержка лазерно-локационной съемки осуществляется сетью наземных базовых (референтных) GPS станций, которые располагаются равномерно в районе проведения аэросъемочных работ. Каждая базовая станция обслуживает территорию в окружности с радиусом 30–50 км и центром в точке стояния данной станции. Роль базовых станций абсолютно традиционна для всех наземных и воздушных методов дифференциальных GPS съемок. Базовые станции устанавливаются не непосредственно на территории объекта съемки, а в любом удобном месте.

С учетом изложенного выше, геодезическое обеспечение лазерно-локационной съемки сводится к следующим задачам:

    – выбор мест установки базовых GPS станций с учетом топологии объекта съемки;
    – обеспечение всех базовых станций пространственными геодезическими координатами в выбранной системе координат.

4. Высокая производительность.

Производительность лазерно-локационного метода чрезвычайно высока. На практике достигнута производительность съемки в 500–600 км за один аэросъемочный день для линейных объектов и в 500–1000 кв. км для площадных объектов. Приведенные цифры требуют корректной интерпретации, так как производительность, кроме всего прочего, зависит от заданных условий съемки, таких, как ширина полосы захвата, плотность (количество лазерных точек на единицу поверхности), и др. В той же самой степени производительность аэрофотосъемочных работ прямо зависит от заданного масштаба фотографирования. Тем не менее, как было отмечено выше, в случае лазерной локации практически эквивалентными оказываются производительность как собственно аэросъемочных работ, так и базовых процедур наземной обработки. Иными словами, темп сбора данных в основном соответствует темпу их обработки и, таким образом, приведенные оценочные значения производительности маршрутной и линейной съемки соответствуют уже выдаче во многом законченных топографических данных. Совсем не так обстоят дела в классической аэрофототопографии, где по вполне объективным обстоятельствам стадии аэросъемки и обработки могут разделять месяцы или даже годы.

5. Возможность работы в ночное время и в любое время года.

Эта возможность вытекает из того факта, что лидар является активным средством дистанционного зондирования, т.е. регистрирует собственное, а не отраженное солнечное излучение. По этой причине ничего (кроме, конечно, условий пилотирования) не меняется при использовании воздушных лидаров в ночное время. Понятно, что такая возможность также способствует увеличению общей производительности.

6. Чрезвычайно широкий спектр приложений.

Этот вопрос уже рассмотрен выше.

А теперь перейдем к недостаткам лазерно-локационного метода съемки. Фактически можно говорить только об одном безусловном недостатке, а именно:

Сильная зависимость от состояния атмосферы.

Признавая наличие этого недостатка, необходимо особо оговорить, что и здесь речь идет об относительном, а не об абсолютном недостатке. Следует понимать, что сильная зависимость от состояния атмосферы, т.е. невозможность проведения аэросъемочных работ в условиях дождя, тумана, дымки, низкой облачности, – это особенность всех средств дистанционного зондирования, работающих в оптическом (т.е. видимом ультрафиолетовом и инфракрасном) диапазоне электромагнитного спектра. Серьезными преимуществами в этом вопросе обладают только радиолокационные системы, работающие, как следует из их названия, в радиодиапазоне.

Кроме того, говоря о воздушных лазерно-локационных методах, можно было бы упомянуть о ряде существенных недостатков, вытекающих из динамического характера съемки (носитель постоянно находится в движении) и ограничений в доступных ракурсах съемки (носитель в основном находится над объектом съемки). Эти недостатки, конечно же, существенны, они также во многом ограничивают предельно достижимую точность метода. Однако их не следует считать недостатками именно воздушной лазерно-локационной съемки, так как они присущи вообще всем аэросъемочным методам.

Иногда упоминаются другие недостатки лазерно-локационного метода съемки. Однако мы не можем их безусловно признать, так как при ближайшем рассмотрении они оказываются не недостатками, а особенностями лазерно-локационного метода, которые, безусловно, должны быть учтены на практике, но прямо не ограничивают его информационных возможностей. Перечислим некоторые из таких особенностей:

  1. не всегда достаточный уровень точности для некоторых топографо-геодезических приложений;  
  2. дискретный характер данных;  
  3. снижение точности с увеличением высоты съемки;  
  4. ограничения по дальности (высоте) съемки;  
  5. опасность для органов зрения наземных наблюдателей.

Эти и другие особенности лазерно-локационного метода съемки будут подробно обсуждаться ниже.

1.1.2. Самые общие принципы работы воздушного лидара рассмотрим на примере прибора класса ALTM, выпускаемого канадской компанией Optech (рис. 1, 2).

ALTM-3100.jpg
Рисунок 1.Система дистанционного лазерного зондирования земной поверхности ALTM-3100: съемочный блок (справа), блок управления и архивации данных съемки (слева)Optech, 2007).

laser_scanner.jpg
Рисунок 2. Принцип работы воздушного лидара.

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 измеренное значение временного интервала позволяет определить расстояние (в терминах лазерной локации «наклонную дальность») от источника излучения до объекта. Кроме значения наклонной даль ости D, для каждого излученного импульса регистрируется текущее значение угла отклонения сканирующего элемента (зеркала, призмы, оптического клина). Величина этого угла позволяет однозначно определить направление распространения зондирующего луча («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 носителя навигационного комплекса, который обеспечивает непрерывное определение трех пространствен-ных координат положения сканерного блока X, Y, Z и трех углов его ориентации simbol_3.gifsimbol_4.gifsimbol_5.gif. Такой набор шести параметров пространственного положения и угловой ориентации в фотограмметрии называется элементы внешнего ориентирования. Принцип работы бортового навигационного комплекса основан на взаимодействии приемника спутниковой системы GPS и инерциальной системы.

В зависимости от типа лидара могут фиксироваться более одного (до пяти) 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 излу-ченного 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.

Таким образом, функциональная схема лидара в его нынешней форме не содержит никаких принципиально новых компонентов. В этом смысле с некоторыми упрощениями прибор можно было бы определить как «сканирующий лазерный дальномер с навигационным обеспечением». Все основные структурные компоненты, составляющие лидар, – сканерный блок, GPS, инерциальная система – всесторонне изучены и уже много лет 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 произошло в начале 90-х годов 20-го века, когда 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 (табл. 1).

Таблица 1. Показатели точности основных структурных компонентов типового воздушного лидара к началу 90-х годов 20-го века

Определяемый параметрИсточникТочность
Пространственные координаты носителяGPS8-10 см
Наклонная дальностьЛазерный дальномер10-15 см
Ориентация носителяИнерциальная система1-2 мрад. (ошибка позиционирования 15-30 см при высоте съемки 300 м)

С этой поры лазерная локация является не только как средство «дистанционного зондирования», но в большей степени как «фотограмметриеское средство». Последнее предполагает наличие гарантий точности геопривязки данных съемки и пространственных измерений. С появлением первых лидаров гарантии точности были представлены производителями и выражались в том, что специфицируемая точность лазерно-локационных данных составляла 15–20 см в абсолютных геодезических координатах.

1.1.3. Для правильного понимания содержания и значения лазерно-локационного метода съемки необходимо, прежде всего, понять характер поставляемых лазерно-локационных данных. В качестве наиболее общего понтия в литературе все чаще используют термин лазерно-локационное изображение, которое, однако, не является изображением в традиционном понимании этого термина. В настоящее время различают два основных вида лазерно-локационных данных и соответственно два основных вида лазерно-локационных изображений:

laser_scanning_picture.jpg
Рисунок 3.Типовое лазерно-локационное изображе-ние в дальномерной форме.

terrestrial_scanning_pictur.jpg
Рисунок 4.Типовое лазерно-локационное изображение в дальномерной форме, полученное методом наземого лазерного сканирования.

intensive_laser_scanning_pi.jpg
Рисунок 5.Типовое лазерно-локационное изображение в форме интенсивности.

Представим необходимые пояснения. Более корректно с нашей точки зрения говорить не о двух видах лазерно-локационных данных, а о двух формах представления, так как сами данные в обоих случаях одни и те же.

Иными словами, нет никаких отдельных приемов для получения одного из двух основных видов ЛЛ данных. Оба вида возникают одновременно и в тесной связи друг с другом. Поэтому более правильно говорить именно о формах представления, а не о видах.

Дальномерная форма представления соответствует распределению в координатном пространстве трехмерного облака лазерных точек. Термин лазерная точка используется здесь и в дальнейшем для обозначения единичного первичного лазерно-локационного измерения. Т.е. важнейшими численными параметрами, характеризующими каждую лазерную точку, являются значения пространственных координат XpYpZp в некоторой заранее заданной системе координат. Распределение лазерных точек образует пространственный образ объекта съемки, который доступен визуальному анализу, проведению пространственных измерений и применению вычислительных методов геоморфологического анализа. Такой образ и составляет то, что принято называть лазерно-локационным изображением в дальномерной форме.

Наряду с пространственными координатами точки объектового пространства, вызвавшего отражение лазерного импульса, современные лидары способны регистрировать интенсивность отраженного импульса I, т.е. значение энергии импульса, вернувшейся на приемник излучения. Забегая вперед, укажем, что эта доля зависит от многих факторов, среди которых двунаправленная спектральная отражательная способность объекта, фактическое значение дальности, величины пропускания, рассеивания и собственного излучения атмосферы и другие параметры. Однако с практической точки зрения важно то, что лазерно-локационное изображение в форме интенсивности по своим информационным свойствам чрезвычайно близко к естественным черно-белым фотографиям (аэрофотоснимкам в случае воздушного применения), что позволяет успешно использовать их для целей визуального распознавания объектов и камерального дешифрирования даже без привлечения традиционных аэрофотосъемочных данных.

Для того, чтобы закончить формальное описание лазерно-локационных данных, дополним уже введенный набор численных параметров XpYpZpIхарактеризующих каждую лазерную точку значением t– время регистрации данной лазерной точки. В результате у нас впервые появляется возможность формально определить такое понятие, как набор лазерно-локационных данных, а именно:

formula_1.png

где L – означает весь рассматриваемый набор лазерно-локационных данных,N – общее количество лазерных точек в наборе L.

Представленная форма соответствует самому простому случаю и в дальнейшем будет нами уточняться.