Литература

Лазерная локация земли и леса

1.5. Концепция лазерно-локационного метода сбора геопространственных данных

С учетом сказанного выше, представляется уместным говорить о лазерно-локационном методе съемки, понимая под этим термином совокупность методических приемов, связанных с применением ЛЛ и сопутствующих средств в топографии и при проведении изысканий. ЛЛ метод составляют следующие тематические группы:

  1. исследование применимости ЛЛ средств съемки для той или иной группы объектов и сцен;
  2. вопросы организации аэросъемочного процесса и выбора оптимальных режимов работы аппаратуры в соответствии с некоторой заранее определенной целевой функцией;
  3. оценка точности и достоверности получаемых данных;
  4. обеспечение совместимости ЛЛ данных и их комплексирование с данными других видов дистанционного зондирования и результатов наземных измерений, а также обработка данных с целью их дальнейшего использования в различных тематических приложениях.

ЛЛ метод представлен выше в наиболее общей форме. Понятно, что все приведенные положения нуждаются в конкретизации применительно к условиям решаемой задачи.

Следует отметить, что на сегодняшний день возможности, предоставляемые традиционными методами воздушной и наземной топографической съемки, не в полной мере соответствуют современным требованиям по полноте данных, их точности и форме представления. Это утверждение, естественно, нуждается в пояснениях. Прежде всего, необходимо определиться по вопросу, какие группы пользователей заинтересованы в получении материалов такой съемки. И в России и за рубежом это прежде всего топографо-геодезические, землеустроительные, картографические, проектные, эксплуатационные и специальные организации различных отраслей, деятельность которых охватывает сбор геопространственных данных, проектирование и строительство различных объектов, а также их поддержание в безопасном и работоспособном состоянии. Другую большую группу пользователей составляют компании, занятые картографическим производством, созданием геоинформационных систем (ГИС) и кадастров землепользования. Указанные две основные категории пользователей различаются как по типу выходной продукции, так и по номенклатуре использу-емых в процессе производства аппаратных и программных средств.

Для правильного понимания характера проблем, возникающих при исполь-зовании данных топографических съемок в инженерных отраслях, необходимо также представить краткое описание современных технологий проектирования в этой области. Существенным является тот факт, что такие технологии, как правило, реализуются в виде прикладных программных пакетов, таких, как пакет AutoCAD компании AutoDeck или MicroStation компании Bently. Такие системы представляют реализацию концепции автоматизированного проектирования (Computer Aided Design (CAD) в зарубежной литературе).

Использование подобных систем значительно повышает как производительность, так и качество выполнения проектных работ, т.к., по сути, оперирует с математической моделью, включающей все значимые компоненты, имеющие отношение к объекту проектирования. Понятно, что каждый такой компонент (класс объектов) предполагает свою, учитывающую его специфику, форму представления (в частности векторную или растровую), а также требует решения ряда других чисто технических проблем, составляющих специфику реализации конкретной CAD системы. Однако решающей все же является возможность модельного представления объектовой среды, в которой ведется проектирование. Исключительная важность следования описанному модельному подходу при выполнении проектирования и математического анализа объясняется двумя главными обстоятельствами:

  1. модельное представление объектовой среды предполагает ее полную формализацию, что, в свою очередь, позволяет в полной мере использовать для отдельных ее компонентов многочисленные программы тематического анализа. Понятно, что наличие подобных возможностей в части использования прикладных пакетов значительно повышает качество работ такого рода;
  2. при последовательном проведении в жизнь модельного подхода, в частности при обеспеченности достоверными и полностью формализованными данными по рельефу и всей наземной инфраструктуре вдоль трассы проектирования или исследования, возможно использование чрезвычайно перспективных процедур топологического анализа. В этом смысле модельный подход хорошо согласуется с идеологией, реализуемой современными геоинформационными системами.

Использование CAD систем для проектирования сегодня является доминирующей тенденцией. Будет справедливо говорить, что требования к номенклатуре и точности топографических и нетопографических данных, собираемых в ходе аэросъемочного обследования, сегодня во многом определяются, исходя из необходимости их использования в CAD и ГИС системах. Только в этом случае результаты съемки могут считаться конкурентоспособными.

После представленного краткого анализа современного положения дел в области использования аэрофотосъемочных и наземных геодезических методов перейдем к описанию сущности предлагаемого в настоящей работе лазерно-локационного метода съемки и его сравнению с традиционными методами.

Как уже отмечено выше, решающим фактором, определившим успех ЛЛ методов, является технологическая простота сбора пространственных данных по подстилающей поверхности. По сути, при использовании ЛЛ методов можно говорить о возможности прямого измерения рельефа и многих классов наземных объектов как естественных, так и имеющих антропогенную природу. Точность геопозиционирования компонентов рельефа и наземных объектов по результатам съемки, равно как и точность всех геометрических измерений, составляет, как правило, 10-20 см, что позволяет использовать ЛЛ данные для создания и обновления топографических карт и планов практически всего масштабного ряда, вплоть до масштаба 1:2000.

С учетом того, что настоящая глава носит вводный характер, ограничимся лишь перечислением основных достоинств лазерно-локационного метода в сравнении с классическим стереотопографическим, дальнейшим развитием которого он является:

  1. производительность ЛЛ метода чрезвычайно высока. На практике достигнута производительность съемки в 500-600 км за один аэросъемочный день для магистральных высоковольтных ЛЭП и газопроводов. Во всех случаях в маршрутном режиме обеспечивается съемка всей ширины полосы отчуждения. Здесь следует отметить, что камеральная обработка результатов съемки при реализации ЛЛ метода, как правило, по продолжительности сравнима со временем выполнения авиационных работ, что позволяет выполнять такую обработку оперативно на месте проведения работ. Это, в свою очередь, позволяет эффективно контролировать качество съемки и при необходимости выполнять повторную съемку. Понятно, что подобная производительность значительно превосходит возможности традиционных аэросъемочных технологий, которые требуют сложной камеральной обработки, требующей значительного времени;
  2. ЛЛ метод не требует выполнения наземных геодезических работ по планово-высотному обоснованию результатов аэросъемки. Необходимость выполнения таких работ может составить серьезную проблему при реализации традиционных методов съемки, особенно для удаленных и труднодоступных районов;
  3. классические стереофотограмметрические методы в их аналитической или цифровой реализациях обеспечивают возможность проведения высокоточных измерений компонентов сцены. Однако с помощью таких методов не удается автоматизировать воспроизведение формы сложных инженерных объектов. Кроме того, из-за особенностей пространственного положения многих объектов их измерение стереофотограмметрическими методами в значительной степени затруднено, в результате чего точность измерения этих значений оказывается неудовлетворительной. В силу того, что ЛЛ метод реализует прямое измерение всех компонентов сцены, он является полностью свободным от указанных ограничений. Более того, программная обработка первичных ЛЛ данных позволяет достичь очень высокого уровня точности по этим параметрам, например, для стрел провеса проводов ЛЭП, - 5-7 см. В то же время ЛЛ измерение всегда создает пространственный образ объекта - <облако> лазерных точек, отраженных от поверхности объекта. Такое <облако> само по себе значительно облегчает визуальный анализ формы изображаемого объекта и позволяет выполнять все необходимые первичные геометрические измерения на базовом уровне точности метода, т.е. 15-20 см. Более важно то, что данные пре-дставленные в такой форме, могут быть эффективно использованы для программного анализа и построения векторных моделей, что по указанным выше причинам крайне существенно для реализации современных подходов проектирования и анализа;
  4. ЛЛ метод, в отличие от классических методов, в значительной степени свободен от сезонных ограничений, связанных с наличием листового покрова. Ниже будет показано, что ЛЛ измерения в большинстве случаев применимы к объектам, расположенным под кронами деревьев;
  5. без всяких ограничений возможно проведение ЛЛ съемки для сцен с отсутствующей или слабовыраженной текстурой поверхности - песчаных пляжей, заснеженных и водных поверхностей. Известно, что стереофотограмметрические измерения  таких сцен не возможны по причине невозможности установления соответственных точек в стереопаре. На практике подобные ландшафты встречаются достаточно часто.

Все приведенные в данном разделе положения, касающиеся содержания и преимуществ лазерно-локационного метода съемки, будут раскрываться и детализироваться в ходе дальнейшего изложения.