Литература

Лазерная локация земли и леса

1.6. Экономические аспекты применения лазерно-локационных средств

1.6.1. Вопрос об экономической эффективности использования аэросъемочных лидаров чрезвычайно актуален для компаний, планирующих их практическое использование. Сегодня серьезная аэрогеодезическая (аэросъемочная) деятельность, особенно в части крупномасштабного топографического картирования, уже немыслима без использования лидаров, и этот факт признан геоинформационным сообществом в России и в мире. Отказ от освоения лидарных (лазерно-локационных) технологий для компании, практикующей в области аэрогеодезии, грозит потерей значительной части рынка. Это положение особенно актуально в России, оказавшейся одной из самых активных стран в деле внедрения лазерно-локационных технологий в такие отрасли и виды деятельности, как геодезия в широком смысле (топография, инженерные изыскания, картография), землеустройство, электроэнергетика, транспорт, мониторинг лесов, экология, ликвидация последствий стихийных бедствий, и др. В России сегодня эксплуатируется 11 аэросъемочных лидаров, в то время как в мире всего их произведено не более 110-120 штук.

Однако аэросъемочные лидары дороги, причем имеет место существенное различие в цене приборов, предлагаемых различными компаниями. Кроме того, такой прибор предполагает наличие большего числа дополнительного оборудования (в частности цифровой топографической камеры) и программного обеспечения. В результате стоимость комплекта может составлять от 1 до 2 млн. долларов. Необходимо также иметь в виду, что начало эксплуатации такого прибора для типовой аэрогеодезической компании предполагает существенные организационные изменения. Опыт показывает, что аэросъемочный лидар, как главный источник информации, всегда провоцирует возникновение отдельной технологической инфраструктуры, включающей службу геодезической поддержки, аэросъемочную бригаду, а также бригады предкамеральной (полевой) и камеральной обработки данных съемки. Один аэросъемочный лидар в зависимости от рода деятельности компании требует от 10 до 50 специалистов, постоянно занятых его обслуживанием и обработкой получаемых данных.

С учетом вышеизложенного становится понятным, что принятие решения о покупке аэросъемочного лидара превращается в серьезную проблему. Причем если принципиальное решение о необходимости начала использования такого прибора сегодня принимается сравнительно легко (слишком очевидны технические преимущества лазерно-локационного метода съемки), то задача выбора конкретной модели лидара остается сложной, требующей тщательной технико-экономической проработки. В настоящем разделе намечены основные подходы к анализу экономического аспекта использования аэросъемочных лидаров и выработки критериев оценки экономической эффективности такого рода деятельности.

1.6.2. Российская традиция требует при проведении экономического анализа нового прибора или метода, прежде всего, сравнивать его с существующим аналогом. Это позволяет оценить экономическую целесообразность внедрения, объем дополнительных дивидендов и сроки возмещения затрат, связанных с внедрением.

Применительно к аэросъемочным лидарам и связанными с ними технологиями лазерно-локационной съемки описанный выше подход не может быть применен непосредственно.Требуется введение целого ряда уточнений, связанных с особенностями этой технологии, а именно:

  1. В наиболее общем смысле лазерно-локационный метод не имеет прямых аналогов. Это не значит, что его нельзя сравнивать с традиционными методами топографической съемки (теодолитной, тахеометрической, GPS), классическими аэрофототопографическими методами (стереотопографическим методом) и космическими методами дистанционного зондирования. Такие сравнения проводятся как на техническом, так и на экономическом уровнях. Они приводят к следующим выводам:
    • авиационная лазерная локация занимает отдельную технологическую нишу по отношению ко всем наземным и космическим методам съемки, и в этом смысле не может рассматриваться аналогом по отношению к ним. Иными словами, использование наземных и космических методов в качестве базы экономического сравнения с прикладной лазерной локацией не является корректным; 
    • наиболее близки к лазерной локации классические аэрофототопографические методы, которые иногда называют аэрофотосъемочными или фотограм-метрическими. Более корректно в соответствии с ГОСТ называть эти методы <стереотопографическими>. Здесь речь идет об авиационных методах съемки с использованием аэрофотоаппаратов, фотограмметрических методов построения контурной части карты (плана) при доминировании камерального дешифрирования над полевым. Однако и в этом случаеиспользование классического аэрофототопографического метода в качестве базы экономического сравнения с лазерной локацией не является безусловно правильным (хотя последние 5-7 лет многие в США и Европе именно так и поступают). Такое сравнение имеет смысл с технической точки зрения, но никак не с экономической. Дело в том, что сегодня уже считается общепризнанной необходимость совместного использования авиационного лидара, цифрового аэрофотоаппарата и системы прямого геопозиционирования как единого комплекса базовых средств сбора данных. Что касается этапа камеральной обработки и дешифрирования, то и здесь применяются специализированные программные средства, ориентированные на обработку лазерно-локационных данных совместно с классическими средствами цифровой фотограмметрии.

Очень важное экономическое обстоятельство, связанное с совместным использованием лидарных и аэрофотосъемочных технологий: при выполнении крупномасштабной съемки по комбинированному методу (масштабы 1:1000 - 1:5000, высоты съемки до 1000 м) стоимость аэросъемочного лидара и стоимость цифрового метрического аэрофотоаппарата соотносятся как 10:1 или даже 15:1. Имеется в виду случай, когда возможно и целесообразно использование среднеформатных метрических камер с матрицами емкостью порядка 22 мегапикселей (например, типа Rollei Metric). Поэтому использование комбинированного метода съемки с использованием как лидаров, так и цифровых аэрофотоаппаратов не приводит к сколько-нибудь заметному удорожанию технологии сбора данных по отношению к методу, который использует один только лидар.

Все вышесказанное свидетельствует в пользу того, что с экономической точки зрения лазерная локация не является ни аналогом, ни альтернативой классическому аэрофотосъемочному (стереотопографическому, фотограмметрическому) методу. Правильнее говорить о взаимном дополнении этих двух технологий. Поэтому в настоящее время ни одна из существующих геодезических и аэрогеодезических технологий не может рассматриваться в качестве базисной для проведения корректного экономического сравнения с прикладной лазерной локацией.

  1. Сравнение экономических показателей двух технологий возможно только тогда, когда сравнимы их выходные продукты. В случае с лазерной локацией и традиционными методами съемки это сделать затруднительно по следующим причинам:
    • во всех случаях, когда речь идет не о материальном, а о информационном продукте, что само по себе составляет некоторую трудность для анализа. Информационные продукты труднее сравнивать между собой из-за того, что в каждом конкретном случае необходимо конкретизировать такие категории, как полнота, точность, достоверность и актуальность. Лазерная локация как прикладная дисциплина существует только около 10 лет, и поэтому в этой области пока нет единства в подходах и терминологии описания выходных продуктов; 
    • область приложений лазерной локации чрезвычайно обширна. Поэтому, если сравнивать издержки на производство того или иного выходного продукта, приходится искать аналоги из совершенно различных областей. Такое сравнение выполняется по отдельным категориям продуктов, но не дает представление об экономической ценности лазерно-локационной технологии в целом;
    • строго говоря, до настоящего времени можно выявить только два всеми признаваемых <конечных продукта> лазерной локации: цифровые модели ре-льефа, трехмерные модели воздушных ЛЭП. Здесь речь идет только о продуктах, более или менее одинаково понимаемых различными представителями геоинформационного сообщества, т.е. продуктов, для которых возможна формализация их информационных характеристик (плотность сканирования, точность, ширина полосы съемки и т. д). Во всех остальных случаях лазерно-локационные данные являются элементом технологического цикла создания некоторого другого информационного продукта (наиболее важный пример - топографический план, либо подробная трехмерная модель сложного инженерного объекта). Т.е. информационных продуктов, которые хотя бы по формальным основаниям могли бы использоваться в качестве объекта сравнения с традиционными аэросъемочными методами, не так много.
  2. Значительно проще сравнивать аэросъемочные лидары и геоинформационные технологии на их основе между собой. Здесь можно предложить сравнительно простые и убедительные критерии как технического, так и экономического сравнения, допускающие численные оценки. Однако и в этом случае сказывается влияние многофункциональности лазерно-локационного метода. Для проведения корректного сравнения приходится выделять отдельные технологические ниши, т.е. в значительной степени конкретизировать условия, по которым сравниваются два прибора или две методики съемки. Такой подход сразу же вынуждает делить лидары на универсальные и специализированные. Первые применимы практически для любых приложений лазерной локации (таких лидаров в настоящее время только два: Optech ALTM 3100 и Leica ALS-50), а вторые - только для некоторых. Естественно, первые значительно дороже вторых.

С учетом сказанного экономический анализ целесообразности приобретения того или иного лидара в значительной степени определяется не только техническими свойствами самого прибора, но и коммерческим диапазоном компании, планирующей покупку.

1.6.3. Как отмечено во введении, результаты ЛЛ съемки могут использова-ться на различных этапах производства топографических карт и планов. Наиболее широко применяемым на практике в настоящее время является использование ЛЛ данных для создания Цифровых Моделей Рельефа (ЦМР) - в англоязычной  литературе Digital Terrain Model (DTM). Этот аспект применения ЛЛ систем является наиболее изученным, в том числе и с экономической точки зрения. Это позволяет корректно в стоимостном отношении сравнивать ЛЛ методы с другими средствами авиационного и космического дистанционного зондирования применительно к задачам съемки рельефа. Результаты такого сравнения представлены на рисунке 11.

pic_11.png
Рисунок 11. Стоимость топографического картографирования с использованием различных средств авиационного и космического дистанционного зондирования

Как отмечалось выше, роль ЛЛ методов применительно к задачам производства топографического материала можно трактовать более широко, расс-матривая их как дальнейшее развитие стереотопографического метода вообще. Однако провести корректное сравнение технологий на этом уровне в настоящее время не представляется возможным.

Из рисунка 11 видно, что лазерная локация как средство съемки трехмерных сцен занимает принципиально отличную технологическую нишу по отношению к таким технологиям, как стереосъемка с использованием РЛ бокового обзора с синтезированной апертурой, а также радиолокация и сканерная космическая съемка. Значительно более близкой по своим технико-экономическим показателям является интерферометрическая РЛ съемка. Однако анализ литературы показывает, что этот метод съемки ни при каких условиях не позволяет достичь точности по вертикали лучше 1 м, в то время как ЛЛ методы обеспечивают значительно более высокую точность. Кроме того, удельная стоимость квадратного километра в случае ЛЛ съемки значительно выше, т.к. такая съемка, как правило, проводится с меньших высот и следовательно требует большего объема авиационных работ.

Главный результат проведенного экономического анализа состоит в том, что только аэрофототопографические методы реально могут рассматриваться в качестве конкурирующей технологии при прогнозировании рыночных перспектив ЛЛ метода съемки для производства картографической продукции.

Информация по основным техническим параметрам ЛЛ аппаратуры, коммерчески доступной в настоящее время, показана в Приложении 2. Сравнивая технические возможности моделей ЛЛ аппаратуры, предлагаемых различными производителями, можно отметить следующее:

  1. точность определения наклонной дальности (и соответственно высотной координаты) большинство производителей специфицируют на уровне 10-15 см, а точность определения плановых координат - на уровне 1/1000-1/4000 от высоты полета. Т.е. провести реальное сравнение моделей по такому важнейшему показателю, как точность, используя только данные производителя не представляется возможным;
  2. большинство производителей используют в качестве излучателей полупроводниковые лазеры, работающие в видимом диапазоне или в ближнем инфракрасном диапазоне до 1100 нм. Такие лазеры относятся к 4-му классу, т.е. к самому небезопасному в смысле возможного ущерба зрению. По этой причине минимально допустимая высота полета для ЛЛ, использующих такие модели лазеров, составляет, как правило, 300-500 м. Имеются и исключения, например, лазерный сканер Falcon, выпускаемый германской компанией TopoSys, который использует лазер с рабочей длиной волны 1.56 мкм. На такой длине волны ограничения на минимально допустимую высоту практически отсутствуют. Однако выбор такого типа лазера значительно ограничивает возможности применения из-за крайне высокой степени зависимости от состояния атмосферы;
  3. во всех доступных на рынке моделях локаторов используется механическая система развертки с помощью зеркала, призмы или оптического клина;
  4. по такому важному параметру, как частота зондирующих импульсов, определяющему производительность и следовательно стоимость аэросъемочных работ, ведущие фирмы-производители предлагают приборы с частотой 50-100 КГц. Как указано выше, переход на большие частоты затруднен без изменения принципиальной оптической схемы сканерного блока.