Литература

Лазерная локация земли и леса

5.3. Общие вопросы информационной ценности лазерно-локационных данных

Как уже неоднократно отмечалось, ЛЛ данные представляют собой совокупность или «облако» лазерных точек. Это обстоятельство позволяет предложить следующий подход к исследованию вопроса информационной ценности ЛЛ данных в целом, а именно – необходимо, во-первых,  рассмотреть вопросы информационной ценности отдельной лазерной точки, а во-вторых, информационные характеристики распределения лазерных точек по поверхности сцены, определяемые режимом сканирования и условиями выполнения аэросъемки.

Информационная ценность каждой отдельной лазерной точки определяется следующими условиями:

  1. точность пространственных координат; 
  2. эффективная ширина пятна; 
  3. номер отражения в серии (первое, последнее, промежуточное); 
  4. семантическая определенность.

Первые два условия уже неоднократно обсуждались и еще раз будут обсуждены в следующем параграфе. Важность этих условий для определения информационной ценности очевидна. Перейдем к обсуждению следующих двух условий.

Обсудим такой важный параметр, как семантическая определенность лазерной точки. В первой главе этот вопрос уже обсуждался, когда проводилось сравнение лазерной локации с традиционными методами наземной топографической съемки. Там же было показано, что, в отличие от традиционных методов съемки, семантическая ценность различных лазерных точек, покрывающих некоторую сцену, принципиально различна.

Обратимся к рисунку 47. Здесь представлены типовые примеры лазерных точек, попавшие на различные компоненты сцены.

pic_47.png
Рисунок 47. К вопросу о различии информационной ценности лазерных точек

Информационная ценность лазерной точки попавшей на столб (ствол), чрезвычайно высока. Всего одна такая точка однозначно определяет плановое положение всего географического объекта. Также высока ценность точек, попавших на провода ЛЭП. Три таких точки позволяют построить параболу, которая точно определит пространственное положение всего провода. Другие примеры, иллюстрирующие различие в информационной ценности, – точки на боковых поверхностях (стенах) здания и пара точек, FIRST–LAST полученных  вдоль одной линии визирования. В силу строгой вертикальности расположения ограждающих конструкций зданий лазерные точки, попавшие на стены, сразу определяют контур здания. Еще более содержательной является первая точка в паре FIRST–LAST. Каждая такая точка определяет пространственное положение кромки здания. Причем определение происходит с точностью метода, т.е. 15–20 см. Существенно менее информативны точки, отраженные от поверхности земли и растительности. Для их правильной интерпретации необходимо применение специальных математических методов, которые позволят их надежно классифицировать, т.е. с некоторой степенью достоверности определить, действительно ли эти точки относятся к этим классам объектов. После такой классификации по отобранным точкам необходимо перейти к геометрическим объектам, адекватно описывающим форму соответственно поверхности рельефа и растительности. Понятно, что существенно более неоднозначная задача по сравнению с такими хорошо определенными в геометрическом смысле объектами, как столб, провод иди здание.

Наконец очень малую ценность имеют лазерные точки, попавшие на крышу здания (если известно, что эта крыша плоская и строго горизонтальная).  Все эти точки имеют равное значение высотной координаты, а планиметрические координаты точек в данном случае вообще не несут никакой полезной информации.

По итогам обсуждения проблемы семантической значимости отдельной лазерной точки можно сделать следующие выводы:

  1. информационная ценность лазерных точек, составляющих ЛЛ изображение, неодинакова;
  2. информационная ценность определяется физическими условиями съемки, точностью пространственных координат, плотностью сканирования, размером пятна и т.п.;
  3. еще в большей степени информационная ценность каждой конкретной лазерной точки определяется ее семантической нагрузкой, т.е. отнесенностью к тому или иному морфологическому компоненту сцены – истинной земле, растительности, зданию, столбу, проводу и т.д.;
  4. значительную роль в определении информационной значимости ЛЛ данных играет программное обеспечение, позволяющее выполнять распознавание и геопозиционирование компонентов ландшафта и географических объектов по первичным ЛЛ данным.

Продолжим обсуждение вопросов информационной ценности ЛЛ данных. Рассмотрим распределение лазерных точек по поверхности сцены. Для количественного описания распределения можно предложить следующие характеристики:

  1. средняя плотность, т.е. среднее количество лазерных точек на единицу поверхности;
  2. равномерность; 
  3. доминирующая ориентация зондирующего луча. 

Рассмотрим эти характеристики отдельно.

  •  Средняя плотность лазерных точек. Измеряется, как правило, в точек/м2. Влияние этого параметра на общую информационную ценность ЛЛ данных почти очевидно.

На рисунке 48 приведены два примера, соответствующих двум крайним случаям выбора плотности сканирования.

pic_48.png
Рисунок 48. К вопросу о выборе достаточной плотности сканирования

В верхней части рис. 48 приведен пример недопустимо низкой плотности сканирования (для простоты рисунок выполнен в двумерной форме). Здесь изображается съемка морфологически выраженного рельефа ЛЛ методом. Из-за неверного выбора плотности сканирования построенная модель поверхности рельефа, существенно отличается от истинного рельефа. Отметим, что в случае, когда объектом съемки является поверхность рельефа, вопрос о выборе оптимальной плотности сканирования может быть формально решен на основании теоремы Найквиста–Котельникова, которая определяет необходимую частоту дискретизации (в данном случае плотности сканирования) в зависимости от ширины пространственного спектра поверхности рельефа. Однако при таком подходе трудность составляет тот факт, что во многих случаях пространственный спектр поверхности рельефа неизвестен, а наоборот, является целью исследования.

В нижней части рисунка 48 представлен пример избыточной плотности сканирования. Здесь пятна лазерных точек располагаются на поверхности сцены со значительным перекрытием. В большинстве случаев выбор такой плотности сканирования является неоправданным. При выборе плотности сканирования выше оптимальной не достигается существенного увеличения информативности лазерно-локационного изображения. В то же время существенно снижается производительность съемки.

Другой пример, характеризующий влияние плотности сканирования на результирующую информативность, представлен на рисунке 49. Этот пример соответствует одному из важнейших аспектов применения ЛЛ данных в топографии – использование ЛЛ данных для формирования контурной части карты (плана).

pic_49.jpg
Рисунок 49. Прорисовка контурной части карты (плана) по лазерно-локационным данным

В этом случае плотность сканирования и соответственно среднее расстояние между смежными лазерными точками определяет, как это совершенно очевидно, предельно достижимую точность планового контура. Это положение, безусловно, справедливо при выделении таких объектов, как дороги, реки и другие водоемы. Не столь строго действует это правило применительно к таким объектам, как здания или ЛЭП. Здесь из-за особенности морфологии таких объектов с использованием специальных математических приемов удается достичь точности определения плановых и высотных координат таких объектов выше среднего расстояния между смежными лазерными точками.

  • Равномерность. Вопрос равномерности распределения лазерных точек можно рассматривать в двух аспектах. Во-первых, почти всегда (при некоторых важных исключениях) стремятся добиться равномерной продольной и поперечной плотности сканирования. Это всегда справедливо в проектах топографической направленности. При использовании универсальных средств авиационной лазерной локации, таких, как ALTM 3100, этот вопрос почти всегда может быть однозначно решен путем выбора надлежащих условий выполнения аэросъемочных работ. Однако в некоторых случаях использование неравномерной поперечной и продольной плотности сканирования считается допустимой, если по физическим ограничениям лидара равномерную плотность обеспечить не удается, но данные даже с существенной неравномерностью представляют определенную ценность. Во-вторых, проблема равномерности связана с выдерживанием заданных условий выполнения аэросъемочных работ, прежде всего высоты и скорости.

В настоящее время нет официальных рекомендаций, определяющих требуемую плотность сканирования в зависимости от характера решаемой задачи. В таблице 13 приведены ориентировочные значения плотности сканирования при выполнении работ по топографическому картированию в различных масштабах по данным компании «Геокосмос».

Таблица 13. Типовые значения плотности сканирования
Масштаб создаваемой карты (плана) Плотность сканирования, точек/м2
1:2000 5
1:5000 2
1:10000 0.5

Приведенные в таблице значения следует понимать таким образом, что ЛЛ данные с указанным в таблице значением плотности сканирования могут быть эффективно использованы как для построения рельефа, так и для выделения контуров на требуемом уровне точности. Кроме того, обязательным является наличие геопривязанных цифровых аэрофотоснимков, которые используются совместно с ЛЛ данными для выделения контуров и дешифрирования.

  • Доминирующая ориентация зондирующего луча. Если, как в большинстве случаев, используется режим плоскостного сканирования, то доминирующая ориентация зондирующего луча определяется следующими двумя значениями: амплитудой сканирования, т.е. угловой шириной полосы съемки, и углом наклона сканирующего блока.

Иллюстрация этого положения изображена на рисунке 50 применительно к вопросу о наклоне сканерного блока при съемке леса.

pic_50.png
Рисунок 50. Характер распределения лазерных отражений от крон деревьев и поверхности земли при вертикальном (а) и наклонном (б) положении сканерного блока

Если лес разреженный (кроны деревьев не сомкнуты), то при использовании вертикального ре-жима съемки (а) значительное число лазерных точек будет достигать поверхности земли. Такой режим съемки наиболее удобен, если требуется за один проход получить ЛЛ изображение как истинной земли, так и растительности. Однако при таком положении сканирующего блока могут появиться трудности при восстановлении огибающей лесного массива из-за недостаточного количества отражений от крон.

При съемке той же сцены с использованием наклонного режима сканирования практически все отражения соответствуют верхней части крон. Это позволяет существенно повысить степень детальности восстановления огибающей и распознавания отдельных деревьев. Однако при таком режиме съемки практически отсутствуют отражения от земли, что делает невозможным прямое использование традиционной методики восстановления огибающей, явным образом опирающейся на данные по истинному рельефу. В этом случае необходимы дополнительные проходы над заданным маршрутом с вертикальным режимом сканирования.

Другие примеры, иллюстрирующие важность выбора надлежащих параметров ориентации зондирующего луча:

  1. съемка ЛЭП, когда за счет установки сканера в наклонное положение на 10–20° по направлению полета удается обеспечить получение как отражений от проводов и тросов, так и от опор и даже столбов;
  2. съемка плотно застроенных городских территорий. В этом случае необходимо обеспечить максимальную вертикальность распространения зондирующего луча с тем, чтобы исключить возникновение мертвых зон.