Литература

Лазерная локация земли и леса

6.1. Основные параметры воздушной лазерно-локационной съемки и оптимизация режимов ее выполнения

Основные параметры, характеризующие процесс воздушной лазерно-лока-ционной съемки, приведены в таблице 15.

Таблица 15. Основные параметры воздушной лазерно-локационной съемки

Параметр Обозначение Единица измерения Ограничения
Скорость движения носителя V м/c Технические возможности носителя. Например для вертолета Ми-8 – 20–60 м/с
Частота сканирования f скан Гц – От 0 до 70 Гц.
– simbol_35.png x fскан<1000
Амплитуда (максимальный угол) сканирования simbol_35.png Град. – От 0 (режим профайлера) до ±25°. simbol_35.png . fскан < 1000
Высота съемки H м – Безопасность для зрения;
– возможности носителя;
– выбор значения дивергенции луча
Частота зондирующих импульсов F КГц – 33, 50, 70, 100 КГц;
– высота съемки

Приведенные параметры соответствуют аэросъемочным лидарам с зигзагообразным методом сканирования. Данные, представленные в столбце «Ограничения», соответствуют лидару ALTM 3100 компании Optech Inc. Таблица 15 содержит не все технические параметры, характеризующие съемку, а только те из них, выбор которых относится к компетенции аэросъемочной бригады и экипажа. В этом смысле они определяют именно процесс съемки. Кроме них, имеется еще обширное множество численных параметров, в той или иной степени характеризующих процесс работы локатора и информационную ценность собираемых данных, которые прямо не относятся к характеристикам съемки.

На рисунке 51 представлены основные геометрические соотношения, характеризующие распределение лазерных точек по поверхности земли при зигзагообразном методе сканирования.

pic_51.png
Рисунок 51. Основные геометрические соотношения распределения лазерных точек

Рассмотрим эти соотношения подробнее.

Как видно из рисунка и представленных формул, ширина полосы захвата W прямо пропорциональна высоте съемке H и тангенсу амплитуды сканирования.

Это понятное соотношение не требует специальных комментариев. Отметим только, что в приведенной формулеformula_69.png значение simbol_36.png соответствует полному углу сканирования. Иногда значение simbol_36.png определяют как максимальное угловое уклонение линии визирования (зондирующего луча) от линии визирования. В последнем случае величину амплитуды сканирования записывают в форме ±simbol_36.png'. Понятно, что величины simbol_36.png и simbol_36.png' связаны простым соотношением simbol_36.png = 2simbol_36.png'. Например, для ALTM 3100 максимальная амплитуда сканирования составляет 50° или ±25°.

Направление, соответствующее движению летательного аппарата вперед, обычно обозначается индексом X, а перпендикулярно этому направлению – индексом Y. Соответственно говорят о продольных (X) и поперечных (Y) геометрических соотношениях и параметрах. Значение Sx принято называть продольным интервалом сканирования. Как видно из рисунка 51, значение Sx соответствует максимальному продольному расстоянию между смежными линиями сканирования. Легко понять, что среднее продольное расстояние между соответствующими лазерными точками смежных линий сканирования вдвое меньше – 0.5 Sx. Из формулы Sx = V/fскан видно, что продольный интервал сканирования прямо пропорционален скорости движения носителя и обратно пропорционален частоте сканирования.

Величину Sy принято называть поперечным интервалом сканирования. Эта величина характеризует расстояние межу соседними лазерными точками в пределах каждой линии сканирования. Формула, определяющая значение Sy, несколько сложней Sy = 2Wfскан/F, т.е. поперечный интервал тем больше, чем больше ширина полосы захвата и частота сканирования, и меньше частота зондирующих импульсов.

Так же определяют понятия продольной и поперечной плотностей сканирования Dx, Dy соответственно как обратные величины к значениям интервалов сканирования: Dx  = 2/Sx, Dy = 1/Sy.

При определении Dx использован коэффициент 2, потому что, как было показано выше, среднее значение продольного интервала сканирования равно  0.5 Sx. Размерности величин плотностей сканирования – м_1.gif. Можно также определить категорию поверхностной плотности сканирования D, которая будет характеризовать среднее количество лазерных точек, приходящихся на единицу поверхности земли. Совершенно очевидно, что: D = DxDy. Размерность D – м_2.png.

На практике введенные значения плотности сканирования оказываются важнейшими параметрами, характеризующими информативность съемки. Ясно, что чем выше значение D, тем в общем случае выше степень подробности и больше объем информации, собираемый в процессе лазерно-локационной съемки для данной территории. С другой стороны, пропорционально увеличению D увеличивается потребное летное время – одна из важнейших составляющих стоимости работ.

Проведение воздушной лазерно-локационной съемки предусматривает решение следующих основных вопросов:

  1. выбор оптимального значения плотности сканирования D с учетом характера решаемой задачи;
  2. выбор режимов пилотирования с учетом технических возможностей летательного аппарата и квалификации экипажа. Правильный выбор режимов пилотирования, в свою очередь, должен обеспечивать: 
    • возможность стабильного выдерживания параметров высоты Н и скорости съемки V; 
    • максимальную точность прохождения аэросъемочных маршрутов;  
    • примерное равенство значений продольной Dx и поперечной Dy плотности сканирования. Это положение верно в большинстве случаев, но имеются некоторые исключения. Например, при съемке леса или линий электропередач иногда выбирают очень высокие значения поперечной плотности сканирования, значительно занижая продольную. Таким приемом достигается предельно плотное расположение лазерных точек вдоль линии сканирования, когда очень важно «не пропустить» некоторый тонкий объект, такой как ветвь дерева или провод.
  3. Учет необходимости обеспечения заданных режимов функционирования другой аэросъемочной аппаратуры, которая используется одновременно с лидаром. Например, если кроме лидара используется аэрофотоаппарат, необходимо при определении режимов съемки учесть следующие параметры: ширина поля зрения аэрофотоаппарата, требуемое значение интервала фотографирования для обеспечения фотограмметрического продольного перекрытия и другие параметры. Технические характеристики аэрофотоаппарата окажут влияние на выбор H, V и других параметров съемки.

Вообще выбор параметров выполнения аэросъемочных работ с использованием лидаров является нетривиальной задачей. Решение, как правило, является результатом оптимизации технических и экономических условий проведения съемки по одному или нескольким критериям. Могут использоваться различные критерии, но все они предполагают работу с некоторыми параметрами, характеризирующими те или иные результаты съемки и допускающими количественные оценки. Задача оптимизации в наиболее общей форме может быть сформулирована как достижение максимального значения одного из параметров при наличии количественных ограничений на значения других параметров. Например, необходимо обеспечить максимальное значение плановой точности лазерных точек при наличии ограничения на плотность сканирования D < 2 м_2.png. В некоторых сaлучаях подобного рода задачи могут быть решены чисто аналитически, в других случаях решение может быть найдено с привлечением аппарата динамического программирования или более сложных математических приемов.

Рассмотрим некоторые параметры, которые наиболее часто выступают в качестве аргументов при решении задачи оптимизации режимов выполнения лазерно-локационной съемки:

  • производительность, т.е. количество погонных или квадратных км, которые могут быть отсняты в единицу времени, например за один аэросъемочный час. Понятно, что так определенная величина производительности в общем случае обратно пропорциональна заданной плотности сканирования. Иными словами, чем меньше заданная величина плотности, тем большее количество километров можно отснять за равное время; 
  • точность. При выполнении задач оптимизации всегда разделяют  плановую и  вертикальную результирующую точности лазерных точек, так как ошибки, влияющие на эти две составляющие точности, имеют разную природу. Кроме того, в традиционной топографии всегда было принято специфицировать требования по точности плановых и высотных координат разными значениями; 
  • плотность сканирования. Этот параметр подробно описан выше; 
  • равномерность сканирования. Как правило, под равномерностью сканирования понимают обеспечение примерного равенства продольной и поперечной плотности сканирования, а также выдерживание заданных значений высоты и скорости съемки. Для оценки равномерности сканирования вводится набор специальных численных характеристик; 
  • высота съемки не более определенного значения. Необходимость использования такого параметра объясняется, прежде всего, вероятными погодными ограничениями. Как было показано выше, лазерно-локационная съемка невозможна в условиях облачности. Поэтому очень часто планировать аэросъемочные работы приходится «по фактической погоде» с учетом фактического значения высоты нижней кромки облаков; 
  • вероятность обнаружения объектов определенного класса, например ЛЭП, береговой линии. Это параметр, требующий чрезвычайно ответственного подхода при использовании его в качестве основного параметра оптимизации. Почти всегда достижение максимальной вероятности обнаружения того или иного объекта требует максимальных экономических затрат. Как раз в таких случаях необходимо наличие развитого математического аппарата, обеспечивающего априорные оценки вероятности обнаружения объекта той или иной морфологии при определенных условиях выполнения аэросъемочных работ; 
  • обеспечение фотограмметрического перекрытия аэрофотоснимков либо условий для использования другого средства авиационного дистанционного зондирования, например инфракрасного сканера, используемого одновременно с лидаром.

В заключение данного раздела отметим, что с формальной точки зрения оптимизация режима съемки подразумевает выбор параметров съемки V, fсканsimbol_36.png, H, F и др., в соответствии с одним или несколькими выбранными критериями.