Литература

Лазерная локация земли и леса

8.6. Системы картографирования реального времени

Термин «Системы Картографирования Реального Времени» (СКРВ) вызывает неоднозначное отношение со стороны различных представителей топографо-геодезического сообщества. Очень многие усматриваю в нем элемент пропаганды и рекламы, а не научно-техническую категорию. Мы, тем не менее, будем придерживаться этого термина, так как он верно отражает главное назначение и характер использования определенной категории современных цифровых аэросъемочных систем. Однако, мы согласны, что этот термин нуждается в некоторых уточнениях. Представим их.

Ответ на вопрос: «Что такое «Системы Картографирования Реального Времени?», начнем с указания на том, чем такие системы не являются. Итак:

  • это не «ГОСТированное» понятие; 
  • это не рекламный слоган.

Используемый термин предложен авторами и не претендует на то, чтобы быть частью единой и стандартизованной терминологии по топографо-геодезическим и геоинформационным дисциплинам. В тоже время, авторы категорически возражают, что этот термин носит исключительно рекламный характер. Как уже частично показано выше и как будет дополнительно показано ниже, все четыре слова в аббревиатуре СКРВ имеют конкретное содержание.

Еще несколько комментариев, уточняющих и конкретизирующих категорию СКРВ:

  • Такая система разработана первоначально в компаниях «Геокосмос» и «ГеоЛИДАР» и в настоящее время активно применяется на практике. 
  • Такие системы, как правило, подразумевают предельно конкретную совокупность аппаратных, программных и методических средств. Как уже неоднократно подчеркивалось выше, основными источниками данных в СКРВ являются авиационные аэросъемочные лидары, цифровые аэрофотоаппараты и системы прямого геопозиционирования. Сегодня уже можно утверждать, что и в области программного обеспечения и методологии СКРВ характеризуются устоявшимися схемами. 
  • Такие системы в своем развитии уже вышли из научно-исследовательской и опытно-конструкторской фазы. Сегодня это уже законченные промышленные образцы. Как следствие, СКРВ имеют вполне определенное экономическое содержание, сложилась цена на такие системы. 
  • Такая система по своей сути является аэросъемочной. 
  • И, наконец, главное содержание категории СКРВ: такие системы призваны решать следующую главную задачу: радикальная интенсификация работ по крупномасштабному топографическому картографированию.

Ниже будет показано, что функции СКРВ не сводятся исключительно к решению топографических и картографических задач. С использованием таких систем уже сегодня решаются многие задачи инженерной геодезии, экологии, таксации леса и др. Вообще, с использованием СКРВ возможно получение принципиально новых агрегатов данных, не имеющих аналогов в классических аэрогеодезических технологиях.

Несомненно, главный вопрос, возникающий при анализе СКРВ и их роли среди других современных геоинформационных технологий, может быть сформулирован следующим образом: Насколько радикальна предлагаемая интенсификация?

Естественно корректный ответ на этот вопрос возможен только при корректном выборе базы для сравнения. В качестве альтернативных классическим технологиям топографического картографирования могут рассматриваться

  1. Наземная топографическая съемка. 
  2. Аэрофототопография – фотограмметрия. 
  3. Радиолокация. 
  4. Космическая съемка.

В ходе изложения достоинства и недостатки, а также главные ограничения всех указанных выше базовых технологий топографического картографирования уже неоднократно обсуждались. Также многократно было заявлено, что все приведенные выше методы картографирования на самом деле относятся к своим экологическим нишам(!) и представляют разные аспекты общей задачи сбора и интерпретации геопространственных данных.

Следует отметить, что за последние 2–3 года заметной тенденцией стало использование космических данных ДЗЗ для обновления топографических карт и решения других задач геоинформатики.

Бесспорно, использование космических данных обладает рядом серьезных преимуществ, особенно, в части легкости и удобства доступа к архивным данным, оформление заказа на съемку той или иной территории и др. Успехи космических методов ДЗЗ даже способствовали распространению мнения, что применительно к топографо-геодезическим и геоинформационным задачам авиационные методы в ближайшее время будут полностью вытеснены космическими. Обсуждение этого важного вопроса выходит за рамки нашей книги. Отметим, тем не менее, что для подобных выводов, на самом деле, нет никаких оснований. Разумней было бы говорить не о вытеснении одной технологии другой, а о существенном перераспределении их функций и сфер приложений с учетом сегодняшних реалий. Отвлекаясь от чисто инженерного аспекта, обратимся к опыту стран с развитыми рыночными институтами. Статистика, которой мы располагаем, говорит, что соотношение потребностей и фактического «потребления» данных обоих видов существенно разняться:

  • Так, в России соотношение объемов используемых космических и аэросъемочных данных, примерно, втрое выше, чем в остальном цивилизованном мире. Т.е. Россия использует для топографо-геодезических и, вообще, для геоинформационных целей непропорционально много космических данных «в ущерб» авиационным. Этот феномен требует вдумчивого анализа. 
  • Во всем мире цифровая аэрофотосъемочная техника внедряется в реальное производство столь же активно, как и технологии, связанные с использованием спутниковых данных. Дискуссия о возможной конкуренции этих двух видов дистанционного зондирования там закончилась 5–7 лет назад и с тех пор не возобновлялась. Считается, что две технологии твердо обозначили свои существенно различные экологические ниши и в продолжение дискуссии нет особой необходимости.

Авторы не берутся дать исчерпывающее объяснение сложившейся ситуации, однако намерены поделиться с читателями некоторыми своими соображениями:

  • Представляется, что описанные явления, в значительной степени, проявление общего технологического отставания нашей страны, в том числе и в вопросах геоинформатики. В России наиболее востребованными на сегодняшний день являются работы, связанные с обновлением (не созданием!) топографических карт масштабов 1:25000 (и мельче). Эти работы, в основном, выполняются по материалам космической съемки, что, по нашему мнению, и привело к столь значительному росту их доли по отношению к аэросъемочным. 
  • В то же время, во многих странах аэросъемочные данные высокого и сверхвысокого разрешения, причем как в форме плановых, так и наклонных аэроснимков, в сочетании с данными наземной фотографической съемки используются для создания принципиально новых геоинформационных продуктов, не являющимися картами и планами в традиционном понимании. Речь идет о трехмерных текстурированных моделях реалистического вида, навигационных визуальных системах, «пиктометрических» моделях, данных форматов Cyber-City, Virtual Earth и т.п.  
  • Серьезные исследования по реальной точности геопозиционирования космических данных без использования наземных геодезических измерений не проведены. В этом смысле совершенно не обоснованными выглядят утверждения о возможности использования таких данных для обновления планов масштаба 1:5000 и даже 1:2000.       
  • Следует признать, что в нашей стране накоплен большой успешный опыт обновления топографических карт по космическим материалам. В основном такие работы связаны с выделением «твердых» контуров. Остается дискуссионным вопрос: в какой мере эти данные пригодны для создания, а не только обновления топографических карт и планов? И в частности, возможна ли практическая реализация стереофотограмметрического метода съемки рельефа и измерений по третьей координате? И если все-таки это возможно, то какова его точность и в каких случаях целесообразно его применение?  
  • Наконец, всем непредвзятым исследователям очевидно, что фотографическое качество аэрофотоснимков и соответственно возможность проведения дешифрирования несравненно выше, чем данных космического ДЗЗ.

Вопрос о роли и месте двух основных видов современного ДЗЗ, конечно, значительно глубже и заслуживает отдельного серьезного обсуждения.

Корректное сравнение в смысле исследования технологической интенсификации, которая достигается за счет применения СКРВ, возможно при использовании в качестве базы классической аэрофототопографической технологии, которая в свою очередь основана на использовании стереотопографического метода создания карт и планов (Лобанов, 1983, Книжников и др. 2004а, Серапинас, 2005).

С учетом представленных выше разъяснений, можно дать следующий ответ на поставленный выше вопрос о степени интенсификации работ по крупномасштабному топографическому картированию, достигаемому при использовании СКРВ: при корректном методе сравнения речь может идти об ускорении в разы и даже на порядки.

Иными словами, если при использовании традиционных аэротопографических технологий картографирование определенной территории в заданном масштабе могло потребовать месяц, то с использованием СКРВ эта же работа заняла не более нескольких дней. Подчеркнем, что и в первом и во втором случаях речь идет именно о всем комплексе работ, включая геодезические, аэро-съемочные и камеральные.

Технологическая основа систем картирования реального времени описана выше в разделе 8.1. Там же указаны основные источники данных для систем картографирования реального времени. Напомним, что их 3: лазерные локаторы, цифровые аэрофотоаппараты и системы прямого геопозиционирования.

Все три указанные выше основные источники данных, в равной мере символизируют и три, в значительной степени независимые технологии сбора и обработки геопространственных данных, соответственно – прикладную лазерную локацию, цифровую аэрофототопографию и современную инерциальную спутниковую навигацию. Каждая из этих технологий обладает самостоятельной значимостью в современной геоинформатике, но именно их синтез позволил появиться СКРВ.

Значительную роль в теории и практике СКРВ играет также ряд других базовых прикладных дисциплин и технологий, таких как:

  • цифровая фотограмметрия; 
  • геодезия; 
  • гравиметрия; 
  • математическая картография; 
  • в качестве отдельного направления сегодня уже можно выделить: методы математической (программной обработки) данных лазерно-локационной съемки совместно с цифровыми аэрофотосъемочными данными.

С учетом вышеизложенного можно представить следующие рекомендации по правильному толкованию термина «реальное время», входящего в определение СКРВ:

  • Было бы неправильно утверждать, что при практическом использовании СКРВ топографический план «рождается» сразу на борту самолета-аэросъемщика. По крайней мере, сегодня, это еще невозможно.  
  • СКРВ не отменяют ряд важнейших технологических процессов, такие как  камеральное дешифрирование и все другие процессы, связанные с созданием семантической составляющей карты. Представляется, что их в принципе нельзя отменить!  
  • Однако не будет преувеличением сказать, что важнейшим результатом применения СКРВ на практике является следующий факт: длительность цикла производства законченной рельефной части карты и выделения многих контуров географических объектов и ортофотомозаики (транформированных и геопривязанных аэрофотоснимков) сопоставима по продолжительности фазы аэросъемки. Иными словами, все данные, собранные за каждый аэросъемочный день, могут быть обработаны до начала следующего дня.

Обсудим еще раз важнейшие тенденции в развитии современных аэросъемочных технологий, определяющие успех практического использования СКРВ.

Рост производительности лазерно-локационных систем по годам

  • 1993 ALTM 1020 (5 кГц)  
  • 1997 ALTM 1025 (25 кГц)  
  • 2001 ALTM 3033 (33 кГц)  
  • 2002 ALTM 2050 (50 кГц)    
  • 2002 ALTM 30/70 (70 кГц)  
  • 2003 ALTM 3100 (100 кГц)  
  • 2006 ALTM 3100EA (100 кГц) – точность измерения наклонной дальности 2-3 см 
  • 2007 ALTM Gemini – более 100 кГц максимальная высота съемки 4000 м, возможность съемки на высоте 2000 м с максимальной производительностью.

Предполагается, что рост производительности авиационных лидаров продолжится.

Совершенствование алгоритмов селекции «лазерных точек» 

Селекция лазерных точек предполагает установление принадлежности каждой отельной точки или группы тому или иному морфологическому компоненту: поверхности рельефа, растительности, зданиям, ЛЭП и другим классам объектов.

Автоматическая селекция функционально связана с построением векторных моделей географических объектов. Успехи в совершенствовании алгоритмов селекции прямо сказываются в повышении степени автоматизации и следовательно производительности как самих лазерно-локационных систем, так и СКРВ, построенных на их основе.

На рисунках 140–142 приведены примеры использования лазерно-локационных данных в форме «интенсивности» отраженного сигнала. Было заявлено, что такие данные представляют собой по сути цифровые ортофотопланы в истинных геодезических координатах. С увеличением производительности воздушных лазерных локаторов можно рассчитывать на повышение разрешения на местности таких «квазиортофотопланов». Наличие такой информации позволяет выполнять многие дешифровочные работы без привлечения аэрофотоснимков, а также выполнять совместные анализ и обработку лазерных и аэрофотографических данных.

pic_140.jpg
Рисунок 140. Алгоритмы морфологической селекции позволяют в автоматическом режиме выделять многие классы объектов: поверхность земли, растительность, провода и опоры ЛЭП, здания и др.
pic_141.jpg
Рисунок 141. Селекция лазерных точек и распознавание объектов

pic_142.jpg
Рисунок 142. Совместная визуализация и обработка лазерно-локационных и аэрофотографических данных

Стереоскопическое представление лазерно-локационных данных

Большое значение имеет возможность автоматизации процедуры приведения лазерно-локационных, аэрофотографических и других видов данных дистанционного зондирования к единой геодезической системе координат. Возможность стереоскопического наблюдения данных всех видов, причем как раздельно, так и совместно, способствует повышению достоверности камеральных работ (рис. 143).

pic_143.jpg
Рисунок 143. Стереоскопическое представлении лазерно-локационных данных

Построение поверхностей истинного рельефа 

Выделение поверхности истинного рельефа с использованием алгоритмических процедур позволяет уверенно восстанавливать форму поверхности рельефа даже под густыми кронами деревьев, находящихся в фазе вегетации. Это позволяет значительно расширить границы применимости лазерно-локационного метода и СКРВ в целом. Необходимые пояснения и иллюстрации читатель может найти в журнале «Геодезия и картография», №8, 2006 г.

Значительные успехи достигнуты в последние годы как в повышении точности лазерно-локационного метода в целом, так и в повышении достоверности и общей информативности выходных топографических материалов. Так в 2006 году компания Optech – мировой лидер в области производства авиационных лидаров, предложила новые модели ALTM 3100EA и ALTM Gemini, обеспечивающие точности измерения наклонной дальности на уровне 3-5 см. Вместе с тем, современные алгоритмы выделения поверхности истинной земли и других важнейших топографических и структурных поверхностей и контуров позволяют добиться точности геопозиционирования этих поверхностей и контуров на уровне первых сантиметров, естественно при обеспечении достаточной плотности сканирования.

Немаловажно и то, что современные математические методы наряду с построением самих поверхностей и контуров позволяют получать статистические оценки точности и достоверности их пространственного положения. Примеры представлены на рисунке 144.

pic_144.jpg
Рисунок 144. Фрагменты цифровой модели рельефа, построенных по лазерно-локационным данным в программной среде ALTEXis

Аналитическая форма генерации и анализа ЦМР, позволяет добиться максимальной точности и достоверности. Впервые появляется возможность количественной оценки (в см!) точности восстановления рельефа. На рисунке 144 градациями красного тона представлены статистические численные оценки точности определения пространственного положения поверхности истинного рельефа. Области с более ярким красным тоном, соответствуют большим погрешностям определения пространственного положения поверхности рельефа.

На рисунках 145–147 показаны примеры использования «лазерной» ЦМР.

pic_145.jpg
Рисунок 145. Выделение рельефа под кронами деревьев по лазерно-локационным данным

pic_146.jpg
Рисунок 146. >Индикация «неблагополучных» фрагментов ЦМР (участки под густой растительностью с большим количеством пространственных шумов) и их автоматическое сглаживание (подавление шумов)

pic_147.jpg
Рисунок 147. Аналитическая генерация изолиний рельефа без артефактов

Данные методы аналитической обработки могут оказаться чрезвычайно полезными на практике. Такая возможность принципиально отсутствует, в случае если ЦМР получена стереофотограмметрическим или любым другим традиционным методом.

Использование «аналитического» подхода позволяет свести процедуры выделения структурных линий рельефа (breaklines) к классическим операциям Фурье и Вейвлет-анализа (Matheron, 1988, Данилин, Сведа, 2001) (рис. 148).

pic_148.jpg
Рисунок 148. Автоматизированное выделение структурных линий рельефа по лазерно-локационным данным

Весьма перспективным и все более активно применяемым на практике является совместное использование данных наземного и воздушного лазерного сканирования (локации) и цифровой аэрофотосъемки. Такой подход особенно эффективен при обследовании объектов, включающих сложные инженерные сооружения, например, электрические подстанции, нефтегазоперекачивающие станции и сооружения и др. (рис. 149–151).

pic_149.jpg
Рисунок 149. Цифровые трехмерные модели, построенные по результатам воздушной и наземной лазе-рнолокационной съемки и цифровой аэрофотосъемки

pic_150.jpg
Рисунок 150. Варианты визуализации цифровых моделей рельефа и различных объектов по лазерно-локационным данным

pic_151.jpg
Рисунок 151. ГИС-представление аэросъемочных и лазерно-локационных данных

Заканчивая обсуждение вопросов, связанных с разработкой и практическим внедрением СКРВ, повторим содержание главы кратко, в тезисном изложении:

  • «Лазерная» ЦМР – заслуживающий доверие объект, с абсолютной геодезической точностью не хуже 15 см. 
  • «Локальная» точность такой ЦМР и важнейших контуров и точек даже выше – иногда 5–7 см. 
  • Генерация ЦМР сегодня – рутинный процесс. Автоматизированы практически все главные технологические операции, как на этапе сбора, так и на этапе обработки. Но в то же время геоинформационная ценность «лазерной» ЦМР очень велика. 
  • Цифровая аэрофотография самое уместное дополнение лазерным данным как средство камерального дешифрирования. 
  • ЛИДАР и цифровой аэрофотоаппарат – два независимых источника геопространственных данных с сопоставимым уровнем точности. Это обстоятельство можно использовать для взаимного контроля этих двух видов аэросъемочных данных. 
  • Наличие лазерных и навигационных (GPS+Инерциальных данных) позволяет «оптимизировать» классический цикл фотограмметрической обработки: Опознаки arrow.gif Блок (Маршрут) arrow.gif Соответственные точки arrow.gif Фототриангуляция arrow.gif Уравнивание arrow.gif Модельные координаты arrow.gif Геодезические координаты arrow.gif «Стереофотограмметрическая» ЦМР arrow.gifОртотрансформирование. 
  • «Оптимизация» есть полная автоматизация! 
  • Используемые методы сбора, обработки данных – только цифровые. 
  • От наземных геодезических работ по планово-высотному обоснованию можно полностью отказаться (но не от развития съемочной сети). 
  • Можно постараться отказаться от работ по полевому дешифрированию.

А также:

  • Все прочие достоинства Лазерной Локации! 
  • Все прочие достоинства Аэрофототопографии!

Перейдем к двум основным выводам:

Вывод №1: Все сказанное выше о системах картографирования реального времени позволяет дать окончательный ответ на давно поставленный вопрос:

Для чего нужна лазерная локация (лидары)?

Традиционные варианты ответов:

  1. Построение ЦМР. 
  2. Прогнозирование зон затопления. 
  3. Таксация леса. 
  4. Инвентаризация ЛЭП. 
  5. Оценка объемов горных выработок. 
  6. Мониторинг процессов эрозии береговой линии.  
  7. Прогнозирование лавинной опасности. 
  8. Создание цифровых топологических моделей сложных инженерных объектов и … многих других приложений.

Самый правильный ответ: Лазерная локация есть важнейший компонент Систем Картографирования Реального Времени – функционально полного и универсального средства создания и обновления топографических карт и планов в масштабах вплоть до 1:1000 (1:500)

Вывод №2: Лидарные и аэрофототопографические (фотограмметрические) технологии мирно уживаются внутри систем картографирования реального времени. Более того, они сотрудничают, взаимно обогащая друг друга. Поэтому: Попытки противопоставить друг другу лазерно-локационные и фотограмметрические методы абсолютно безосновательны.

Однако, с чисто практической точки зрения, можно утверждать, что лазерно-локационный метод создания и обновления карт включает в себя стереотопографический как подмножество. Поэтому – лазерно-локационный метод принципиально по всем позициям «сильней» стереотопографического.

P.S.: Читатели, которых заинтересовали положения и выводы настоящей главы по проблемам цифровой аэрофототопографии и СКРВ, могут получить более полную информацию в прилагаемом списке литературы и на Интернет- сайтах компаний «ГеоЛИДАР»: www.geolidar.ru, Геокосмос: www.geokosmos.ru и ГеоПОЛИГОН:www.geopolygon.ru.