- •Часть 2
- •Предисловие
- •Глава 9. Методы цифровой фотограмметрии
- •1. Понятие о цифровом изображении
- •2. Характеристики цифрового изображения
- •3. Фотометрические и геометрические преобразования
- •4. Источники цифровых изображений
- •5. Стереоскопические наблюдения и измерения
- •6. Автоматическая идентификация точек
- •7. Фотограмметрическая обработка
- •1 . Внутреннее ориентирование снимков
- •2. Выбор точек и построение
- •3. Построение и уравнивание фототриангуляционной сети
- •8. Цифровая модель рельефа и ее построение
- •1. Способы представления цифровой модели рельефа
- •2. Фотограмметрическая технология построения цифровой модели рельефа
- •9. Ортотрансформирование снимков
- •2. Наблюдение и измерение цифровых изображений
- •3.Внутреннее ориентирование снимка в системе координат цифрового изображения
- •4. Создания цифровых трансформированных изображений.
- •5. Создание цифровых фотопланов.
- •6. Оценка точности цифровых трансформированных
- •10. Современные цифровые фотограмметрические
- •Контрольные вопросы
- •Глава 10. Методы инерциальной и спутниковой навигации
- •1. Координатные системы, используемые в инерциальной и спутниковой навигации
- •2. Инерциальные навигационные системы
- •1. Общие принципы инерциальной навигации
- •2. Базовые элементы инерциальных навигационных приборов
- •3. Инерциальные измерительные блоки
- •4. Обработка инерциальных данных
- •3. Спутниковые навигационные системы
- •1. Действующие и разрабатываемые снс
- •2. Основные компоненты снс
- •Орбитальная группировка
- •Наземный сегмент
- •Аппаратура пользователя
- •Дифференциальная подсистема (дпс)
- •3. Навигационные сигналы gps, глонасс и Galileo
- •Счет времени
- •Координатное обеспечение
- •Навигационные сигналы
- •4. Содержание и точность спутниковых измерений
- •5. Постоянно действующие и временные базовые станции
- •4. Интеграция инерциальных и спутниковых систем
- •1. Достоинства и недостатки навигационных систем
- •2. Фильтр Калмана
- •3. Элементы модели интеграции инс и снс
- •5. Опыт эксплуатации интегрированных навигационных систем при изысканиях
- •Контрольные вопросы
- •Глава 11. Метод аэрогеодезических работ
- •На основе
- •Воздушной лазерной локации
- •И цифровой аэрофотосъёмки
- •1. Принципиальные отличия и сфера применения метода
- •Этапы технологии выполнения
- •Лазерно-локационные и аэрофотосъемочные работы, выполняемые в ходе полевого обследования
- •1. Установка и наладка оборудования на борту
- •2. Геодезическое обеспечение аэросъемочных работ.
- •3. Производство измерений на борту
- •4. Контроль отсутствия пропусков в данных и требуемой
- •5. Вычисление траекторий и определение точности
- •6. Обработка комплексных данных лазерного сканирования.
- •7. Тематическая обработка
- •8. Обработка цифровых фотоснимков
- •3. Программный комплекс altexis
- •4. Основные возможности воздушных сканеров altm
- •Основные технические параметры
- •Общие параметры
- •Перечень программного обеспечения Программное обеспечение Назначение
- •Инструментальные средства лазерной локации
- •6. Лазерное сканирование и цифровая
- •Контрольные вопросы
- •Глава 12. Системы наземного мобильного лазерного сканирования
- •Особенности и преимущества наземных
- •2. Состав и отличие наземных мобильных
- •Системы мобильного картографирования от Topcon
- •Контрольные вопросы
- •Глава 13. Геоинформационное обеспечение территории города
- •1. Создание единого поля координатно-временной
- •2. Аэрофотосъемка со спутниковой навигацией и лазерным сканированием городской территории.
- •3. Создание планово-картографического материала
- •Концепция 3Dimage xyzrgb
- •Контрольные вопросы
- •Глава 14. Беспилотники – перспективное
- •2. Комплекс по производству цифровой аэрофотосъемки
- •Блок-схема технологии создания цифровых топографических планов по материалам афс и влс
- •Библиографический список
- •Глава 9. Методы цифровой фотограмметрии…………….....4
- •Глава 10. Методы инерциальной и
- •Глава 11. Метод аэрогеодезических работ на
- •Глава 12. Системы наземного мобильного
- •Глава 13. Геоинформационное обеспечение
- •Глава 14. Беспилотники – перспективное средство
- •Приложение № 1 Блок-схема технологического процесса создания
Контрольные вопросы
Что является основой комплексной технологии лазерной локации и цифровой аэрофотосъёмки?
Перечислите основные этапы выполнения лазерно-локационных аэросъёмочных работ?
Что входит в комплект аэрофотосъёмочного оборудования при выполнении комплекса работ по ЛЛ и ЦА?
В чём заключается геодезическое обеспечение аэросъёмочных работ для выполнения ЛЛ?
Из каких двух блоков состоит система лазерного локатора?
Какая информация используется для вычисления точных координат отражения импульсов лазерного излучения?
Что лежит в основе синхронизации лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъёмки?
Перечислите элементы полевого контроля выполнения ЛЛ и ЦА?
Назовите состав процессов камеральной обработки ЛЛ и ЦА?
Какую обработку аэросъёмочной информации позволяет выполнить программный комплекс ALTEXIS?
Какие параметры необходимо определить для калибровки комплексной аэросъёмочной системы ЛЛ и ЦА?
Что выполняется в ходе калибровочной процедуры?
В каких наиболее неблагоприятных условиях (с точки зрения аэрофотосъёмки) достигается наибольшая экономическая эффективность ЛЛ?
Какую дополнительную информацию позволяет получать регистрация до четырёх откликов для каждого зондирующего импульса лазера, кроме картографирования объекта?
Перечислите достоинства и недостатки ЛЛ метода съёмки?
Какие векторные пространства и вектора представляют общую схему компоновки бортового аэросъёмочного комплекса?
Каким образом определяются пространственные координаты сканерного блока?
С помощью какого устройства определяется угловая ориентация сканерного блока?
В какой системе координат работает навигационный компьютер?
Какие параметры необходимо определить для перехода от вектора, определяющего положение антенны, к вектору, который определяет положение точки центра сканирования в СК объекта?
Что определяет параметр – фаза сканирования?
В результате постобработки какими пространственными данными обеспечивается каждое первичное лазерно-локационное измерение?
Перечислите компоненты, входящие в уравнения связи, по которому выполняется расчёт координат всех лазерных точек?
Какие структурные компоненты входят в бортовой навигационный комплекс лазерного локатора?
Какова длина волны лазерного излучения и, какое обоснование такого выбора?
Что используется в современных лазерных локаторах в качестве основного оптического элемента развёртки?
В чём преимущества развертки с качающимся зеркалом?
Глава 12. Системы наземного мобильного лазерного сканирования
Особенности и преимущества наземных
мобильных систем
Используемое на западе название «системы мобильного картографирования» СМК является дословным переводом англоязычного термина «mobile mapping systems». Иногда также в западной литературе используется термин «mobile mapper». Его можно не вполне корректно перевести как «мобильный картограф». И в том и в другом случае используемые названия нельзя признать удачными, по крайней мере, они никак не вписываются в отечественную традицию, которая уже на уровне терминологическом четко разграничивает работы по топографо-геодезической съемке и по составлению карт. В нашем российском понимании это безусловно связанные, но ни в коем случае не тождественные виды деятельности.
Российские специалисты рассматривают СМК, как сложный топографо-геодезический инструмент, включающий в себя информационно-измерительные и вычислительные средства, самодвижущуюся платформу, а также совокупность программных и методических средств, предназначенных для выполнения топографической съемки земной поверхности.
Главной отличительной чертой СМК, как средства топографической съемки, является наличие в ее составе сканирующего лазерного дальномера (лазерного сканера), а также возможность работы в динамическом режиме, то есть в процессе движения платформы. Последнее обстоятельство существенным образом отличает методологию выполнения съемки СМК от съемки с использованием традиционных наземных лазерных сканеров в статическом положении. По этой причине в России существует ещё одно название – Мобильные Сканирующие Системы (МСС), которое подчёркивает динамический характер инструмента данной съёмки, в принципе, это название можно отнести как к наземному, так и к воздушному лазерному сканированию.
Создание наземных мобильных сканирующих систем является дальнейшим развитием технологии наземного лазерного сканирования за счёт фактической модернизации и внедрения основных элементов технологии воздушного лазерного сканирования (ВЛС), направленными на увеличение производительности, повышение качества и комфортности проведения полевых и камеральных работ. Только в качестве движущейся платформы здесь используются наземные средства передвижения: автомобили, железнодорожные дрезины и локомотивы, речные и морские суда, причем в современных моделях рабочая скорость движения платформы достигает магистральной скорости в 100 км/ч.
Сбор пространственной информации с помощью мобильного лазерного сканера был бы невозможен без интегрального объединения и совместной обработки трех потоков данных:
GPS —траектория движения платформы,
Position and Orientation System (POS) — угловая ориентация платформы,
LIDAR - дальномерных лазерных измерений.
Все виды данных подвергаются совместной обработке с помощью специального программного обеспечения, которое позволяет за счёт интеграции спутниковой и инерциальной навигационных систем (GPSIMU) достаточно точно получать элементы внешнего ориентирования сканерного блока на каждый момент времени, а затем и пространственные координаты точек ХР, УР, ZР снимаемых объектов и в конечном счёте получать трехмерные цифровые модели местности.
На рисунке 12.1 мы видим схему получения исходных данных и их обработку.
Б ортовой GPS приемник регистрирует траекторию движения автомобиля. GPS данные подвергаются дифференциальной коррекции на основе данных неподвижной базовой GPS станции. Спутниковые данные обновляются с частотой 2 - 20 Гц,
Инерциальная система обеспечивает измерение и регистрацию параметров угловой ориентации платформы. Инерциальные данные обновляются с частотой от 200 до 500 Гц, т.е. значительно чаще, чем спутниковые, но имеют дрейф;
Лазерные импульсы отражаются от поверхности земли, зданий, объектов инфраструктуры и др., регистрируются приемником излучения и преобразуются в цифровую форму.
Продольная развертка осуществляется за счет движения платформы.
Каждый из сканеров реализует развертку и при отсутствии препятствий обеспечивает получение съемочных данных в с радиусом, который доступен для данной модели, например до100 м (модель VI00), до 200 м (модель V200) или 300 м для системы StreetMapper 360.
Для того чтобы объединить отдельные «облака точек», полученные в движении, в единое «облако точек» в заданной системе координат, например, в WGS-84, наземные лазерные сканеры объединены с интегральным навигационным комплексом GPS/IMU, включающем спутниковый навигационный приемник GPS и инерциальную систему [3]. Такой комплекс позволяет определять положение и ориентацию мобильной платформы, на которой устанавливается наземный лазерный сканер, в геоцентрической системе координат WGS-84.
П ринципиальную схему согласования данных инерциальной и спутниковой навигационной систем и процесс исключения влияния дрейфа гироскопов и акселерометров блока IMU можно показать на примере коррекции траектории, спроектированной на координатную плоскость OXZ (рис.12. 2):
в точках A, B, C, D, E и F, где выполнены спутниковые и инерциальные измерения, реальная траектория (3) совпадает с траекториями, вычисленными по данным инерциальных (1) и спутниковых (2), что обусловлено «сбросом» влияния накопленного к этому моменту дрейфа акселерометров и гироскопов;
по мере удаления от точек спутниковых измерений точки проекции траектории, найденной по данным инерциальных измерений, все более удаляются от реальной (3), и в итоге по данным IMU будут получены фрагменты траектории AB′, BC′, CD′ DF′ (1);
в процессе послеполетной обработки (постобработки) данных инерциальных и спутниковых измерений:
точки B′, C′, D′, F′ фрагментов (1) совмещаются с точками спутниковых измерений B, C, D, F;
фрагменты (1) траектории AB′, BC′, CD′ и DF′ разворачиваются вокруг начальных точек A, B, C, D, в результате чего преобразуются во фрагменты траектории AB, BC, CD и DF (4) соответственно, и оказываются в непосредственной близости от фактической траектории.
Разумеется, приведенная интерпретация несколько условна, но она отражает принцип согласования результатов инерциальных и спутниковых данных, дает ключ к пониманию причин относительно невысокой их точности в реальном режиме и объясняет необходимость постобработки.
Данные лазерного сканирования, полученные с помощью МСС, представляют собой «облака точек» с определенным количеством одиночных лазерных измерений. Каждое одиночное лазерное измерение имеет собственную временную метку в формате UTC или GPS-времени. Для синхронизации данных сканирования используются данные спутникового приемника GPS, а для коррекции мгновенных изменений положения мобильной платформы — данные инерциальной системы.
Очевидно, что технология, в плане конструктивных решений, имеет много общего с методом воздушного лазерного сканирования (Рис.12.3). С чисто математической точки зрения в СМК используется абсолютно аналогичный принцип измерения, что и в других приборах, относящихся к категории «лазерные сканеры» или другое название «лазерные локаторы» или «лидары». Обратимся к рисунку 12.3.
В екторные пространства, образованные системой координат СК ONEA и сканерного блока СК OXYZ, обозначим соответственно через G и S. Положение любой точки в указанных пространствах будем характеризовать векторами g и s.
Переход из одной трёхмерной СК в другую осуществляется на основе матрицы третьего порядка АGS и вектора, определяющего начало одной СК в другой СК. Матрица АGS может быть определена через величины направляющих косинусов, т. е. через разложение орт СК сканера OXYZ по базису обобщённой СК ONEA, определяемые по известным формулам аналитической геометрии по трём углам ориентирования.
( 12.1)
На основании уравнения (12.2) выполняется расчет всех координат лазерных точек
= + ( - ). (12.2) - вектор в пространстве G , координаты которого определяются непосредственно GPS измерениями.
Вектор s на рисунке 12.3 соответствует зондирующему лучу, а его длина s соответствует измеренному значению наклонной дальности. Текущее положение определяется параметром - фазой сканирования. В формуле (12.2) xS = 0; yS = s sin(); zS = s cos().
Здесь через обозначен вектор в СК сканера, определяющий местоположение антенны. Этот, чрезвычайно важный в метрологическом отношении вектор, имеет двойное значение:
С его помощью можно полностью записать уравнение связи для сканерного блока и, следовательно, корректно интерпретировать результаты сканирования в процессе постобработки.
Точное знание вектора является абсолютно необходимым условием корректной работы навигационного компьютера по интегрированию GPS и IMU данных для получения навигационного решения.
Наземная мобильная система имеет существенно более низкую стоимость по сравнению с воздушной за счет использования различных типов наземных лазерных сканеров, которые на порядок дешевле воздушных лазерных сканирующих систем. Кроме того, наземное мобильное лазерное сканирование, в отличие от метода ВЛС, не требует аренды дорогостоящих летательных аппаратов, кроме того, нет такой зависимости от погоды как у ВЛС.
Существует еще одно важное отличие — наземные мобильные сканирующие системы можно использовать непосредственно в населенных зонах, так как применяемые в них наземные лазерные сканеры безопасны для зрения. По аналогии с ВЛС логично было бы назвать этот метод съёмки - Наземное Мобильное Лазерное Сканирование (НМЛС) и в отличии от статичного Наземного Лазерного Сканирования (НЛС). Для сокращенного названия воздушного лазерного сканирования «ВЛС» нет необходимости включать «М» - мобильное, так как другого способа в этом случае нет.
Сложный инструмент, которым являются мобильные сканирующие системы (МСС) интересен и универсален настолько, что самим фактом своего появления определил целый метод топографо-геодезической съемки, с присущими только ему технологическими приемами работы в полевых и камеральных условиях, характером выходных данных, средствами метрологического обеспечения и т.д.
Основной областью применения НМЛС являются объекты городской инфраструктуры и архитектуры, а также протяженные линейные объекты, такие как линии электропередачи, автомобильные и железные дороги, аэродромы, трубопроводы, береговая линия и пр. НМЛС используется не только для создания новых и обновления существующих топографических карт и планов крупных масштабов, но и для решения разнообразных инженерно-геодезических, изыскательских, землеустроительных, электроэнергетических, лесотехнических и других задач.
Модуль мобильной системы лазерного картографирования представляют собой единую платформу, жестко установленную на крышу стандартных транспортных средств. В нем размещены один или несколько лазерных сканеров с углом обзора до 360 градусов, GPS и инерциальной системой (Рис.12.4) Кроме того, такие системы комплектуются цифровыми фотоаппаратами. При начале движения автомобиля сканеры и фотокамера начинают свою работу, в результате чего на экране компьютера мы видим получаемые от них данные. Это очень наглядно, оператор сразу имеет возможность оценить степень достаточности получаемых данных и наличие мертвых зон в тех или иных местах (рис.12.5). На случай остановки система может прекратить сбор данных и возобновить его при продолжении движения. Указанные системы поставляются с программным обеспечением, которое наилучшим образом позволяет планировать съемку, ее проведение и вывод окончательных данных.
П лотность сканирования при использовании, например, одного
Таблица 12.1 |
|||||
Скорость км / час |
25 |
40 |
60 |
80 |
100 |
Плотность, точек / м2 |
1440 |
900 |
600 |
450 |
360 |
сканера в системе StreetMapper 360 составляет (таблица 12.1):
Данные, накопленные за один час съемки, могут быть полностью обработаны в течение 1 часа.
Технология лазерной съемки достигла такой ступени развития, когда она позволяет формировать графические изображения исключительного качества, насыщенные структурными и топографическими деталями. В отличие от фотографий, и плоских изображений, получаемые данные на основе лазерного сканирования, являются трехмерными по своей природе, не требуют ортотрансформирования и могут быть получены в ночное время. Работа лазера не зависит от окружающего освещения, что является существенным для мобильной наземной съемки, поскольку сканирование можно проводить ночью, когда движение минимально.