kalibrovka-dannyh-vozdushnogo-lazernogo-skanirovaniya-v-programmnom-produkte-terrasolid

УДК 528.8
А.В. Антипов
СГГА, Новосибирск
КАЛИБРОВКА ДАННЫХ ВОЗДУШНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ В
ПРОГРАММНОМ ПРОДУКТЕ TERRASOLID
В статье приведены особенности калибровки данных лазерной локации в
программном продукте TerraSolid. Определено влияние калибровки высот
лазерных точек на значения параметров классификации точек лазерных
отражений и точность построения цифровых моделей рельефа.
A.V. Antipov
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo Str., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
LASER DATA CALIBRATION IN TERRASOLID SOFTWARE
This article is about laser data calibration features in TerraSolid software. The
influence of laser data calibration on laser points classification parameters and digital
terrain models creation is shown.
На сегодняшний день воздушное лазерное сканирование (ВЛС) является
одним из наиболее перспективных методов получения метрической
информации о местности. Лазерно-локационный (ЛЛ) метод дистанционного
зондирования имеет ряд несомненных преимуществ перед аэрофотосъемкой
[1,2].
Для того, чтобы лидар обеспечивал получение метрической информации
об объектах с высокой точностью, необходимо периодически производить его
калибровку до начала съемки [1]. Точность определения пространственных
координат точек лазерных отражений (ТЛО) зависит от характеристик сканера,
а также от высоты ВЛС, качества работы GPS и INS систем, количества и
расположения базовых станций и других. Поскольку влияние этих факторов на
каждом маршруте съемки индивидуально, то в области их перекрытия
возникает неоднозначность в определении высот точек местности (рис. 1). В
связи с этим актуальным является вопрос о необходимости калибровки высот
ТЛО при обработке данных ВЛС. Цель данной работы заключалась в
определении влияния процедуры калибровки координат Z лазерных точек на
параметры классификации ТЛО и точность построения ЦМР.
Рис. 1. Расхождения высот ТЛО, полученных с соседних маршрутов
Исходными данными для проведения экспериментальных работ являлись
массив ТЛО съемки г. Омска и г. Ниагара – Фолс, траектории полета
летательного аппарата, координаты контрольных точек. Обработка данных
производилась в программном продукте (ПП) Terra Solid.
Вначале проведено исследование влияния процедуры калибровки высот
лазерных точек на параметры выделения из общего массива ТЛО класса
«Земля». Для этого по данным ВЛС двух городов были определены наиболее
оптимальные параметры автоматической классификации лазерных точек (табл. 1),
принадлежащих земной поверхности, расположенных вне области перекрытия
маршрутов.
Таблица 1. Параметры для отнесения в класс «Земля» ТЛО, находящихся вне
области межмаршрутного перекрытия
Значения параметров классификации ТЛО
Город
угол приближения, °
дистанция приближения, м
Омск
10
0,28
Ниагара-Фолс
6
0,32
Затем в автоматическом режиме выделялись лазерные точки класса
«Земля» в области межмаршрутных перекрытий. Величины наилучших
параметров классификации приведены в табл. 2.
Таблица 2. Параметры классификации ТЛО до и после калибровки высот точек
Значения параметров для отнесения ТЛО в класс «Земля»
до калибровки Z
Город
после калибровки Z
угол
приближения, °
дистанция
приближения, м
угол
приближения, °
дистанция
приближения, м
Омск
12
0,30
11
0,30
Ниагара-Фолс
10
0,40
8
0,35
Для проведения процедуры калибровки лидарных данных при помощи
созданной макрокоманды ТЛО отдельных маршрутов были соотнесены с
соответствующими участками траекторий полета носителя. С использованием
специальной команды построены ЦМР в области межмаршрутных перекрытий,
по которым найдены средние невязки высот ТЛО и последовательно введены
поправки в координаты Z всех лазерных точек проекта за влияние каждого
отдельного фактора (крен, тангаж и курс, разность высоты полета летательного
судна и флуктуации данных INS). Поскольку средние значения разностей высот
(ΔZ) точек в зонах перекрытия отдельных маршрутов съемки одного и того же
объекта представляют собой величины одного порядка малости (0,074; 0,081;
0,068; 0,073; 0,072 м для г. Ниагара-Фолс и 0,040; 0,037; 0,037; 0,035; 0,031;
0,042; 0,037 м для г. Омска), то в табл. 3 приведены средние значения ΔZ в
пределах съемочных участков.
Таблица 3. Средние значения невязок в высотах общемаршрутных ТЛО в
пределах объектов съемки
Город
Исходные
значения
невязок (ΔZ), м
Омск
Ниагара-Фолс
Расхождения Z после введения поправок за
крен, тангаж и
курс, м
разность высоты
полета, м
флуктуации
данных INS, м
0,037
0,035
0,032
0,027
0,073
0,071
0,067
0,060
Из анализа данных таблицы 3 видно, что в результате калибровки высот
ТЛО среднее значение разностей координат Z точек объектов в областях
межмаршрутных перекрытий уменьшилось на 18 % (г. Ниагара-Фолс) и 27 % (г.
Омск). Незначительные исходные значения невязок ΔZ и поправок, вводимых в
высоты лазерных точек, полученных при съемке г. Омска, можно объяснить
высокой точностью определения пространственных координат точек,
обеспечиваемой используемой моделью воздушного лазерного сканера (Leica
ALS-52), высокой плотностью ТЛО (8 точек/м2) и незначительной высотой
полета летательного аппарата (600 м).
После выполнения процедуры калибровки данных воздушного лазерного
сканирования параметры для автоматического отнесения ТЛО, находящихся в
области межмаршрутного перекрытия, в класс «Земля» изменились на 11 – 33 %
(табл. 2) относительно исходных (полученных до введения поправок в высоты
лазерных точек).
Проведенные исследования свидетельствуют, что оптимальные параметры
для автоматического выделения лазерных точек, принадлежащих земной
поверхности, расположенных вне области перекрытия маршрутов (табл. 1) и
находящихся в межмаршрутном перекрытии, после калибровки высот (табл. 2)
незначительно отличаются друг от друга. Данный факт свидетельствует о
возможности использования одних и тех же значений параметров для
автоматической классификации лазерно-локационных точек, являющихся
результатом съемки всей территории, при условии предварительного
выполнения калибровки данных ВЛС и одинакового характера рельефа.
По лазерным точкам класса «Земля» в зонах перекрытия маршрутов были
созданы четыре ЦМР территорий двух городов (до и после калибровки высот
точек), и выполнена оценка точности их построения по координатам
контрольных точек, число которых составляло на г. Омск – 16 точек, на г. НиагараФолс - 21 точка. Для этого по высотам контрольных точек, полученным из
полевых геодезических работ и ЦМР, были вычислены максимальная (Δzmax),
средняя (δz) и средняя квадратическая (mΔz) ошибки моделирования рельефа
(табл. 4).
Таблица 4. Результаты оценки точности построения ЦМР
Параметры оценки точности
до калибровки Z
Город
после калибровки Z
Δzmax, м
δz, м
mΔz, м
Δzmax, м
δz, м
mΔz, м
Омск
0,140
0,078
0,088
0,140
0,076
0,084
Ниагара-Фолс
0,142
0,060
0,071
0,065
0,043
0,046
Из анализа данных таблицы 4 следует, что выполнение процедуры
калибровки высот точек лазерных отражений позволило уменьшить среднюю
квадратическую ошибку построения ЦМР территории г.Ниагара-Фолс на 35 %,
а г. Омска на 5 %.
На основе результатов проведенных исследований в ПП TerraSolid можно
сделать следующие выводы:
С целью экономии времени камеральной обработки лидарных данных
перед автоматическим отнесением лазерно-локационных точек в класс «Земля»
рекомендуется производить процедуру калибровки высот лазерных точек с
использованием общемаршрутных ТЛО, принадлежащих земле. При
незначительной высоте лазерно-локационной съемки, высокой плотности ТЛО
и разностях координат Z точек, расположенных в области перекрытия
маршрутов, менее 5 см, процедуру калибровки можно не выполнять, поскольку
она не приводит к значительному изменению точности построения ЦМР, о чем
свидетельствуют результаты обработки данных ВЛС территории г. Омска;
При автоматической классификации лазерных точек с целью
распознавания ТЛО, принадлежащих земной поверхности, особое внимание
необходимо уделять выбору такого параметра, как угол приближения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Медведев, Е.М. Лазерная локация земли и леса [Текст] / Е.М. Медведев,
И.М. Данилин, С.Р. Мельников – М.: Геолидар, Геокосмос; Красноярск:
Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2007. - 229 с.
2. Axelson, Peter Processing of laser scanner data – algorithms and
applications [Текст] / Peter Axelson // Journal of Photogrammetry and Remote
Sensing. - 1999. – V.54. – PP. 138 -147.
© А.В. Антипов, 2011