ALS 60 - Институт ГЕО

АЭРОФОТОТОПОГРАФИЯ
УДК 528.7
Сравнительный анализ работы фотограмметрической станции
и лазерного сканера ALS 60
© Терёхина Е. В., 2011
ЗАО «Проектно-изыскательский институт ГЕО», г. Екатеринбург
Terekhina@pgeo.ru
Рассмотрено применение одного из новейших технических средств –
воздушного лазерного сканера ALS 60 и принцип его работы, а также основные
преимущества воздушного лазерного сканирования по сравнению с обычным
фотограмметрическим методом.
Воздушное
лазерное
сканирование,
облако
точек,
фотограмметрический метод, цифровая модель рельефа.
ортофотоплан,
Аir laser scanner, point cloud, orthophotomap, рhotogrammetric method, digital
terrain model.
Для
XXI
в.
характерны
ужесточение
требований
к
конкурентоспособности и качеству выпускаемой продукции, использование
высоких технологий и технических средств. Долгое время для создания
цифровых карт, планов и ортофотопланов использовались классические
методы фотограмметрии, но в настоящее время среди новейших технологий
все чаще применяется лазерное сканирование, развивающееся во многих
странах мира и в России. Именно лазерная локация может полностью
вытеснить фотограмметрический метод, обеспечив обработку огромного
массива данных почти одновременно с измерениями.
Рассмотрим
более
подробно
способы
и
особенности
работы
фотограмметрического метода на примере программного обеспечения
«Photomod 4.4.670». Эта система использует алгоритм кросс-корреляции
(поиска соответственных точек на левом и правом снимке стереопары) для
автоматического расчета высоты точки, т. е.автоматического проецирования
1
точки на поверхность модели. Этот алгоритм можно подразделять с
помощью трех различных способов отождествления точек на паре цифровых
изображений:
1) основанных на анализе значений пикселей изображения в пределах
некоторой области (ПМ – площадные методы);
2) базирующихся на выделении элементов изображения (ЭМ);
3) использующих связи между элементами изображения (СМ).
При стереоскопическом рассматривании снимков у оператора не
возникает проблем с отождествлением одноименных точек стереопары.
Напротив, автоматические способы отождествления точек стереопары не
всегда
дают
однозначно
правильное
решение.
Приведем
факторы,
отрицательно влияющие на надежность автоматического отождествления:
перспективные искажения;
мертвые зоны;
ошибки в элементах внутреннего и внешнего ориентирования снимков;
плохие начальные приближения неизвестных;
различная отражательная способность поверхности;
разное освещение;
повторяемость поверхности объекта;
большая величина шумов изображений.
Первые четыре фактора приводят к геометрическим, остальные – к
фотометрическим
несоответствиям
левого
и
правого
изображений.
Основным источником геометрических несоответствий изображений на паре
снимков являются перспективные искажения, так как снимок является
центральной проекцией местности. Поэтому (рис. 1) один и тот же участок
местности (А – В) изображается по-разному (сравнить а1в1 и а2в2) на двух
снимках, полученных из различных точек пространства и под разными
углами.
2
S2
S1
а1
а2
в1
в2
В
А
Рис. 1. Пример центральной проекции для различных участков местности
Рассмотрение данного алгоритма показывает, что есть достаточно много
факторов, препятствующих созданию качественного TIN, и которые мы, к
сожалению, исключить никак не можем. Решить данную проблему можно,
используя воздушное лазерное сканирование.
Проанализируем
преимущества
более
воздушного
подробно
лазерного
принцип
работы
сканирования.
и
основные
Сканирование
выполнялось с помощью лидара ALS-60. Залет проводился на самолете АН-2
на высоте 1400 м. Основные преимущества лазерно-локационного метода [1]:
1) точность получаемого облака точек;
2) отсутствие наземных геодезических работ по планово-высотному
обоснованию;
3) высокая производительность;
4) возможность работы в ночное время и в любое время года.
Благодаря совместному использованию широкоформатной цифровой
камеры «UltraCamX» и лидара ALS-60 компании Leica Geosystems (с
качающимся зеркалом) были значительно сокращены время и материальные
затраты. Использование одновременно с камерой GPS-приемника и системы
IMU позволило получить элементы внешнего ориентирования для каждого
3
снимка. В результате было исключено уравнивание и применено прямое
геопозиционирование, что ускорило процесс обработки данных.
Воздушный лазерный сканер основан на импульсном принципе. Этот
импульс, кроме пространственных координат точек, дает еще и энергию
импульса отражения – интенсивность отражения. Подобный набор точек
называют облаком точек. Но для работы эти точки не годятся, необходимо
провести предварительную их обработку, т. е. разделение на наземные точки
и точки, лежащие вне Земли. Следует также отметить, что данное облако
точек актуально для залесенных территорий, где сплошной лес. Естественно,
что при построении на данную территорию ЦМР операторами (на
фотограмметрических станциях) точность значительно понижается (не
говоря уже о рисовке рельефа), что естественно требует бóльшей затраты
времени, что немаловажно в настоящее время.
Благодаря правильно выставленным параметрам сканирования (средней
плотности, т. е. среднего числа лазерных точек на единицу поверхности,
равномерности и доминирующей ориентации зондирующего луча) мы
получаем
достаточно
плотное
облако
точек
с
очень
большой
информативностью: точки попадают и на столб электропередач, и на
макушки деревьев.
Далее с помощью программы TerraScan производства «Terrasolid» это
облако точек классифицируется, т. е. выделяется растительность, строения,
провода, гидрография, земля, и выбирается, что необходимо. Импортируем
классифицированные точки в ПО «Photomod» с помощью форматов LAS.
Подобный формат поддерживает любая другая фотограмметрическая
программа. Для дальнейшего ортотрансформирования снимков преобразуем
эти точки в TIN и получаем (рис. 2, а).
4
а
б
Рис. 2. ТIN, построенный по облаку точек,
полученных с помощью воздушного сканера (а),
и TIN, построенный в «Photomod» (б)
Следует отметить, что в данном случае облако точек особенно актуально
для залесенных территорий, так как сигнал пробивает плотную листву
деревьев и дает отраженный сигнал от земли. Это позволяет быстро и точно
построить ЦМР непосредственно истинной поверхности.
Если сравнить с TIN, построенным в «Photomod» (см. рис. 2, б) с
помощью коррелятора уже с отфильтрованными точками (узлами TIN) по
параметру высоты, то можно заметить, что плотность точек при лазерном
сканировании гораздо больше, чем при обычном фотограмметрическом
методе.
Вероятно,
это
обусловлено
многими
факторами,
уже
перечисленными ранее (мертвые зоны, ошибки в элементах внутреннего и
внешнего ориентирования снимков и др.).
Если
обычно
в
«Photomod»
операторы
расставляют
пикеты
в
зависимости от требуемого масштаба, то при лазерном сканировании
происходит до 50–100 тыс. измерений в секунду [1]. При такой плотности
точек можно строить не только ортофотопланы более крупных масштабов,
но и рельеф местности до масштаба 1:1000 включительно.
Для более полной оценки полученных данных рассмотрим точность
облака точек, полученного с помощью сканера. Чтобы оценить точность
5
полученных результатов, проанализируем средние квадратические ошибки
(СКО) относительно геодезических координат опознаков, используемых в
данном проекте (табл. 1).
Таблица 1
Оценка точности TIN относительно
геодезических координат опознаков
СКО TIN, построенного
Тип местности
оператором
лазерным сканером
(Zср – Zг)
(Zср –Zг)
0,221
0,214
0,171
0,246
Застроенная
территория
Сложный рельеф
Примечание: Zср – значения координат, усредненные по всем моделям; Zг – значения
координат опорных
и контрольных точек,
заданных
пользователем;
СКО
–
средняя
квадратическая ошибка.
Видно, что при соблюдении нормативных режимов полета, а также
выполнении выставочных и калибровочных процедур можно гарантировать
точность до 1:1000. Отметим, что при воздушном лазерном сканировании для
получения подобной точности данных требуются только ответственность и
добросовестность персонала, в то время как ручное построение TIN или же
его корректировка требуют профессионализма и большого опыта работы в
стереорежиме. Важно и то, что облако точек мы получаем достаточно быстро
по времени. Для оценки временных затрат на выполненную работу
проанализируем
рис.
3.
Видно,
что
производительность
лазерного
сканирования чрезвычайно высока – процесс обработки материала идет в 2 и
даже в 3 раза быстрее по сравнению с ранее используемыми методами.
6
30000
Время, потраче
нной на ручное
построение
TIN, минуты
25000
20000
15000
10000
Время, потраче
нное на
лазерное
сканирование с
классификацией
, минуты
5000
0
1
2
3
Рис. 3. Оценка времени, потраченного на ручное и лазерное сканирование
По
предварительной
оценке,
производительность
съемки
может
достигнуть 500–600 км за один аэросъемочный день для линейных объектов
и 500–1000 км2 для площадных объектов (что значительно эффективнее
фотограмметрического способа). Учитывая, что воздушные сканеры могут
работать и в ночное время, общая производительность увеличивается еще
больше. Не менее важна стоимость работ с помощью лазерного сканирования
(табл. 2).
7
Таблица 2
Оценка финансовой стороны воздушного лазерного сканирования
Объект
3 – высота залета
1400
м,
разрешение
10
Время
Время
на
Число
лазерного
классифициро
маршрутов
сканировани
вание
я, ч
дни
точек,
Сумма,
затраченная
на
съемку, тыс. руб
15
2
6
70
10
1,7
3
59, 5
10
0,3
2
11,7
см
2 – высота залета
1400
м,
разрешение 5 см
1 – высота залета
1400
м,
(20 мин)
разрешение 5см
Таким образом, в настоящее время именно с помощью воздушного
лазерного сканирования можно получать высокоточные пространственные
данные; топографические карты, планы и ортофотопланы 1:1000 и мельче;
выполнять значительно бóльшие объемы работ в меньшие сроки, без потери
качества и значительно сокращая финансовые затраты; получать координаты
8
точек, описывающие объекты местности с точностью 4 мм и со скорость 50–
100 тыс. измерений в секунду.
Указать год, место издания.
CПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1.
Медведев Е. М., Данилин И. М., Мельников С. Р. «Лазерная
локация земли и леса». Учебное пособие. – 2-е изд., перераб. и
доп. – М.:Геолидар, Геокосмос; Красноярск: Институт леса им.
В.Н. Сукачева СО РАН, 2007. – 229с.
2.
Инструкция по фотограмметрическим работам при создании
цифровых топографических карт и планов. – М.: ЦНИИГАиК,
2002. – 100 с.
Summary
The main features of the 21st century include the use of high technologies and technical equipment
as well as strict requirements to make a high-quality and competitive production. This article is about
one of such technical equipment – an air laser scanner ALS 60. Also it contains information about
operating principles and main advantages of an air laser scanning in comparison with the ordinary
photogrammetric method.
9