Воздушное лазерное сканирование в данный момент переживает второе рождение, связанное с активным применением беспилотных воздушных судов (БВС). Технология одновременного выполнения воздушного лазерного сканирования (ВЛС) и аэрофотосъемки (АФС), а также их совместная обработка позволяют в несколько раз сократить срок создания картографической продукции, повышая ее точность и детальность. В качестве носителя системы воздушного лазерного сканирования и аэрофотосъемки все чаще используются БВС.
Геоскан 401 Лидар
Рассмотрим подробнее состав и характеристики аппаратной и программной части беспилотного комплекса «Геоскан 401 Лидар». Аппаратная часть комплекса включает квадрокоптер «Геоскан 401» с полезной нагрузкой в виде цифровой камеры Sony Alpha 6000 и воздушного лазерного сканера (лидара) АГМ.
Принцип аэросъемочных работ с применением воздушного лазерного сканера в комплексе с цифровой камерой следующий. Во время полета воздушного судна приемник ГНСС-сканера определяет координаты центров фотографирования снимков, инерциальная навигационная система измеряет углы наклона аппаратуры, а лидар выступает в роли дальномера, фиксируя угол и расстояние до измеряемого объекта. Пространственные координаты определяются приемником ГНСС-системы сканирования, на который передаются дифференциальные поправки от сети наземных базовых станций ГНСС, создаваемой в районе аэросъемочных работ. В результате АФС и ВЛС получаются аэрофотоснимки с точными центрами фотографирования и параметрами их внешнего ориентирования (крен, тангаж и курс) и точки лазерного отражения (ТЛО) с пространственными координатами (X, Y, Z) в геодезической системе координат. Совокупность этих данных позволяет в короткие сроки создавать цифровые модели рельефа (ЦМР) в виде матрицы высот и горизонталей, ортофотопланы высокого разрешения, цифровые модели местности (ЦММ) и трехмерные текстурированные модели местности и объектов.
Программная часть комплекса состоит из следующих ПО
- Geoscan Planner. Программа предназначена для проектирования и выполнения АФС и ВЛС, а также для проверки проведенных полетов.
- AGM PosWorks Web. Веб-сервис, предназначенный для расчета траекторий движения систем мобильного и воздушного лазерного сканирования.
- AGM ScanWorks Base. Программа предназначена для обработки данных систем и точек лазерных отражений наземного и воздушного лазерного сканирования производства компании «АГМ СИСТЕМЫ».
- Terrasolid. Программа предназначена для визуализации и обработки точек лазерных отражений как в автоматическом, так и в ручном режиме.
- Lidar360. Программа для обработки облаков точек. Включает различные наборы инструментов для визуализации, управления, анализа и экспорта геопространственных данных для прикладных задач, используя специализированные модули Terrain, Forestry и LiPowerline.
- Agisoft Metashape Professional. Программное обеспечение для фотограмметрической обработки с высоким уровнем автоматизации. Позволяет обрабатывать изображения, получаемые с помощью RGB или мультиспектральных камер, включая мультикамерные системы, получать по перекрывающимся снимкам плотные облака точек, текстурированные полигональные модели, ортофотопланы, цифровые модели рельефа и цифровые модели местности.
Испытания технологии применения ВЛС совместно с АФС
В данном разделе представлены материалы исследования комплексной технологии применения ВЛС совместно с АФС для создания различных топографических материалов о местности на район Заокского геополигона МИИГАиК. Также была проведена оценка качества в сравнении с классическими наземными геодезическими измерениями, выполняемыми методами тахеометрической съемки и приемниками ГНСС в режиме реального времени.
В качестве испытательного комплекса использовалась система «Геоскан 401 Лидар», представленная выше.
Исследования проводились в осенний период в 2021 г. Для оценки качества картографической продукции на полигоне существует плотная сеть маркированных опознаков (порядка 50 на 1 км2 ) с точностью пространственных координат 2–3 см (изобр. 1). Кроме того, имеются высотные пикеты, полученные в результате тахеометрической съемки на различных участках местности, а именно: 80 — в поселке Маяк на открытых участках, 650 — на склоне с перепадом высот 80 м, покрытом травяной растительностью, 350 — в покрытой деревьями и густой растительностью части полигона (изобр. 2). Такой набор контрольных данных, измеренных инструментально, позволяет получить взвешенную оценку качества картографической продукции, созданной по данным ВЛС и АФС, как по точности, так и по эффективности.
Изображение 1: схема расположения маркированных опознаков
Изображение 2: схема расположения высотных пикетов
Аэрофотосъемка и лазерное сканирование контрольных участков выполнялось дважды: в сентябре в ясную погоду и в ноябре со сплошной облачностью. Если в первом случае освещенность была благоприятная для АФС, то во втором — критичная для получения качественных аэрофотоснимков. С другой стороны, полеты в ноябре были более благоприятны для лазерного сканирования, поскольку травяной покров уже угнетен и листва на деревьях опала.
Комплекс «Геоскан 401 Лидар» обеспечивает одновременное выполнение аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования. Аэросъемка выполнялась на высоте 140 м с продольным перекрытием 80% и поперечным — 40%, ширина кадра составила 168 м, а ширина коридора сканирования при этом — 300 м. Данные параметры полета обеспечивают получение аэрофотоснимков с разрешением на местности 3 см и определение расстояний лазерным дальномером с точностью 2–3 см. Они определяют, в первую очередь, потенциальные метрологические характеристики топографических материалов о местности по данным АФС и ВЛС. Таким образом, точность измерения объектов местности и по снимкам, и по точкам отражения соизмерима.
Постобработка данных ВЛС и АФС заключается, прежде всего, в определении точных координат центров фотографирования для аэрофотоснимков по результатам обработки измерений, выполненных приемником ГНСС, установленным на лидаре, в дифференциальном режиме. Координаты центров фотографирования снимков были получены в результате обработки в специализированном ПО MAGNET Tools компании TOPCON. Обработка траекторий для воздушного сканирования выполнялась в ПО AGM PosworksWeb. Точность уравнивания центров проекции составила 2–3 см. Траектории ВЛС были получены с точностью 2 см.
В ПО AGM ScanWorks Base осуществлялась обработка точек лазерных отражений. На изобр. 3 и изобр. 4 показан вид сверху и в сечении облака точек после исключения избыточных отражений.
Изображение 3: окрашенные ТЛО (вид сверху)
Изображение 4: вид ТЛО в поперечном сечении
Следующим шагом технологической цепочки является обработка точек лазерных отражений, которая заключается в обрезке точек в перекрывающихся сканах маршрутов, исключении лишних точек на поворотах БВС, избыточных точек в перекрытии, устранении шумов и классификации точек относительно объектов отражения. Этот этап может быть выполнен в ПО Terrasolid и Lidar360 или в иных программах, предназначенных для работы с облаками точек. В нашем случае была поставлена задача выделения точек лазерных отражений от земной поверхности и построения ЦМР для ортофототрансформирования и создания горизонталей на топографическом плане.
Методика классификации ТЛО в различных программах примерно одинакова:
- в автоматическом режиме устраняются шумы и переводятся в отдельный слой;
- на сравнительно небольших характерных участках блока ТЛО подбираются параметры классификации в зависимости от характера местности;
- выполняется автоматическая классификация всего массива ТЛО;
- оператор в интерактивном режиме выполняет завершающую фазу классификации, используя при этом различные способы отображения, поперечные профили и другие инструменты, предлагаемые программой обработки.
В данном случае решалась задача построения ЦМР на различных по типу участках местности с оценкой точности по наземным измерениям, выполненным методом тахеометрической съемки.
Условно район полигона был разделен на три участка:
- населенный пункт, где определены 80 высотных пикетов на открытых участках земной поверхности;
- склон, где измерено 650 пикетов;
- лесной массив, где измерено 350 точек.
Результаты проведенных исследований показаны в табл. 1 и на изобр. 5–7.
| Название | Плотность ТЛО на 1 м2 | Число контрольных пикетов | Средняя погрешность по высоте, м |
| Поселок | 168 | 80 | 0,094 |
| Склон | 155 | 650 | 0,123 |
| Лес | 143 | 350 | 0,099 |
Таблица 1: оценка точности ЦМР по контрольным пикетам
Изображение 5: ЦМР поселка с контрольными пикетами
Изображение 6: ЦМР склона с контрольными пикетами
Изображение 7: ЦМР участка с лесным массивом с контрольными пикетами
Полученные значения статистически достоверны и подтверждают ожидаемые оценки точности аппроксимации рельефа, построенного по результатам лазерного сканирования.
Наряду с обработкой ТЛО параллельно выполнялась фотограмметрическая обработка АФС в ЦФС «Agisoft Metashape Professional» с точной привязкой координат центров фотографирования. В качестве контрольных точек использовалось 48 маркированных опознаков. Полученные средние погрешности составили в плане 3–4 см, а по высоте — 4–6 см, что также соответствует ожиданиям по метрологическим характеристикам данного материала.
Поскольку метрологические оценки материалов АФС и ВЛС сопоставимы по точности и существует возможность импортировать данные сканирования в фотограмметрическую модель ЦФС Agisoft Metashape Professional, то появляется возможность совместного использования полученных данных для создания топографических материалов при картографировании, кадастровых работах, инженерно-геодезических изысканиях, маркшейдерских работах и др.
Опыт применения
Накопленный опыт применения комплекса «Геоскан 401 Лидар» в качестве беспилотной топографической системы воздушного лазерного сканирования и аэрофотосъемки на протяжении последних 2–3 лет показал, что использование комбинированной технологии предоставляет следующие преимущества по сравнению с классическими наземными методами.
Скорость. Полевые и камеральные работы можно выполнить значительно быстрее.
Точность. Воздушное лазерное сканирование позволяет получать цифровую модель рельефа с погрешностью 5–10 см в плане и по высоте.
Детальность. Данные, полученные посредством ВЛС, позволяют полностью отобразить геометрические параметры объекта и подробно описать не только форму, но и характер обследуемой поверхности.
Информативность. ВЛС позволяет получать точные координаты проводов и мелких подвесных конструкций (изоляторов, ферм).
Безопасность. Отсутствие необходимости пребывания человека в опасных и труднодоступных районах съемки значительно снижает риски получения производственных травм.
Стоимость работ значительно снижается.
Проведенные испытания подтвердили накопленный опыт использования данной комбинированной технологии компанией «АГМ СИСТЕМЫ» и ГК «Геоскан». Данная технология используется при мониторинге железнодорожных путей сообщения, газопроводов, ЛЭП, инфраструктуры населенных пунктов, строительных площадок и т.д.
Авторы статьи: М.В. Курков («Скан»), Д.А. Клестов («Скан»), В.А. Брусило («АГМ СИСТЕМЫ», Краснодар), В.М. Курков (МИИГАиК), А.С. Киселева (МИИГАиК)
Опубликовано в журнале «Геопрофи» №6, 2021. Полную версию читайте по ссылке.