Опыт обработки данных воздушного лазерного сканирования

Опыт обработки данных воздушного сканера ALS-60 в комплексе с цифровой камерой UltraCamXс построением ортофотопланов.

Осенью 2009 года в ЗАО «Проектно-изыскательский институт ГЕО» выполнялся заказ для обновления плана масштаба 1:2000 и ортофотопланы населенного пункта Свердловской области. Ключевыми требованиями заказчика были скорость и точность выполнения работ, поэтому было принято использовать воздушный сканер – лидар ALS-60 в комплексе с цифровой камерой UltraCam X.

Залет проводился на самолете АН-2 с цифровой широкоформатной камерой UltraCam X фирмы «Vexcel Imaging» на скорости 150км/ч.

Для съемки населенного объекта было сделано 10 параллельных маршрутов на высоте 700 м. Масштаб аэросъемки составил 1:7000, пространственное разрешение снимков было не хуже 5 см.

Съемка проведена в сентябре 2009 г., на изыскательскую часть проекта с проверкой первичных данных ушло около месяца.

Постобработка полученной информации разделяется на два независимых цикла: 1) навигационные данные обрабатываются в программах AeroOffice (IGI GmbH) и GrafNav (NovAtel, Inc., Канада), 2) синтез снимков, их геометрическая и радиометрическая коррекция, которые были сделаны по общему файлу, полученному в результате лабораторной калибровки.

Благодаря установленной на борту самолета системе IMU, после обработки полученных данных мы получили элементы внешнего ориентирования, благодаря которым, подгрузив в ЦФС смогли сориентировать снимки. Использовав всего 9 геодезических опорных точек и элементы внешнего ориентирования мы получили достаточную точность для масштаба 1:2000. Таким образом, благодаря элементам внешнего ориентирования мы сократили время на фотограмметрическом сгущении и получили удовлетворяющую нас точность, но для более крупного масштаба, как показала практика, эти данные не годятся, вследствие, влияния временного фактора и геометрии наблюдений. Для крупномасштабных карт необходимо определять геодезические координаты опознаков (гораздо больше, чем 9) и выполнять аэрофототриангуляцию.

Для сравнения точности уравнивания было проведено изменение связующих точек по стереопарам и между маршрутами в «Photomode». Поскольку объект содержит большую часть плотного лесного массива, то коррелятор не смог полностью справиться со своей задачей, поэтому пришлось просматривать, добирать и редактировать точки как связующие, так и сгущения, что заняло достаточное количество времени (2 недели).

Процесс уравнивания потребовал тоже значительной затраты времени, в связи с тем, что было много грубых измерений в лесу. Уравняв методом «связок» получили необходимую точность (рис 1).

Рис.1 Отчет уравнивания в «Photomode».

По данному отчету видно, что центры, которые использовались в уравнивании, получились с высокой точностью. Если сравнить точность по опознакам, полученным в результате уравнивания, (рис.2) и без уравнивания (рис.3), то видно, что на рис.3 не на много ниже точность, но в том и другом случае удовлетворяет 1:2000 масштабу.

Рис.2. Опознаки, уравненные в «Photomode».

Рис.3. Опознаки без уравнивания в «Photomode».

Совместное использование широкоформатного цифрового АФА и лидара ALS-60 компания Leica Geosystems (с качающимся зеркалом) дает неоспоримое преимущество не только в скорости обработки данных, но и сказывается на времени создания конечной продукции. В нашем случае это создание ортофотопланов.

Для создания ортофотопланов использовался лазер, основанный на импульсном принципе. Этот импульс дает кроме пространственных координат точек еще и энергию импульса отражения – интенсивность отражения – I. Подобный набор точек называют облаком точек (рис. 4). Но для работы эти точки не годятся, необходимо провести предварительную обработку, то есть разделение на наземные точки и точки, лежащие вне земли. Также следует отметить, что данное облако точек актуально для залесенных территорий, где непроглядный лес, и естественно точность построения ЦМР в таких районах операторами значительно понижается не говоря уже о рисовке рельефа и, естественно, требует большой затраты времени, что немаловажно в настоящее время.

Рис.4

С помощью программы TerraScan производства «Terrasolid» мы классифицируем это облако точек на растительность, строения, провода, гидрография, земля и выбираем то, что нам необходимо. При загрузке этого облака точек в программный комплекс «Photomod» было обнаружено, что с таким большим объемом, в данном случае это порядка нескольких миллионов точек, программа не справляется и было решено разбить это облако точек в Terrascane на трапеции менее 1млн. Импорт и экспорт между программами производился с помощью форматов: LAS, txt. Подобные форматы поддерживает любая другая фотограмметрическая программа.

Обязателен также контроль этого облака точек, так как присутствуют точки, попавшие на травяную растительность и которые сложно исключить из общего облака точек, а исключение подобного рода точек приводит к потере необходимой плотности точек и естественно точности. Необходимо отметить, что, так как классификация точек проходила без снимков, то проследить принадлежность точек к таким объектам как: искусственные насыпи, откосы и т.д. было сложно, поэтому, просмотр стереоизображения является обязательным, но не смотря на все, данный массив точек значительно повышает точность конечной модели до 8-10 см .

На основе уже созданного проекта с уравниванием, был проведен сравнительный анализ точности облака точек, полученного лидаром и на основе обработки изображений. В «Photomode» с помощью функции «построение TIN в пакетном режиме» получили точки через шаг 1.0 м (рис.5).

Рис. 5-а. Точки, полученные лазером                      

Рис. 5-б. (справа) Точки, полученные фотограмметрическим способом 

По результатам анализа видно, что облако точек, полученное после обработки снимков (рис. 5-а) более частое, чем точки полученные лазером (рис. 5-б), но основным и существенным в данном случае является, то, что точки полученные лазером (рис. 5-б) "пробивают" через деревья, а в «Photomode» коррелятор ставит точки либо на макушке дерева, либо вообще не ставит. Также преимущество лазерной съемки не только в лесной зоне, но и в застроенной части, там, где возникают проблемы при завалах высотных зданий. В результате можно сделать вывод, что нужно руководствоваться поставленной задачей и использовать и тот и другой способы в зависимости от ситуации. В данном случае использование воздушного лазера было просто необходимо, это позволило нам сделать работу быстрее и эффективнее.

После обработки этого массива точек на ЦФС мы создаем общую ЦМР на весь объект и приступаем к построение ортофотоплана.

В итоге следует подчеркнуть преимущества создания ортофото- и топографических планов на основе комплексной съемки камеры UltraCam X с лидарами перед обычным фотограмметрическим способом в том, что сводятся к минимуму дорогостоящие полевые изыскания, автоматизируются многие процессы и уменьшается влияние человеческого фактора, в результате работа выполняется оперативно и качественно.