Лазерный мир

Соболев Александр Владимирович // ЖУРНАЛ Вестник Иркутского государственного технического университета, 2010

Рассматриваются аспекты производства съемочных работ с помощью технологии лазерной локации. Приводится описание технологии лазерной локации, раскрываются теоретические основы лазерной локации, дается описание применения технологии в различных аппаратно-технологических условиях, формируется ряд вопросов относительно плотности и точности съемочных работ с использованием технологии лазерной локации. 

К настоящему времени в России прочные, перспективные позиции в перечне технологических средств для получения геопространственных данных заняли лазерные сканирующие системы (рис. 1,2). Начиная с 90-х годов прошлого века производители лазерных сканеров (в основном зарубежные) постепенно обновляли рынок сначала аэросъемочного оборудования, а затем и приборов для наземной съемки. Такие приборы и оборудование позволяют с завидной скоростью и в колоссальном объеме получать набор геопространственных данных, со сравнительно высокой точностью характеризующих отсканированное пространство. Этот факт не мог оставить равнодушными ведущие российские компании, в силу разных причин выполняющие крупномасштабные топографические съемки. Сейчас уже не только сервисные и изыскательские фирмы используют лазерную локацию, немногие промышленные горнодобывающие компании приобрели сканирующие комплексы в основном наземного базирования.

Рис. 1. Воздушный лазерный сканер Leica

Рис. 2. Наземный лазерный сканер 1+Р

Новая технология имеет множество неоспоримых преимуществ по сравнению с традиционными видами съемки, более того, очевидны принципиальные отличия в части непосредственного выполнения работ и получаемых результатов.

Зондирующее свойство лазерного излучения основано на том, что объекты, расположенные на пути распространения лазерного луча, вызывают его отра-

жение от своей поверхности. В результате от такого объекта начинает распространяться вторая волна, часть энергии которой возвращается в точку излучения и фиксируется приемником. При этом время, затраченное на распространение от источника к объекту и обратно к приемнику, позволяет однозначно судить о дальности локатора от объекта. Данный принцип измерения дальности является основой лазерной дальнометрии.

Главной характерной чертой лазерного излучения, определяющего возможность его использования для целей локации, является узкая диаграмма, которая обеспечивается использованием в качестве излучателя лазера.

Лазерный локатор представляет собой средство дистанционного зондирования, используемое для съемки (получения лазерно-локационных изображений) земной поверхности. Методика съемки, реализуемая лазерным локатором, состоит в следующем.

В качестве излучателя используется полупроводниковый лазер, как правило, ближнего инфракрасного диапазона. В каждом акте сканирования регистрируются наклонная дальность до точки отражения и значение угла, определяющего направление распространения зондирующего луча в системе координат локатора. В зависимости от типа лазерного локатора могут фиксироваться более одного (до пяти) отражений для каждой линии визирования. Такая возможность способствует получению более информативных лазерно-локационных изображений, так как в одном акте сканирования могут быть получены отклики сразу от нескольких компонентов сцены: первые отклики будут получены за счет отражений от листвы растительности, проводов и опор ЛЭП, кромок зданий, а последний отклик, как правило, соответствует поверхности земли или другой твердой поверхности, например, крыше здания. Траектория движения носителя регистрируется бортовым приемником GPS. В сочетании с замеренными значениями наклонной дальности и угла сканирования это позволяет непосредственно получить абсолютные геодезические координаты элементов сцены, вызвавших отражение зондирующего луча [3].

Наземные лазерные сканеры можно рассматривать как упрощение сканеров авиационного базирования. При использовании таких приборов сканирование осуществляется с Земли и при неподвижном положении сканерного блока, т.е. элементы внешнего ориентирования остаются неизменными в каждом сеансе. Пространственное положение сканера определяется статическими GPS-методами, а его угловая ориентация с помощью процедур, близких к методу обратной фотограмметрической засечки [3].

К сожалению, до настоящего момента не было

введено ни одного нормативного документа, который бы четко отражал рекомендации и требования, применяемые к съемочным работам с помощью лазерной локации. Поэтому требования, описанные в [1] и [2], являются чуть ли не единственным источником руководящей технической документации. Известно, что наземное лазерное сканирование описано в [1] как средство создания и обновления графической документации горного предприятия. Но как установить связь между методикой работ и общими требованиями к качеству работ, остается пока на усмотрение исполнителя и, как правило, бесконтрольно.

Технология лазерной локации предполагает несколько обязательных процедур, проводимых при каждом новом приеме измерений, каждая из них несет свои погрешности. Из этих погрешностей впоследствии складывается общая, характеризующая соответствие съемки факту. Мы можем априорно оценить погрешности положения отдельной точки или нескольких точек в массиве, принимая во внимание технические характеристики используемого оборудования.

При воздушной лазерной локации процесс сканирования реализуется посредством измерения расстояния до всех определяемых точек с помощью импульсного лазерного безотражательного дальномера. Измерения производятся с очень высокой скоростью -десятки (до 240) тысяч измерений в секунду. В считанные минуты прибор измеряет несколько миллионов точек, точно повторяющих поверхность сканируемого объекта. В качестве излучателя используется полупроводниковый лазер, как правило, ближнего инфракрасного диапазона, работающий в импульсном режиме. В каждом элементарном измерении в процессе сканирования регистрируются наклонная дальность до точки отражения и значение угла, определяющего направление распространения зондирующего луча в системе координат локатора.

В зависимости от типа лазерного локатора могут фиксироваться более пяти отражений для каждой линии визирования. Такая возможность способствует получению более информативных лазерно-локационных изображений, так как в одном элементарном измерении в процессе сканирования могут быть получены отклики сразу от нескольких компонентов сцены: первые отклики будут получены за счет отражений от листвы растительности, проводов и опор ЛЭП, кромок зданий, а последний отклик, как правило, соответствует поверхности земли.

Текущее положение лазерного сканера определяется с помощью высокоточных GPS или GPS/ГЛОНАСС — приемников, работающих в дифференциальном режиме (одновременная работа GPS-приемников на сканере и на земле в пунктах полиго-нометрии). Таким образом, удается точно определять координаты точек отражения лазерного луча. Сочетание замеренных значений наклонной дальности и угла сканирования позволяет непосредственно получить абсолютные геодезические координаты элементов сцены, вызвавших отражение зондирующего луча.

Использование импульсного метода позволяет достичь точности измерения дальности не более 8-10

см. Это ограничение носит принципиальный характер и связано с невозможностью применения в настоящее время на авиационных носителях фазового метода измерения, для которого в случае использования источника излучения оптического диапазона достижима точность значительно выше 1 мм. Точность определения положения точек в пространстве составляет до 510 см в плане и 10-20 см по высоте. Проведение съемки обеспечивает точность и полноту данных, необходимых для проведения картографирования в масштабе 1:500 — 1:2000. При увеличении высоты съемки ширина полосы сканирования увеличивается пропорционально высоте, а точность уменьшается.

После получения массива точек отражения от поверхности земли производится их разделение на точки растительности (растительность — полупрозрачный для лазерного сканера объект, т. к. часть лучей отражается от листвы, а часть — от грунта под кроной) и поверхности грунта.

Выделение точек идет в автоматизированном режиме с использованием методов математической статистики. После выделения точек растительности становится возможным определить ее высоту, тип, диаметр крон и т.п. Выделенные точки грунта используются для построения цифровой модели рельефа. Хаотическое множество лазерных точек замещается более выразительными математическими объектами — триангуляционными (TIN) и регулярными (GRID) поверхностями, геометрическими примитивами, каркасными моделями и др.

В результате все последующие виды математической обработки могут проводиться в условиях более комфортных с точки зрения объема необходимых вычислительных ресурсов.

Наземное лазерное сканирование на сегодняшний день самый оперативный и производительный способ получения точной и наиболее полной информации о пространственном объекте. Суть технологии заключается в определении точных пространственных координат точек поверхности объекта.

Процесс реализуется посредством измерения расстояния до всех определяемых точек с помощью импульсного лазерного безотражательного дальномера. Измерения производятся с очень высокой скоростью — десятки тысяч измерений в секунду. Прибор измеряет несколько миллионов точек, точно повторяющих поверхность сканируемого объекта. На пути к объекту импульсы лазерного дальномера проходят через систему, состоящую из двух зеркал, отклоняющих луч в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Зеркала управляются высокоточными сервомоторами. Именно они обеспечивают точность определения направления луча, сканирующего объект.

Когда известны дальность до точки и угол разворота обоих зеркал, процессор сканера вычисляет точные координаты каждой точки. Управление лазерным сканером осуществляется с ноутбука с помощью специальных программ. В результате одного сеанса сканирования образуется облако точек отражений лазерного луча. Для каждой точки регистрируется 3 координаты (XYZ) и интенсивность (I) принятого сигнала. Ин-

тенсивность сигнала зависит от угла между отражающей поверхностью и лазерным лучом, а также от свойств самой поверхности.

Опознание объектов и их отрисовка в интерактивном режиме (для обеспечения высокой точности) чрезвычайно облегчаются при использовании данных цифровой съемки. Для этого используются фотокамеры высокого разрешения, обеспечивающие получение цветных кадров с разрешением. Съемка ведется с тех же точек, что и лазерное сканирование, камера закрепляется непосредственно на лазерном сканере. После слития воедино всех облаков точек и проведения калибровки фотокамеры производится расцвечивание точек лазерных отражений по серии фотографий.

После проведения рекогносцировочных работ на объекте происходит закрепление световозвращающих марок на сканируемых поверхностях. Для каждого сеанса сканирования без перестановки штатива требуется 4-10 марок. Точные относительные или абсолютные координаты марок определяются GPS (на открытом пространстве) либо тахеометром с последующей GPS-привязкой (для закрытых помещений и подземных объектов).

Полное содержание статьи: https://cyberleninka.ru/article/n/lazernaya-lokatsiya-pri-semke-otkrytyh-gornyh-rabot/pdf