Лазерное сканирование и космическая съемка — соревнование или партнерство

      Комментарии к записи Лазерное сканирование и космическая съемка — соревнование или партнерство отключены

Лазерное сканирование и космическая съемка — соревнование или партнерство

И.А. Рыльский

Эти КОСМИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ Очень высокого РАЗРЕШЕНИЯ — ВОЗМОЖНОСТИ ПО ТОЧНОСТИ И ПОЛНОТЕ

На данный момент самые совершенные съемочные совокупности космического базирования позволяют приобретать снимки с детальностью 30 см (спутник WorldView-3). К сожалению, подобное разрешение на данный момент имеется лишь у одного аппарата. Основной же количество космической съемки идет в разрешении 50–60 см (рис.

1). Цена аналогичных данных в большинстве случаев образовывает около 20 долл./км2 (либо по существующему курсу образовывает около 1500–1600 руб./км2).

Рис. 1. Пример спутниковых данных с разрешением 30 см (WorldView-3, слева) и 50 см (WorldView-2, справа)

Традиционно эти с разрешением 50 см позиционируются как материалы, пригодные для ортофотопланов картографических 1:5000 материалов и масштаба подобных по масштабу. Наряду с этим как правило высотная погрешность у аналогичных данных близка к 1,5–2 пикселам, т.е. образовывает 75–100 см. Плановая погрешность наряду с этим в большинстве случаев находится на уровне 2–3 пикселов (при наличии качественной модели опорных точек и рельефа).

В случае если разглядеть требования, скажем, к топографическим замыслам масштаба 1:5000 (в соответствии с СНиП 11-02-96. «Инженерные изыскания для постройки. Главные положения»), то можно подчернуть, что базисным сечением рельефа на материалах масштаба 1:5000 есть 2 м, а точность высотных отметок должна быть равна около 1/3 сечения рельефа, другими словами 67 см. Плановая погрешность наряду с этим может составлять до 2,5 м. Нетрудно видеть, что указанные материалы в целом пригодны для картографирования в 2D, но мало не дотягивают в точности по высоте до масштаба 1:5000.

Для данных космической съемки с разрешением 30 см, каковые в большинстве случаев позиционируются как достаточные для топографических замыслов масштаба 1:2000, обстановка подобная — требования в части точности рисовки контуров в плане (1 м) обеспечиваются, а в части определения высоты – мало не дотягивают до требований масштаба 1:2000 (в соответствии с того же СНиП 11-02-96). Так, высотная точность, которая возможно достигнута согласно данным с разрешением 30 см образовывает 45–60 см, а требуемая (при сечении рельефа в 1 м) – 33 см.

Помимо этого, при работе в масштабах 1:2000 и 1:5000 требования в части рисовки рельефа начинают диктовать необходимость отображения небольших микроформ и форм рельефа (эрозионные врезы, откосы, бровки, проч.). Наряду с этим кроны деревьев, не обращая внимания на высокое разрешение, не становятся прозрачнее, и потому цифровая модель рельефа под кронами деревьев по большому счету перестает соответствовать каким-либо требованиям по точности – оператор-обработчик может лишь догадываться по формам крон об подлинной форме рельефа под пологом растительности.

Так, возможно констатировать факт, что, не обращая внимания на большой прогресс в области детальности, эти очень высокого разрешения, приобретаемые с совокупностей космического базирования, имеют  те же сложности в обработке, что и простая аэрофотосъемка, наряду с этим не владея ее разрешающей свойством (в большинстве случаев, лучше 30 см).

СУЩЕСТВУЮТ ЛИ БОЛЕЕ ИДЕАЛЬНЫЕ Ответы ДЛЯ РАБОТЫ В МАСШТАБАХ 1:2000 И 1:5000?

Да, подобные ответы существуют, они известны В первую очередь 2000-х годов. Это технологии воздушного лазерного сканирования. Вправду, все совокупности воздушного лазерного сканирования оснащаются цифровыми фотокамерами среднего формата (время от времени — широкоформатными совокупностями, трудящимися в один момент с совокупностями сканирования), дающими цветные снимки.

Лазерные импульсы способны как отражаться от крон деревьев, так и попадать через незначительные отверстия в кронах до почвы, давая исчерпывающе полную картину микрорельефа и рельефа (рис. 2). Точность  лазерного сканирования (в плане и по высоте) на настоящий момент образовывает до 5–8 см, что разрешает составлять материалы масштаба от 1:5000 до 1:500 включительно.

Рис. 2. Пример «пробивания» растительности согласно данным воздушного лазерного сканирования. (переход р. Ангара, съемка под масштаб 1:2000, камера Riegl Q560)

Если сравнивать с хорошей аэрофотосъемкой  у лазерного сканирования имеется  значительное преимущество в скорости обработки. Вправду, необходимость в исполнении фототриангуляции и восстановлении модели поверхности с применением корреляционных  либо ручных стереоизмерений у лазерного сканирования отсутствует.  Координаты объектов измеряются напрямую — а также, в «стеснённых» объёмах и колодцах, на вертикальных стенках, проводах, висячих конструкциях и т.п. — словом, на всех объектах, воображающих собой настоящий кошмар для фотограмметриста.

Но у совокупностей лазерного сканирования имеется и недочёты. Либо, по крайней мере, были. Впредь до недавнего времени совокупности лазерного сканирования отличала маленькая высота съемки, резкое уменьшение плотности сканирования по мере повышения высоты полета (и, как следствие — весьма стремительное падение плотности сканирования), и цена съемок. Фактически, цена съемок и являлась следствием первых двух обстоятельств.

Помимо этого, у совокупностей воздушного сканирования с качающимся зеркалом (Leica, Optech) имеется важные ограничения по возможности обеспечения равномерного покрытия лазерными точками, в особенности — при применении их на скоростных носителях (наподобие Aн-30, L-410). Совокупности с вращающимся зеркалом (Riegl) аналогичных ограничений не имеют.

Не обращая внимания на большую цена самих лазерных совокупностей, ее нельзя рассматривать как априорный факт удорожания услуги. Вправду, цена широкоформатных аэрофотокамер не ниже, а иногда многократно выше стоимости совокупности воздушного лазерного сканирования. Комментарии про цена спутников дистанционного зондирования Почвы (ДЗЗ) излишни.

Но начиная с 2014 г. на рынке показались совокупности с очень высокой производительностью, в которых неприятность падения частоты сканирования с высотой была  фактически решена (рис. 3). Это разрешило «поднять» потолок сканирования при обеспечении заданной плотности многократно.

Примером подобной системы есть камера Riegl Q1560. Благодаря граненому зеркалу, эта совокупность может снабжать равномерное распределение точек лазерных отражений в строчке и между строчками на всем диапазоне высот применения при скорости 180 км/ч и на высотах более 600 м — при скоростях до 350–450 км/ч.

Рис. 3. Уменьшение частоты сканирования с высотой у Riegl Q1560 и OPTECH GALAXY

Из-за чего НАМ ЭТО Весьма интересно

Анализ структуры заказов спутниковых  данных, поставляемых компанией «Совзонд», начиная с 2007 г. показывает рост количеств в области данных очень высокого разрешения. Восходящий тренд налицо. Интерес к данным с разрешением в 30 см на сегодня ограничивается лишь их  длинной очередью и ценой  желающих их купить (цена этих данных приблизительно в 2,5–3 раза выше стоимости данных с разрешением 50 см).

Не обращая внимания на всем узнаваемые плюсы космической съемки — огромная производительность, дешевизна минимального заказа, возможность стремительной приобретения архивных данных — у нее имеется и минусы, каковые начинают все посильнее проявляться по мере разрешения объема снимков и увеличения заказа. Так, исполнение космической съемки в количестве 2000–3000 кв. км с разрешением 30 см может занять пара месяцев (долгая очередь желающих с более приоритетными и меньшими по размеру проектами, и проч.). Съемка может по большому счету не пройти в районах с неустойчивой погодой — периодичность прохождения спутника над районом не может быть поменяна.

Одновременно с этим, авиационная лазерная съемка разрешает трудиться и под тучами, и применять маленькие «окна» погоды, и не зависеть от  солидного числа ранее обратившихся клиентов.  Но самое основное — она дает нам сходу  данные о рельефе, по которой мы можем   срочно приступать к ортотрансформированию снимков, и предложить клиенту целую линейку новых продуктов, каковые нельзя получить, применяя простую аэрофото- либо космическую съемку. Это:

  • цифровая модель рельефа с покрытием и беспрецедентной 100% детальностью не обращая внимания на лес;
  • цифровая модель относительных высот надземных объектов — домов, столбов;
  • -совокупности трехмерных профилей объектов и рельефа.

Как видим, высокопроизводительная лазерная съемка с одновременной фотосъемкой может создать хорошую альтернативу космической съемке, в частности — ее самый массовому сегменту с разрешением 50 см.

Вопрос в этом случае пребывает в цене.  Как раз исходя из этого, применяя открытые сведения о тактико-технических чертях  двух самые  производительных на сегодня совокупностей (Riegl Q1560, Optech GALAXY), мы сделали последовательность несложных вычислений. А также — ценовых.

 Остальные совокупности не упоминаются в данной работе ввиду или их значительно меньшей производительности, или ввиду неосуществимости трудиться на высотах 2500 и более метров.

ИСХОДНЫЕ УСЛОВИЯ РАСЧЕТОВ

При расчетах условий применения совокупности мы исходили из работы по объектам, владеющим отражающей свойством на уровне темнохвойных лесов — это сделано для обеспечения реалистичности расчетов (альбедо 40%). Потому, что упоминающиеся в данной статье лидары трудятся на однообразной длине волны, поправки в альбедо за длины волн не нужно.

В расчетах  производительности постулируется, что лишь 40% летного времени производится съемка новых территорий  — остальные 60% налета уходят в подлет, развороты, обеспечение перекрытия. При расчете итоговой ожидаемой «коммерческой себестоимости»  мы исходили из того, что авиационные работы составляют только 40% затрат на проект  — все другое есть амортизацией оборудования, затратами на заработную плат, командировки и т.п.

Материалы забраны из официальных черт устройств:

  • для Optech — http://www.teledyneoptech.com/wp-content/uploads/Galaxy-Specsheet-150402-WEB.pdf,
  • для Riegl — http://www.riegl.com/uploads/tx_pxpriegldownloads/ DataSheet_LMS-Q1560_2015-03-19.pdf

На практике вероятно очень много вариантов носителей для данных совокупностей. Мы выбрали самые типичных представителей — АН-2 (в большинстве случаев используется для лазерного сканирования, весьма распространен) и АН-30 — хороший пример носителя для высокопроизводительной аэрофотосъемочной совокупности. В расчетах использованы цены на летный час работ, забранные с некоторым запасом (возможность нанять самолеты дешевле существует, но цена зависит кроме этого и от региона).

Как направляться из рис. 4, в масштабах, каковые на данный момент самый занимательны клиентам компании «Совзонд» (1:2000, 1:5000), камера Riegl Q1560 владеет полуторократным преимуществом по настоящей производительности. Разумеется, что в случае если для компании главной есть цена, определяемая себестоимостью работ, то производительность — главной фактор выбора.

Как раз исходя из этого во всех предстоящих расчетах употребляются тактико-технических чертей камеры Riegl Q1560.

Рис. 4. Производительность лазерной съемки с применением камер Riegl Q1560 и OPTECH GALAXY. Приведены эти для AН-2 (прямолинейный полет) при работах под заданную плотность сканирования (либо масштаб).

Нетрудно видеть  на рис. 3, что до высоты 2500 м частота сканирования Riegl Q1560 не падает, а остается большой. Это достигается за счет разработки MTA, разрешающей в пост-обработке разрешать неоднозначность, появляющуюся при нахождении в воздухе нескольких лазерных импульсов в один момент (поддерживается до 10 импульсов).

Высокая мощность лазера разрешает иметь громадный запас по высоте, до которой нет необходимости снижать частоту сканирования (рис. 5).

Рис.5. Разрешение фотоснимков, приобретаемых при применении штатной среднеформатной камеры Riegl Q1560. Ось Х — высота в м, ось У — разрешение фотоснимка в сантиметрах

Камера комплектуется 80-мегапиксельным задником, и может комплектоваться разными объективами. По большей части фокусное расстояние образовывает приблизительно 10300 пикселов. Нетрудно видеть, что впредь до высоты 4000 м разрешение камеры так и не достигает 50 см, оставаясь на уровне 40 см на высоте 4000 м (рис.

6). Как видим, на высотах выше 800 м перекрывается  целый диапазон масштабов 1:1000 – 1:5000.

Рис.6. Плотность точек лазерного сканирования, приобретаемая с применением камеры Riegl Q1560 на разных носителях. Ось Х — высота в м, ось У — количество точек на 1 кв. м

Плотность точек лазерного сканирования на земле зависит от скорости носителя. Нетрудно видеть, что при работе  с Ан-2 вероятно обеспечение плотностей в диапазоне 1:1000 – 1:5000 при работе на высотах выше 800 м. При работе с Ан-30 на подобных высотах достигается плотность, достаточная для 1:2000 – 1:5000.

В табл. 1, 2 возможно ознакомиться с конкретными значениями производительности, скорости полета, высоты, частоты, разрешающей способности, и стоимости исполнения работ — летных затрат и ожидаемой коммерческой себестоимости. Значения вычислены по вышеприведенной методике.

Табл. 1. Режимы работы камеры Riegl Q1560 при съемке с Ан-2. Цветом продемонстрированы режимы в соответствии с масштабом (зеленый —1:1000, желтый — 1:2000, оранжевый —1:5000) Табл.

2. Режимы работы Riegl Q1560 при съемке с Ан-30. Цветом продемонстрированы режимы в соответствии с масштабом (зеленый -—1:1000, желтый — 1:2000, оранжевый —1:5000)

График (рис. 7) говорит о том, что при применении совокупности Riegl Q1560 и подборе носителя под задачу вероятно исполнение съемок под масштаб 1:1000 по цене от 1400 руб./км2, под масштаб 1:2000 — от 750 руб./км2, под масштаб 1:5000 — от 650 руб./км2.  Сравнивая эти цены со ценой уже упоминавшихся космических данных по цене 1500 руб./км2, каковые все равно не разрешают сделать ни полноценный замысел масштаба 1:2000 либо 1:5000, возможно сделать вывод, что использование подобной системы на русском рынке способно потеснить позиции западных поставщиков космических данных.

Рис. 7. Ожидаемая цена работ при работах Riegl Q1560 с разных носителях под разные масштабы.

В приведенных стоимостях, как нетрудно видеть, не учтены затраты на планово-высотное обоснование, создание ортофотопланов, создание цифровых моделей рельефа (ЦМР) (контрдовод — в стоимости поставки спутниковых данных они также не учтены). Не учтена перегонка борта до места работ — на малых проектах она может значительно удорожать исполнение работ. Имеется кроме этого последовательность иных допущений, но неспециализированный результат говорит об одном – использование высокопроизводительных лазерных совокупностей,  каковые смогут обеспечить работу в режиме частоты сканирования выше 500 000 точек в секунду на высотах более 2000 м  и равномерность распределения точек отражений на громадных скоростях, приведет к понижению затрат на получение данных дистанционного зондирования до отметки массово дешёвых данных космосъемки с разрешением 50 см.

На данный момент совокупность с этими чертями всего одна — уже упоминавшийся Riegl Q1560. К сожалению, другие производители (Leica и Optech) — не предлагают ответов, снабжающих равномерного распределения и подобной производительности данных на громадных высотах, и, следовательно, не достигают аналогичной ценовой эффективности. На данный момент компания «Совзонд» разглядывает возможность  частичной замены данных космических съемок  с применением подобной системы.

Лазерное сканирование городской территории


Подобранные по важим запросам, статьи по теме: