Материал: 2385

соответствующего методического и алгоритмического обеспечения, разработкой которого занимаются различные компании в России и в мире.

Обратимся к другому объекту сравнения. Говоря о прикладном аспекте ЛЛ методов можно с некоторой долей условности выделить два главных направления. Первым является топографическое направление, которое предполагает использование ЛЛ данных для восстановления рельефа, а также для рисовки важнейших контуров, подлежащих изображению на топографических картах и планах. Другим главным направлением является широкий круг задач, непосредственно не связанных с топографией. В рамках решения таких задач ЛЛ данные используются для построения векторных моделей и определения набора морфологических свойств разнообразных естественных или искусственных образований. В большинстве случаев сбор информации такого рода является составной частью инженерных изысканий. В любом случае при проведении анализа прикладного значения ЛЛ метод логично сравнивать, прежде всего, со стереотопографическим методом создания карт и планов или его аналогам, основанных на методах наземной (ближней) фотограмметрии. В пользу выбора стереотопографического метода в качестве базиса для оценки эффективности ЛЛ метода можно привести следующие аргументы:

Стереотопографический метод до настоящего времени является главным технологическим звеном производства и обновления топографических данных в самом общем смысле. Использование этого метода является обязательным, что закреплено официально действующими нормативными документами. В то же время ЛЛ методы по характеру получаемых данных, степени их полноты и точности в значительной степени обеспечивают решение тех же задач, что и классический стереотопографический метод, предполагающий выполнение аэрофотосъемки, работ по геодезическому обоснованию и комплекса процедур фотограмметрической обработки. В этом смысле, сравнение ЛЛ методов и стереотопографического метода корректно. Дополнительным аргументом в пользу этого являются результаты основных тенденций внедрения ЛЛ методов в практику производства топографических материалов. Здесь отчетливо прослеживается тенденция дополнения стереофотограмметрических методов лазерно-локационными при составлении топографических планов, при кадастровых работах, а также при проведении инженерных изысканий в таких отраслях как строительство, нефтегазовая промышленность, электроэнергетика. Вообще говоря, правильнее говорить не о дополнении, а об эволюции стереотопографического метода, в части прямого усвоения данных по рельефу и по важнейшим контурам, полученных ЛЛ методом.

Сравнение ЛЛ методов с другими известными в настоящее время методами авиационного дистанционного зондирования, обеспечивающих прямое получение трехмерных данных, в частности с интерферометрическими радиолокационными системами бокового обзора, не может считаться вполне корректным. Интерферометрические радиолокационные системы хотя и обеспечивают прямое измерение геометрии рельефа, но занимают отличную от ЛЛ средств экологическую нишу

ипоэтому не могут рассматриваться как аналог при выполнении сравнения по техническим

иэкономическим показателям. По своим главным параметрам – разрешение при высоте полета 2000 м на уровне первых метров, точность определения геодезической высоты на уровне 3-7 м, радиолокационные данные также находят применение в целом ряде других областей, например, в геологии.

4.Инструментальные средства лазерной локации

187

4.1 Методика определения координат лазерных точек при выполнении лазерно-локационной съемки

Как показано в предыдущих разделах первичное лазерно-локационное измерение выполняется с привлечением нескольких источников информации. По этой причине для полного описания процесса измерения необходимо законченное формализованное представление всех соотношений, определяющих пространственную и временную соотнесенность данных различных источников.

Что касается временной синхронизации, то она обеспечивается за счет привязки временных шкал всех приборов к единому абсолютному времени, поставляемому бортовым GPS приемником. При этом, в процессе съемки обеспечивается лишь регистрация всех видов данных с соответствующими временными метками. Фактическая синхронизация обеспечивается на этапе наземной обработки.

Перейдем к рассмотрению вопросов пространственной синхронизации. Общая схема компоновки бортового аэросъемочного комплекса изображена на рисунке11.6 изображены все значимые компоненты комплекса, а именно сканерный блок, GPS антенна, а также цифровой аэрофотоаппарат. Общее положение комплекса рассматривается в некоторой обобщенной топоцентрической СК ОNEA , в которой предполагается, что ось ОN направлена на север, ось ОE на восток, а ось ОA дополняет эту СК до левой ортогональной. Более подробно вопрос о корректном выборе СК рассмотрен в последующих главах.

Так как функционирование комплекса основано на взаимодействии и обмене информацией между компонентами, необходимо установить формулы соответствия между СК, используемых для каждого из устройств.

Векторные пространства, образованные СК ОNEA , сканерного блока и фотоаппарата будем обозначать соответственно G , S , C . Строгие определения всех этих СК также представлены ниже.

Рисунок 11.6 Общая схема компоновки бортового аэросъемочного комплекса

Из определения ясно, что все системы координат являются ортогональными. Положение любой точки в указанных пространствах будем характеризовать векторами g, s, c. В приведенном обозначении вектор определяет принадлежность к тому или иному пространству.

Под уравнениями связи будем понимать соотношения, обеспечивающие пересчет координат произвольного вектора из одной СК в другую. Ясно, что эти соотношения пересчета будут зависеть от некоторого набора параметров, характеризующих:

Положение и ориентацию всего аэросъемочного комплекса в пространстве.

Внутренней конфигурации комплекса.

Только после того как уравнения связи записаны явно, появляется возможность гарантировать пространственную синхронность потоков данных. Также на основе этих

188

уравнений возможен анализ компоновки аэросъемочного комплекса на предмет его оптимизации. В этом смысл введения уравнений связи.

Ясно, что переход из одной трехмерной СК в другую осуществляется на основе матрицы третьего порядка и вектора, определяющего начало одной СК в другой СК. Будем

обозначать матрицы перехода через А , а начальные вектора через b , с добавлением

индексов, определяющих пространства, для которых определяется переход. Например, АGS

и bGS для перехода из пространства G в пространство сканера S .

В силу того, что мы имеем дело с тремя СК, всего имеет место шесть уравнений связи. На практике, однако, достаточно определить только два из них, а именно:

Покажем, что все другие уравнения перехода могут быть получены из двух приведенных выше.

Аналогично решается вопрос для уравнений перехода S ® C , G ® C .

При выводе уравнения связи для топоцентрического и сканерного пространств прежде всего изучим источники информации, определяющие положение сканерного блока

впространстве ОNEA :

Пространственные координаты сканерного блока определяются бортовым GPS приемником, который непосредственно поставляет координаты местоположения антенны. При этом следует отметить:

Фактическое определение геоцентрических координат антенны осуществляется дискретно с программируемой частотой, которая обычно составляет 1-20

Гц.

Точное определение координат антенны N A , E A , A A осуществляется только

впроцессе наземной постобработки, а не в реальном времени (если не используется режим RTK). В реальном времени определяются только условные, вспомогательные координаты, необходимые для правильной работы навигационного компьютера.

Угловая ориентация сканерного блока определяется с помощью IMU , входящего в состав навигационного компьютера. Относительно выдаваемых им данных имеют место следующие замечания:

Определение угловой ориентации также осуществляется дискретно, обычно с частотой 50-200 Гц.

Выдаваемые значения IMU есть три угла ориентации R * , P * , H * , которые эквивалентны, как уже отмечалось, соответствующим углам ориентации носителя – крену,

189

тангажу и рысканию. Эти значения, однако, не могут быть использованы непосредственно в искомом уравнении связи по следующей причине. Специфика работы навигационного компьютера и в частности IMU определяет его работу только в общемировой СК земного эллипсоида WGS -84, но не в ортогональной топоцентрической СК.

Исходя из описанных особенностей навигационного обеспечения процесса сканирования, перейдем к выводу уравнения связи. Главной целью здесь является переход

к положению, когда в любой момент времени однозначно определены вектор bGS ,

определяющий текущее положение сканера и матрица ориентации AGS . Такой переход возможен исходя из следующих соображений:

За счет использования специальных математических приемов, изложенных ниже, можно говорить о наличии непрерывных во времени данных по траектории носителя

иуглам ориентации. Таким образом, можно считать, что каждое первичное лазернолокационное измерение обеспечено соответствующими данными.

За счет рассматриваемой в предыдующих разделах процедуры измерения

выставочных параметров сканерного блока всегда возможен переход от вектора bGA ,

который есть результат непосредственного GPS измерения, к вектору bGS , определяющего

положение точки центра сканирования.

Корректный пересчет углов ориентации R * , P * , H * из СК Земного эллипсоида в углы R , P , H СК ОNEA всегда возможен с применением методик, изучаемых

вкурсе математической картографии.

Сучетом вышеизложенного вернемся к уравнению связи (11.1):

Предполагается, что векторs представляет результат единичного дальномерного измерения, т.е. значение наклонной дальности и направление зондирующего луча. Наличие

определенных bGS и AGS позволяет перейти к картографическим координатам точки

отражения g , т.е. выполнить главную задачу сканирования.

Матрица AGS может быть определена через величины направляющих косинусов, т.е.

через разложение орт СК сканера ОXYZ по базису обобщенной СК ОNEA .

Представим схему интерпретации величин и знаков углов R , P , H так, как это принято в авиационном дистанционном зондировании (Рисунок 11.14).

W

Рисунок 11. 7 К определению знаков углов R , P , H

Для формального определения углов введем несколько вспомогательных объектов:

Оs1 X1 – проекция вектора Оs X на горизонтальную плоскость ОNE.

190

P – вертикальная (параллельная ОA) плоскость, проходящая через ОsX.

W - плоскость, совпадающая с ОsXY.

Теперь перейдем к определению углов:

Угол рыскания H есть угол между векторами и Оs1 X1 . Значение этого угла принято определять в диапазоне от 0 до 2π . Значение этого угла возрастает, если вектор Оs1 X1 вращается по направлению часовой стрелки при взгляде со стороны конца вектора ОA .

Угол тангажа P есть угол между вектором ОsX и его проекцией Оs1 X1.

широком диапазоне лишено практического смысла. Угол P считается положительным, если точка X лежит выше плоскости ОcNE (имеет положительное значение координаты A) и отрицательным в противном случае.

Углом крена R будем называть угол, образованный плоскостями P и W. R

практического смысла. Знак R определяется правилом буравчика: R считается положительным, если кратчайший поворот от P к W осуществляется в направлении вращения буравчика, расположенного вдоль оси ОsX .

С учетом введенных определений можно явно записать значения коэффициентов

матрицы AGS :

N X=cos(P)cos(H)

E X=cos(P)sin(H) (11.10)

A X=sin(P)

N Y=sin(R)sin(P)cos(H)-cos(R)sin(H)

E Y=sin(R)sin(P)sin(H)+cos(R)cos(H) (11.11)

A Y=cos(P)sinR

NZ=cos(R)sin(P)cos(H)+sin(R)sin(H)

E Z=cos(R)sin(P)sin(H)-sin(R)cos(H) (11.12)

AZ=-cos(P)cos(R)

Перейдем к определению вектора bGS . Здесь необходимо следующее замечание.

Начало СК сканера намеренно помещено в точку центра сканирования, т.е. центр сканирующего зеркала, т.к. это сильно упрощает многие уравнения в этой СК. В то же время, как уже отмечалось, непосредственно определяются координаты местоположения антенны, которая может быть удалена от главной точки сканирования на расстояние вплоть

до нескольких метров. Обозначим через bSA , вектор в СК сканера, определяющий

местоположение антенны. Этот, чрезвычайно важный в метрологическом отношении вектор, имеет двойное значение:

С его помощью можно полностью записать уравнение связи для сканерного блока и, следовательно, корректно интерпретировать результаты сканирования в процессе постобработки.

Точное знание вектора bSA является абсолютно необходимым условием

корректной работы навигационного компьютера по интегрированию GPS и IMU данных для получения навигационного решения.

Отметим в качестве обязательного условия строгое постоянство вектора bSA . Это

условие означает, что взаимное положение антенны и сканера должно быть измерено с достаточной точностью и не изменяться во время проведения съемки.

191