форма – сложное прецизионное устройство, обеспечивающее динамическую стабилизацию установленного на ней аэросъемочного оборудования путем компенсации колебаний носителя (углов крена, тангажа и рысканья) с помощью входящих в ее состав гироскопов, сервомоторов, датчиков уровня, компенсаторов движения, электроники и пр. Платформа функционирует в автоматическом режиме. Данные, необходимые для управления платформой, определяются системой прямого позиционирования (например, POS AV) с точностью до 0,0003 (около 1 ) и частотой порядка 300 Гц, преобразуются в аналоговую форму и передаются на соответствующий вход платформы. При этом углы крена и тангажа используются для приведения к горизонту фокальной плоскости аэрокамеры, а рысканья – для поворота ее в горизонтальной плоскости так, чтобы базисы фотографирования аэроснимков маршрута оказались взаимно параллельными
исовпали с проектным положением оси маршрута.
Кконцу 1980-х годов была завершена разработка теории использования гироскопов и акселерометров для определения пространственного положения объектов, скорости, ускорения и направления их перемещения, что составляет предмет инерциальной навигации. К этому же периоду были разработаны методы кинематических GPS-измерений, разрешения неоднозначности фазовых измерений в процессе движения («на лету», on-the-fly), GPS-поддержки инерциальных измерений и их совместной обработки с помощью фильтра Калмана. В результате появились принципиально новые высокоточные навигационные комплек-
сы, называемые системами прямого позиционирования, с помощью которых оказалось возможным определение элементов внешнего
ориентирования кадровых снимков или строк линейного сканирования или сканера в каждый момент времени лазерной локации.
Основными компонентами комплексов GPS/IMU являются спутниковые приемники, блоки инерциальных измерений с кольцевыми лазерными гироскопами и вычислительные блоки. Основные функции этих компонентов и их взаимодействие в рамках единой интегрированной системы рассмотрены в отдельной главе.
Все комплексы GPS/IMU совместимы с распространенными аналоговыми и цифровыми камерами и известными гиростабилизирующими платформами. Они находят применение при выполнении аэрофотосъемки аналоговыми, цифровыми камерами и камерами линейного сканирования, использовании лазерных локаторов (лидаров)
ирадаров с синтезированной апертурой.
10
Одним из современных методов сбора и обработки данных о местоположении объектов и рельефе местности, а также их качественных и количественных характеристиках, является метод на основе лазерной локации и цифровой фотосъёмки. В основе тех-
нологии лежит выполнение синхронного маршрутного лазернолокационного сканирования местности и цифровой фотосъемки.
В современных условиях существуют технологии воздушного лазерного сканирования (ВЛС) и наземного мобильного лазерного сканирования (НМЛС). Сбор пространственной информации с помощью мобильного лазерного сканера был бы невозможен без интегрального объединения и совместной обработки трех потоков данных:
GPS – траектория движения платформы;
Position and Orientation System (POS) – угловая ориентация платформы;
LIDAR – дальномерных лазерных измерений.
Все виды данных подвергаются совместной обработке с помощью специального программного обеспечения, которое позволяет за счёт интеграции GPS IMU достаточно точно получать элементы внешнего ориентирования сканерного блока на каждый момент времени, а затем и пространственные координаты точек ХР, УР, ZР снимаемых объектов.
Методики получения данных съемки с использованием автомобильных и авиационных платформ не имеют принципиальных отличий. В обоих случаях в качестве основного источника данных применяются сканирующие лазерные дальномеры, съемка ведется в динамическом режиме, а координатная привязка осуществляется за счет использования систем прямого геопозиционирования, принцип действия которых основан на обмене данными в реальном времени между системой спутниковой навигации GPS (ГЛОНАСС) и инерциальной системой.
Единственное существенное функциональное отличие в системе прямого геопозиционирования, используемой для автомобильных платформ, это появление третьего независимого источника навигационной информации: датчика скорости или пройденного пути. Этот дополнительный источник геопространственной информации позволяет получить еще более точное и достоверное навигационное решение. Количество сканирующих модулей, схема их установки и развертка тоже, как правило, отличается от аэросъемочных систем. В
11
системах мобильного картографирования чаще применяют не один, а от двух до четырех сканирующих модулей, что обеспечивает более полное покрытие сцены съемки во всех ракурсах и минимизирует теневые участки. Что касается траектории сканирования (развертки), то по общему признанию специалистов оптимальной является круговая развертка.
Для получения дополнительной информации, сканирующие блоки комбинируются с цифровыми фотокамерами, видеокамерами, тепловизорами и пр. Совместное использование лазернолокационных и фотографических данных позволяет при визуализации назначать каждой лазерной точке её естественный цвет, что приводит к появлению фотореалистичных трёхмерных цифровых моделей.
При выполнении ВЛС на одной платформе с оптическим блоком лазерного сканера устанавливается цифровой фотоаппарат. Цифровые снимки высокого разрешения в процессе проведения аэросъёмочных работ записываются на жёсткий диск бортового компьютера. Специально разработанные программы и современные компьютеры обеспечивают исключительно высокую скорость записи данных каждого отдельного кадра на жесткий диск компьютера. Камеральная обработка данных спутниковых, инерциальных наблюдений и вычисление траекторий полетов летательного аппарата выполняется с помощью специального программного обеспечения.
Для приведения фотоизображений к заданному масштабу выполняется трансформирование снимков. Алгоритм трансформирования снимков основан на аналитических зависимостях, в которых в качестве исходных данных выступают: элементы внутреннего ориентирования, уравненные (или «сырые») элементы внешнего ориентирования снимка, полученные по результатам прямого позиционирования или уравнивания пространственной фототриангуляции, и матрица рельефа, полученная по результатам обработки материалов лазерной локации.
2.Аэроизыскания
Втехнологии системного автоматизированного проектирования объектов строительства (САПР) аэрофотогеодезический метод выступает как один из основных видов изыскательских работ. Этот метод позволяет значительно увеличить производительность полевых работ
иперенести основной объём работы по получению информации о ме-
12
стности в комфортные камеральные условия, с широким привлечением для этих целей средств автоматизации и компьютерной техники.
Аэроизыскания – комплекс специальных воздушных, наземных полевых и камеральных работ, направленных на получение исходной топографической, инженерно-геологической, гидрогеологической, гидрометеорологической, экономической и других видов информации, необходимой для разработки проектов объектов строительства.
Опыт, накопленный в области применения аэрометодов при изысканиях, показывает их исключительную эффективность по сравнению с традиционными методами сбора информации как в части значительного снижения трудоёмкости и сокращения сроков изысканий, так и в части широты охвата различных видов информации, необходимой для проектирования. Аэроизыскания выполняют в три
этапа: подготовительный, полевой и камеральный.
Вподготовительный период осуществляется сбор имеющейся на район изысканий топографической информации и материалов аэросъёмок прошлых лет, на основании которых обосновывают полосу варьирования конкурентоспособных вариантов трассы и составляют проект производства аэросъёмочных, полевых и камеральных аэрофотогеодезических работ.
Вполевой период производят: наземные геодезические работы по созданию планово-высотного обоснования аэросъёмок с определением и закреплением базовых станций; различные виды аэросъёмочных работ, привязку и дешифрирование аэрофотоснимков. Важным видом аэрогеодезических изысканий является дешифрирование – выявление (обнаружение и опознавание) и раскрытие содержания (познания) различных объектов и элементов местности по их изображениям на снимках, их качественных и количественных характеристик, своеобразных свойств и особенностей.
Вкамеральный период выполняют полную обработку результатов геодезических (спутниковых) измерений, фотограмметрическое сгущение геодезического съёмочного обоснования методами аналитической фототриангуляции, стереофотограмметрические работы по получению информации о рельефе и изготовлению топографических планов и ЦММ в единой системе координат.
13
3. Аэросъёмка, её виды и методы
Аэросъёмкой называют процесс получения изображений местности с летательных апппаратов. Если её ведут фотоаппаратами, то её называют аэрофотосъёмкой, если с помощью специальных телевизионных или электронных сканирующих устройств, то – электрон-
ной или сканерной аэросъёмкой, если с помощью тепловизоров в инфракрасной части спектра, то – тепловой или инфракрасной съёмкой, а если радиолокаторами, при которых получают изображение в отражённых от поверхностных слоёв электромагнитных радио-
волн, – радиолокационной съёмкой.
Регистрацию изображений местности можно вести в разных зонах спектра электромагнитных волн: видимой с длинами волн (0,38 – 0,78 мкм), ультрафиолетовой ближней (0,28 – 0,32 мкм), инфракрасной (0,18 – 10 мкм), или микрорадиоволновой (0,01 – 100 см). Съёмку выполняют либо в одной зоне электромагнитного излучения, либо одновременно в нескольких.
При инфракрасной аэросъёмке регистрируется электромагнитное излучение в диапазоне длин волн 0,7 – 12 мкм, которое излучают или отражают различные объекты местности. Инфракрасное излучение как носитель информации близко к свету и радиосигналам, зависит от температуры источника излучения, характеризует его вещество и состояние. Оно выявляет внутренние свойства объектов, позволяет изучать процессы в верхнем слое Земли. Инфракрасные системы имеют оптическую часть, приёмное устройство, устройство обработки и выдачи информации. Излучение природной среды в ифракрасной области спектра регистрируется тепловизорами в трёх зонах: ближней
(0,7 – 2,5 мкм), средней (3,0 – 5,5) мкм) и дальней (8 – 12 мкм). На практике установлена важность совместного дешифрирования панхроматических и инфракрасных аэрофотоснимков.
При радиолокационной съёмке получают изображения местности в радиоволновом диапазоне электромагнитного излучения. Существуют специально приспособленные для глубинных геологических гидрологических работ многочастотные радиолакационные установки, использующие сантиметровые дециметровые волны. Радиолакационные съёмки особенно эффективны при исследовании влажности, мерзлотных явлений, болот, геологических и гидрологических образований.
14