Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Сибирский государственный университет геосистем и технологий»

(СГУГиТ)

На правах рукописи

Комиссаров Александр Владимирович

Теория и технология лазерного сканирования для пространственного

моделирования территорий

25.00.34 – Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия

Диссертация на соискание ученой степени доктора

технических наук

Научный консультант –

доктор технических наук,

профессор

Антипов Иван Тимофеевич

Новосибирск – 2015

2 ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………........................... 4

1 МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ.......................................................................

13

1.1 Системное представление лазерного сканирования....................................... 13

1.2 Обобщенная технология лазерной съемки………........................................... 25

1.3 Обобщенный подход к выбору организационных параметров

съемки……………………………………………................................................

45

2 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА

ИЗМЕРЕНИЙ ЛАЗЕРНЫМИ СКАНЕРАМИ...................................................

60

2.1 Классификация погрешностей в результатах лазерного сканирования…..... 60

2.2 Влияние внешних условий на точность лазерного сканирования.................. 71

2.3 Влияние метрологических свойств объектов на точность лазерной

съемки....…….......................................................................................................

82

2.4 Инструментальные источники погрешностей……………….......................... 94

3 ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ТОПОГРАФИЧЕСКОЙ ПРО-

ДУКЦИИ ПУТЕМ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИ-РОВАНИЯ..........

112

3.1 Оценка точности методов внешнего ориентирования сканов........................ 112

3.2 Теоретические основы скантриангуляции..………………….......................... 140

3.3 Общие принципы оценки точности создания цифровых моделей

объектов и рельефа…………………………………...........................................

144

4 ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ............................................

151

4.1 Теория преобразования сканерных данных в виртуальные

снимки…………………………………………...................................................

151

4.2 Уравнивание скантриангуляции методом связок……………........................ 157

3 4.3 Общие принципы формирования и обработки изображений, полученных

по материалам наземного лазерного сканирования и съемки цифровой

камерой……..........................................................................................................

163

4.4 Обоснование направлений использования данных цифровой съемки при

наземном лазерном сканировании………………..............................................

169

5 ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ

РЕШЕНИИ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ………….......................................

176

5.1 Методика поверки наземных лазерных сканеров............................................ 176

5.2 Комплексная методика исследования наземных лазерных сканеров............. 182

5.3 Методика калибровки резервуаров шаровых………………............................ 208

5.4 Методика калибровки неметрических цифровых камер с использованием

наземных лазерных сканеров………………......................................................

221

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………….................................... 229

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.............................. 233

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ.............................................................................................. 234

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………................................................... 236

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

СКАНЕРОВ……………………......................................................

273

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное) ГРАФИКИ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ЭЛЕМЕНТОВ ВНЕШНЕГО ОРИЕНТИРОВАНИЯ ДВУМЯ

МЕТОДАМИ УРАВНИВАНИЯ....................................................

275

4 ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Современное дистанционное зондиро-

вание благодаря развитию технических средств способно обеспечивать различные

научные и производственные комплексы пространственно-временными данными

об объектах местности, инженерных сооружениях и рельефе. Такие данные необ-

ходимы для решения оборонных, экологических, управленческих и разнообраз-

ных инженерных задач, а также для автоматизированного анализа при управлении

территориями на основе трехмерного геоинформационного обеспечения.

В настоящее время из всего многообразия новых технических средств осо-

бое место занимают лазерные съемочные системы, которые в виду их достоинств

значительно расширяют возможности теории и практики фототопографического

метода сбора пространственных данных. Главными из достоинств таких систем

являются: автоматизация процесса сбора информации, статистическая избыточ-

ность, высокая степень детализации и т.д. Однако на настоящий момент недоста-

точно разработана теория и технология лазерного сканирования.

Ключевое отличие лазерной съемки от традиционных методов фотограм-

метрии заключается в том, что при фотограмметрической обработке пространст-

венные координаты точек объектов определяют методом прямой засечки по сте-

реопаре снимков, полученных с разных точек, а в основу лазерного сканирования

положен принцип измерения расстояний до точек объектов с помощью лазерного

дальномера в безотражательном режиме. При этом точность фотограмметриче-

ских определений значительно варьируется в зависимости от геометрии засечки

(положения объекта относительно точек фотографирования), а при лазерном ска-

нировании все измерения являются практически равноточными во всем диапазоне

работы дальномера. Это свидетельствует о том, что задача получения, обработки

и оценки данных наземного лазерного сканирования является нестандартной для

современной фотограмметрии, а значит требует новых методологических и теоре-

тических решений.

5 Кроме того, традиционные методы геодезии и фотограмметрии ориентиро-

ваны на получение пространственных координат отдельных точек объектов и ме-

стности, в то время как при лазерном сканировании получают координаты масси-

ва точек, который полностью описывает геометрию объекта. Поэтому информа-

ционная емкость пространственных данных лазерного сканирования на порядок

превосходит традиционные методы геодезии и фотограмметрии. Это обстоятель-

ство указывает на необходимость разработки новых алгоритмов и принципов об-

работки и интерпретации данных лазерного сканирования.

Лазерное сканирование выполняется с определенным шагом. При этом раз-

решение сканирования всегда задается минимум в два раза выше требований де-

тальности, предъявляемых к лазерной съемке (для достоверной идентификации

мелких деталей объектов во время обработки). Данное обстоятельство, с учетом

теоремы Котельникова-Шинона о восстановлении сигнала, позволяет сделать вы-

вод, что материалы лазерного сканирования являются непрерывным набором

данных при создании конкретной продукции и являются аналогами снимков.

Разработка средств лазерного сканирования в значительной степени под-

толкнуло развитие новых методов представления информации о местности, пере-

водя информационные технологии из плоскости в трехмерное пространство. Зна-

чительное развитие получили трехмерные или виртуальные геоинформационные

системы, что потребовало разработки принципиально новых методов хранения,

обработки и пространственного анализа данных.

Таким образом, с одной стороны, появились новые средства измерения, на-

правленные на значительное расширение областей применения информационных

технологий, с другой стороны, недостаточная проработка теоретических основ

технологии лазерного сканирования не позволяет использовать все возможности

данных съемочных систем. Кроме этого, для использования сканирования в раз-

личных областях необходимо выполнить разработку методик проведения съемоч-

ных работ и обработки данных, позволяющих получать пространственную ин-

формацию в on-line режиме. Это позволяет сделать вывод, что перед наукой сего-

6 дня стоит актуальная и значимая проблема приведения в соответствие скорости и

точности выполнения технологических операций лазерного сканирования к тре-

бованиям различных отраслей экономики страны. Данную проблему можно ре-

шить путем совершенствования теоретических и методологических основ техно-

логии лазерного сканирования.

Степень разработанности темы. Лазерное сканирование является само-

стоятельным научным направлением, в основе которого положены достижения в

области фотограмметрии, дистанционного зондирования и геодезии отечествен-

ных ученых Антипова И. Т., Гука А. П., Дробышева Ф. В., Дубиновского В. Б.,

Журкина И. Г., Карпика А. П., Клюшина Е. Б., Лисицкого Д. В., Лобанова А. Н.,

Лысенко Ф. Ф., Михайлова А. П., Нехина С. С., Погорелова В. В., Пяткина В. П.,

Савиных В. П., Середовича В. А., Трубиной Л. К., Тюфлина Ю. С.,

Чекалина В. Ф., Чибуничева А. Г., Ямбаева Х. К. и зарубежных – Boehler W.,

Gruending L., Ingensand H., Lichti D., Milev I., Norton J., Rietdorf A., Riegl J., Ullrich

A., Zlatanova S., Zamechikova M. и другие. Существенный вклад в становление и

развитие метода лазерного сканирования в России внесли специалисты Регио-

нального центра лазерного сканирования СГУГиТ.

Имеющиеся публикации в области лазерного сканирования можно характе-

ризовать разрозненностью и отсутствием полноты исследований, что не отвечает

требованиям системного подхода и не имеет общих теоретических и технологиче-

ских основ. Значительная часть публикаций, связанных с лазерными сканерами,

посвящена практическому опыту их применения. В публикациях представлены

объекты съемки, вид получаемой продукции, используемые модели лазерных

сканеров и программные продукты для обработки результатов сканирования. Та-

ким образом, в диссертационной работе представлено первое системное решение

проблемы приведения в соответствие скорости и точности выполнения техноло-

гических операций лазерной съемки к требованиям различных отраслей экономи-

ки страны, путем разработки теории и технологии лазерного сканирования для

сбора геопространственных данных.

7 Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является раз-

работка теории и технологии получения, обработки и оценки точности данных ла-

зерного сканирования, производственное применение которых позволяет обеспе-

чить оперативность, высокую точность и экономичность сбора геопространствен-

ных данных об объектах для эффективного планирования городских территорий и

управления ими, проектирования объектов инфраструктуры и контроля их со-

стояния, паспортизации особоопасных объектов и т. д.

Достижение поставленной цели требовало решения следующих основных

задач:

− анализ степени разработанности метода лазерного сканирования для соз-

дания трехмерных моделей и топографических планов, на основе чего следует

предложить базовую математическую модель технологии лазерного сканирова-

ния;

− теоретическое обоснование и экспериментальное исследование общих

принципов процесса измерения наземными лазерными сканерами и точности соз-

даваемых трехмерных моделей и топографических планов, что должно стать ос-

новой повышения точности технологии наземной лазерной съемки;

− разработка оптимальной технологии обработки данных наземного лазер-

ного сканирования на основе теории фотограмметрии;

− постановка теоретических и экспериментальных исследований отдельных

источников погрешностей, оказывающих влияние на точность создаваемой про-

дукции, и разработка методики метрологической аттестации НЛС;

− разработка методики построения скантриангуляции и алгоритма ее урав-

нивания.

Научная новизна:

− математически и экспериментально обоснованы базовые принципы на-

земного лазерного сканирования, на основе чего теоретически доказаны и прак-

тически исследованы пути повышения точности измерений наземными лазерны-

ми сканерами при съемке объектов и рельефа местности. Данные принципы впер-

8 вые позволили учитывать влияние метрологических свойств объектов, что суще-

ственно улучшает качество сырых данных НЛС;

− разработана теория фотограмметрической обработки данных лазерного

сканирования, основанная на использовании метода связок для уравнивания ска-

нерных ходов, что позволяет повысить точность определения элементов внешнего

ориентирования (ЭВО) до 35 % по сравнению с другими методами;

− разработано теоретическое и методическое обоснование процессов на-

земной лазерной съемки, положенное в основу универсальной технологии ее про-

изводства, определения параметров съемки и допусков для контроля точности

выполнения процессов наземной лазерной съемки и оценки точности окончатель-

ной продукции;

− разработана универсальная методика поверки наземных лазерных скане-

ров, позволяющая выполнить метрологическую аттестацию всех типов фазовых и

импульсных НЛС;

− разработана методика определения объема объектов сферической формы

на основе построения их трехмерной модели внутреннего пространства по дан-

ным наземного лазерного сканирования, использование которой, на примере ша-

ровых резервуаров, обеспечивает относительную погрешность определения вме-

стимости резервуара до 0,03–0,05 %.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значи-

мость исследований заключается в расширении и дополнении теоретических и

методологических основ проведения лазерной съемки, обработки ее результатов и

расчета точности результатов выполнения технологических операций для созда-

ния продукции требуемого качества по данным лазерного сканирования.

Разработанные теоретические основы и принципы расчета точности выпол-

нения технологических операций при наземной лазерной съемке открывают но-

вые возможности использования лазерного сканирования и расширяют область

применения дистанционного зондирования и фотограмметрии. Выполненные раз-

работки используются в СГУГиТ при метрологической аттестации НЛС, что под-

9 тверждено соответствующим актом о внедрении, в учебном процессе при чтении

курсов лекций по дисциплинам «Автоматизированная обработка аэрокосмической

информации», «Трехмерное моделирование и наземное лазерное сканирование» и

при проведении курсов повышения квалификации по программе «Маркшейдер-

ское дело». Проведенные исследования позволили сформулировать рекомендации

по выполнению сканерной съемки для решения практических задач планирования

городских территорий и эффективного управления ими, проектирования объектов

инфраструктуры и контроля их состояния, паспортизации особоопасных объектов

и т. д.

Методология и методы исследования. При выполнении диссертационных

исследований использованы принципы системного и объектно-ориентированного

анализа, вероятностный и экспертный методы. Для оценки точности результатов

лазерного сканирования использованы методы математического моделирования

процессов измерений и статистического анализа.

В качестве исходных данных использованы:

− материалы наземной лазерной съемки сканерами Riegl LMS-Z210, Riegl

VZ-400, Riegl LMS-Z360, Riegl LMS-Z420i, Mensi GS200, Riegl LMS-Z390,

Leica ScanStation C10, Leica ScanStation, Leica ScanStation 2, Trimble GX200,

Minolta V9i;

− аналитические макеты результатов сканерной и цифровой съемок;

− инструкции и нормативные документы по производству и метрологиче-

скому обеспечению фотограмметрических и геодезических работ;

− руководства пользователя наземными лазерными сканерами;

− данные из научных книг, статей ведущих научных журналов и изданий

СССР и Российской Федерации (РФ);

− отечественные и зарубежные научные публикации и материалы научных,

научно-технических международных конгрессов и конференций, проводимых

СГУГиТ (СГГА и НИИГАиК), МИИГАиК, Международного общества геодези-

10 стов (FIG) и Международным фотограмметрическим обществом (ISPRS) и други-

ми;

− материалы научных трудов НИИПГ, НИИГАиК, ЦНИИГАиК, ВИНИТИ;

− интернет-источники.

Положения, выносимые на защиту:

− результаты теоретических и экспериментальных исследований точности

процессов измерения и обработки, и, разработанные на их основе, практические

рекомендации по оптимизации выполнения этих процессов в предложенной тех-

нологии лазерного сканирования;

− методика выполнения наземной лазерной съемки и обработки ее резуль-

татов при решении широкого круга задач;

− принципы исследования процесса измерения наземным лазерным скане-

ром, на основе которых теоретически обоснованы технические и технологические

решения по повышению точности получения данных, которые позволяют учесть

погрешности, вызванные метрологическими свойствами объектов;

− теория фотограмметрической обработки данных лазерного сканирования,

использование которой позволило значительно повысить скорость и точность об-

работки результатов лазерной съемки;

− методики поверки импульсных и фазовых наземных лазерных сканеров,

определения объемов объектов сферической формы и неметрических цифровых

камер, разработанные с использованием проведенных теоретических исследова-

ний.

Степень достоверности и апробация результатов. Материалы, получен-

ные в ходе исследования, докладывались на научно-технической конференции

«ГИС – интегрированное решение муниципальных задач» в 2004 г. в Екатерин-

бурге; на международной конференции «Лазерное сканирование и цифровая аэро-

съемка. Сегодня и завтра» в 2004, 2007 гг. в Москве; на научно-технической кон-

ференции преподавателей СГГА «Современные проблемы геодезии и оптики» в

2004 г. в Новосибирске; на презентации-семинаре «Приборы и технологии лазер-

11 ной локации, цифровой аэросъемки и геопозиционирования в геоинформатике,

природопользовании, мониторинге природных ресурсов земли и лесоустройстве,

инженерно-геодезических и инженерно-геологических изысканиях» в 2006 г. в

Новосибирске; на международных промышленных форумах GEOFORM+ (на

конференциях «Геопространственные технологии и сферы их применения» в

2005, 2006 гг. в Москве); на международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь»

и «ИнтерЭкспо Гео-Сибирь», направление «Геодезия, картография, маркшейде-

рия» в 2005 – 2015 гг. в Новосибирске; на 4-й международной конференции «Зем-

ля из космоса – наиболее эффективные решения» в 2009 г. в Москве.

Исследования выполнены в рамках госбюджетных НИР по заказам Мини-

стерства образования и науки РФ, гранта Президента РФ, Федеральной целевой

программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на

2009 – 2013 гг., утвержденной постановлением Правительства Российской Феде-

рации от 28 июля 2008 г. № 568 «О федеральной целевой программе «Научные и

научно-педагогические кадры инновационной России» на

2009 – 2013 гг.», гранта мэрии г. Новосибирска.

Реализация основных результатов исследований осуществлялась в рамках

выполнения хоздоговорных работ, заключенных с дочерним предприятием

ОАО «Сибур», ООО «Томскнефтехим», ОАО «Сибнефть-Ноябрьскнефтегаз», Де-

партаментом архитектуры и градостроительства администрации города Томска,

Российское акционерное общество «Единые электрические сети» (РАО «ЕЭС»),

РАО «Российские железные дороги», Государственное автономное учреждение

«Росавтодор», в результате чего на основе данных наземной лазерной съемки:

− выполнена калибровка 64 шаровых резервуаров;

− созданы топографические планы масштаба 1:500 – 1:1 000 на территорию

более 10 000 га;

− созданы трехмерные модели сложных инженерных объектов с целью их

реконструкции общей площадью более 1 000 га;

12 − определен объем сыпучих строительных материалов и твердых полезных

ископаемых (суммарным объемом более 100 000 000 м3);

− определены габариты обкладки железнодорожных тоннелей.

Теоретические исследования, выполненные в рамках диссертационной ра-

боты, реализованы в программных продуктах, предназначенных для:

иcследования распределения случайных ошибок величин, измеряемых НЛС, на

соответствие нормальному закону, определения координат центров специальных

марок на радиальном тестовом полигоне, вписывания плоскости в массив точек и

исключения систематических ошибок из результатов угловых измерений НЛС и

другие. Разработанные программы внедрены в учебный процесс кафедры физиче-

ской геодезии и дистанционного зондирования СГУГиТ, научно-

производственный процесс Регионального центра лазерного сканирования СГУ-

ГиТ. Результаты теоретических разработок и экспериментальных исследований

положены в основу ГОСТ Р 8.794-2012. Государственная система обеспечения

единства измерения (ГСИ). Наземные лазерные сканеры. Методика поверки.

По теме диссертационной работы опубликовано 33 работы, из них 18 – в

рецензируемых научных журналах и изданиях, две монографии, три патента на

изобретения, одно авторское свидетельство на программы для ЭВМ.

13

1 МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ

1.1 Системное представление лазерного сканирования

Современный этап развития экономики страны требует значительно большего

объема пространственной информации о территории. Все методы сбора пространст-

венной информации разделяются на контактные и бесконтактные. Причем вторые

имеют ряд неоспоримых преимуществ по отношению к первым, а именно:

− возможность использования в особоопасных и недоступных территория без

ущерба и вреда здоровью человека (исполнителям работ);

− значительно более высокий потенциал автоматизации процесса измерения;

− возможность выполнения измерения с подвижных носителей;

− гораздо больший объем получаемой исходной информации;

− значительно меньшие трудозатраты и трудовые ресурсы при выполнении

измерений.

В свою очередь из всего многообразия бесконтантактных методов съемки наи-

более перспективными являются активные системы сбора информации, так как они

обладают рядом преимуществ по отношению к пассивным:

− всепогодность использования;

− нет необходимости в дополнительных источниках освещения, т. е. возмож-

ность использования как в дневное так и в ночное время суток;

− измерение дальности до объектов местности, а следовательно получать

трехмерные координаты в процессе съемки;

− узкий спектральный диапазон (практически монохроматичный) создает ус-

ловия для более полного учета влияния атмосферы в результатах измерений.

Все активные съемочные системы разделяются на два вида:

− лазерные (использующие в основе оптический диапазон излучения);

− радиолокационные (использующие в основе радио диапазон излучения).

14 Использование лазеров при получении пространственной информации об объ-

ектах местности вызвано их свойствами, а именно: когерентность излучения, моно-

хроматичность, узкая расходимость пучка и т. д., что позволяет получать более точ-

ные и детальные данные по сравнению с другими съемочными системами [221]. По-

этому наибольший интерес для получения пространственной информации об объек-

тах местности представляют данные системы сбора информации.

Кроме того следует учитывать возросшие потребности отраслей экономики,

а именно представление пространственной информации в трехмерном виде. При

этом для них предъявляются следующие требования [142]:

− сопоставимая точность получения данных по высоте и в плане;

− детальность (разрешение) получаемых трехмерных моделей в метриче-

ских величинах соответствующая точности получаемых данных;

− решение инженерных и управленческих задач по трехмерной цифровой

модели, состоящей из топологически связанных математических моделей объек-

тов и объеденных с семантической информацией о них, т. е. представление ин-

формации в виде трехмерной геоинформационной модели.

Для обеспечения этих потребностей и выполнения всех этих условий со-

временного общества могут быть использованы только приборы лазерного скани-

рования на современном этапе науки и техники. Однако для их использования в

настоящего время нет единых и комплексных решений, основанных на системных

принципах.

Целевой функцией лазерного сканирования является создание трехмерной

геоинформационной модели (подготовка пространственных решений) (Fg). Этот

процесс базируется на результатах пространственного анализа данных лазерного

сканирования (пространственный анализ данных) (Fa), что составляет сущность

второй важной функции рассматриваемой системы. Для анализа данных необхо-

димы соответствующие модели математического описания объектов и рельефа,

поэтому третьей функцией является моделирование территории (Fm). Однако для

моделирования необходимы исходные данные, поэтому четвертой функцией яв-

15 ляется сбор данных (или съемка территории и предварительная обработка дан-

ных), и пятой функцией – получение семантической информации (Fs и Fi). Нако-

нец, для контроля и восприятия человеком результатов пространственного анали-

за необходима шестая функция – визуализация (Fv). Создание цифровых карт (Fс)

является дополнительной, седьмой функцией.

Рассмотрим детально перечисленные функции в порядке их реализации в

технологическом процессе: от съемки территории до визуализации результатов.

Лазерная съемка территории и сбор исходных данных.

Лазерная съемка и сбор исходных данных являются процессом непосредст-

венного изучения территории.

Процесс непосредственного изучения территории включает в себя измере-

ние и определение характеристик объектов местности. Кроме того к данному

процессу следует относить оценку качества полученных данных, так как только

достоверная, полная и детальная информация пригодна для дальнейшей обработ-

ки.

Лазерная съемка выполняется с целью получения геометрических первич-

ных данных, отображающих пространственные свойства объектов местности.

Сущность всех методов лазерного сканирования (воздушного, мобильного и

наземного) заключается в измерении дальности с высокой частотой от сканера до

объектов местности и направления распространения сигнала. При измерении рас-

стояний сканером используется свойства лазерного источника электромагнитного

излучения, а именно когерентность, монохроматичность, малый угол расходимо-

сти сигнала.

Результатом лазерного сканирования является массив точек, каждая точка

которого имеет следующие характеристики пространственные координаты (X, Y,

Z), интенсивность отраженного сигнала (I). Кроме того для повышения информа-

ционной емкости массива точек, также выполняют цифровую съемку, которая по-

зволяет получить для каждой точки информацию о реальном цвете объекта. Ис-

пользование данных лазерного сканирования совместно с материалами цифровой

съемки способствует процессу дешифрирования в интерактивном режиме.

16 Результаты измерений далее подвергаются предварительной вычис-

лительной обработке [142]:

− переход от физически измеренных величин к соответствующим геомет-рическим, т. е. вычисление пространственных координат и введение разного рода

поправок в них (за метеоусловия, инструментальные погрешности, редукцию

и т. п.);

− фильтрация данных, т. е. удаление «ложных» измерений, которые полу-чаются вследствие взаимодействия лазерного сигнала с объектами местности и

окружающей средой при определенных условиях;

− внешнее или взаимное ориентирование данных, т. е. приведение данных к заданной или единой условной системе координат.

Помимо лазерной съемки, на этапе сбора информации об объектах местно-

сти могут выполняться полевое дешифрирование данных, цифровая фото- и/или

видеосъемка, составление абрисов, геодезическая или спутниковая съемки или

получение иной семантической или метрической информации. Данные материалы

в последствии помогают выполнять дешифрирование массива точек и построение

трехмерной модели объектов местности, а также выполнить построение объектов

которые не отобразились на данных лазерного сканирования. Совокупность этих

данных и данных лазерного сканирования в дальнейшем будет называться пер-

вичные данные об объекте.

Определение характеристик непространственных свойств пространствен-

ных предметов выполняется в пределах заданного перечня свойств конкретных

типов предметов путем наблюдения прямых и косвенных признаков свойств, а

также измерений по массиву точек и прочих данных (материал, толщина, высоты,

глубины, протяженности, ширины). Полученные и зафиксированные в текстовом

или цифровом виде характеристики, в совокупности с идентификаторами предме-

тов, образуют семантические первичные данные.

Совокупность полученных при непосредственном изучении территории

геометрических (Dg), семантических (Ds), топологических (Dt) и идентификаци-

17 онных (Di) данных образует первичные данные об объекте (S), независимо от

формы их представления [142].

Таким образом, функция Fs осуществляет отображение пространственных

( Cp) и непространственных (Cup) свойств рассматриваемых объектов местности

на множество S

Fs : C→ S,

где C={Cp, Cup} и S={Dt, Di, Dg, Ds}.

Вышеизложенное представлено на рисунке 1.

На рисунке 1 источники данных такие как абрисы и фото/видео съемка и

геодезическое и спутниковые измерения являются вспомогательными и предна-

значены для опосредованного изучения территории. Они могут использоваться в

качестве дополнения результатов непосредственного изучения. К данным источ-

никам информации прибегают при отсутствии или недостаточности полученных

данных лазерного сканирования.

Рисунок 1 – Функциональная схема получения данных в технологии

лазерного сканирования

18 Если не удается получить полный набор первичных данных о нужных

предметах по массиву точек, то изучение территории дополняется и контролиру-

ется абрисами и фото/видео съемкой и геодезическими и спутниковыми измере-

ниями.

Трехмерное информационное отображение территории.

В результате сбора, первичной обработки, контроля и дополнения данных

лазерного сканирования первичные данные представляют как осмысленную и об-

работанную информацию, которую получают в результате преобразования пер-

вичных данных и отображения их в единном пространственно-информационном

поле.

Геометрические данные подвергаются вычислительной обработке, в ходе

которой вычисляются и уравниваются координаты и, при необходимости, высоты

репрезентативных точек. При этом используется исходная информация в виде ко-

ординат и высот опорных точек в заданной координатной системе и картографи-

ческой проекции. Таким образом, получается геометрическая информация (Ig).

Топологические данные из схематического изображения территории преоб-

разуются в цифровую табличную форму описания контуров и предметов – топо-

логическую информацию (It). Топологическая информация, совместно с геометри-

ческой информацией, образует пространственную информацию, которая полно-

стью отображает пространственные свойства предметов [142].

Обработка семантических данных состоит в систематизации, классифи-

кации и кодировании характеристик непространственных свойств предметов. В

результате такой обработки получается атрибутивная информация (Iа).

Идентификационные данные используются при обработке остальных дан-

ных без изменения и, как составная часть, входят в пространственную и семанти-

ческую информации, обеспечивая их однозначную связь для каждого предмета.

Таким образом, упорядоченная совокупность геометрических, топологиче-

ских, идентификационных и семантических данных о территории и ее простран-

19 ственных объектах образует трехмерную пространственно-информационную мо-

дель данных лазерного сканирования ( I ) , т. е.

Fi : S → I,

где I = {Iр, Iа}; Ip = {Ig, It}.

Трехмерная пространственно-информационная модель представляет собой

законченный результат и может быть использована для решения задач экономики

страны. Но на практике она редко используется как окончательный результат. В

качестве примера использования трехмерной пространственно-информационной

модели можно привести использование ее для цели контроля этапов строительст-

ва, где нет необходимости комплексного представления информации об объекте

строительства, а необходимо получить отдельные геометрические параметры и

неметрические характеристики строящегося объекта. При этом использование та-

кой пространственно-информационной модели позволяет выполнять не только

контроль параметров, но и выполнять изменение дальнейших инженерных реше-

ний при отступления от допусков контролируемых параметров. Ранее используе-

мые методы контроля не позволяли этого делать. Таким процессы строительства

и проектирования становятся более гибкими, используя технологию лазерного

сканирования.

Моделирование территории.

Наличие трехмерной пространственно-информационной модели позволяет

моделировать территорию и, в частности, создавать ее трехмерную геоинформа-

ционную модель. Способов трехмерного моделирования территории существует

множество. В ряде случаев моделирование поверхности Земли выделяют в от-

дельный процесс создания цифровой модели рельефа, а в результате моделирова-

ния остальных предметов пространства получаем цифровую трехмерную модель

объектов. В общем случае при трехмерном моделировании рельеф является та-

ким же пространственным объектом как и другие, а сам процесс моделирования

рельефа имеет очень много общего с моделированием объектов территории.

20 Формально сущность процесса моделирования территории (местности,

промышленной площадки, внутреннего пространства здания и сооружения и т. п.)

соответствует выражению

Fm : I → M,

причем используются два основных подхода к описанию территории:

структурное, т. е. с выделением пространственных объектов и неструктурирован-

ное представление в виде ячеек, в которых заданы усредненные значения харак-

теристик этой части территории. Поэтому множество моделей М, в свою очередь,

представляет собой совокупность подмножеств трехмерных векторных моделей

описания территории: в виде примитивов (Мp), твердотельное (Mt) и TIN или

NURBS-поверхности (Мs)

М = {Mp, Mt, Мs}.

Для создания модели в виде примитивов территории используется геомет-

рическая и топологическая информации. Эти модели строятся на основе геомет-

рических примитивов, т. е. базовых моделей предметов в математической функ-

ции (шар, плоскость, цилиндр и т.д).

Трехмерная твердотельная модель представляет собой набор связанных ме-

жду собой сложных математических моделей элементарным звеном которых яв-

ляется геометрические примитивы. Примером твердотельных моделей является

швеллер, двутавровая балка, параллелепипед и т. д. Твердотельное моделирова-

ние в большинстве случаев применяется для технологически сложных промыш-

ленных предприятий и городской застройки.

Моделирование территории в виде TIN или NURBS-поверхности представ-

ляет собой создание поверхности объекта с использованием в качестве элемен-

тарного звена треугольники или сплайн функции соответственно. При этом эле-

ментарные звенья объединяются в единый объект.

21 Трехмерная векторная модель территории содержит модели предметов и их

отношений или, по установившейся терминологии, пространственные объекты.

Таким образом, пространственные объекты это модели пространственных

предметов территории и их отношений, под которыми понимаются как физиче-

ские объекты, так и процессы, явления и события.

Геометрическая информация, получаемая в результате измерений с оп-

ределенной точностью, не позволяет создавать корректные модели объектов и по-

верхностей. Поэтому в процессе моделирования производится уравнивание гео-

метрической информации с учетом геометрических условий.

Такое уравнивание позволяет, во-первых, выявить и устранить грубые по-

грешности при обработке данных лазерного сканирования и, во-вторых, создать

корректную модель. При уравнивании смещение трехмерных объектов или по-

верхности выполняется в пределах погрешности измерений.

Атрибутивная информация не образует самостоятельную модель, а допол-

няет трехмерную векторную модель территории. При этом она может входить со-

ставной частью в описание каждого пространственного объекта либо содержаться

в атрибутивной базе данных, единой для всей рассматриваемой территории. Од-

нозначная связь разных частей пространственных объектов (предметной и содер-

жательной) обеспечивается с помощью идентификаторов.

Трехмерная модель территории, как правило, состоит из тематических сло-

ев, в которые группируются пространственные объекты, относящиеся к одной те-

ме (классу объектов: трубопроводы, здания и сооружения, дороги и т. п.). В от-

дельный слой моделируется поверхность земли. При этом для моделирования ис-

пользуется совокупность высот или отметок глубин в узлах регулярной/ псевдо-

регулярной регулярно-структурной решетки (матрица высот).

Контроль за процессом и результатом моделирования территории осущест-

вляется по вспомогательным материалам, полученным в процессе сбора инфор-

мации, источники которой показаны на рисунке 1.

22 Пространственный анализ.

Трехмерная векторная модель территории используются для пространст-

венного анализа, выполняемого с помощью программного обеспечения геоин-

формационной системы (ГИС), которое реализует ряд функций. К ним относятся

программы, обеспечивающие анализ размещения, связей и иных пространствен-

ных отношений пространственных объектов, включая анализ сетей, анализ объек-

тов, операции вычислительной геометрии и оверлейные операции, обработку

цифровых моделей рельефа и др.

Анализ сетей – группа пространственно-аналитических операций, имеющих

целью исследование топологических и геометрических свойств линейных про-

странственных объектов, образующих древовидные или циклические сети (до-

рожная сеть, сети коммуникаций и т. п.), соответствующие графам, как правило,

планарным. Наличие программного обеспечения для такого анализа позволяет

решать задачи логистики, эксплуатации инженерных сетей и др.

Анализ объектов в пределах буферных зон позволяет решать задачи оценки

зоны влияния существующей или проектируемой сети транспортных коммуника-

ций и им подобные.

Операции вычислительной геометрии позволяют вычислить площади и ко-

ординаты центроидов полигонов, длины ломаных и кривых линий и др.

Суть оверлейных операций состоит в наложении двух разноименных слоев

с генерацией производных объектов, возникающих при их геометрическом на-

слоении, с наследованием их атрибутов.

Обработка цифровых моделей рельефа включает получение морфометриче-

ских данных (углы наклона и экспозиции склонов), зон видимости/невидимости;

построение трехмерных изображений (в том числе блок-диаграмм), продольных и

поперечных профилей по заданным линиям (трассам), оценку формы склонов,

вычисление положительных и отрицательных объемов, генерацию структурных

линий и особых точек рельефа, построение изолиний, аналитическую отмывку

рельефа при разном освещении и др.

23 Кроме этих стандартных функций программного обеспечения ГИС для про-

странственного анализа, используются специальные программы на основе по-

строения детерминистических и стохастических моделей, а также специальные

программы ГИС-приложений по прогнозированию ситуации.

В результате пространственного анализа модель территории (А) дополня-

ется новыми предметами, а также вырабатывается оценка территории в том или

ином аспекте. Например: комплексная оценка использования территорий, оценка

транспортной доступности, инженерного обеспечения, историко-культурная, ин-

вестиционная, обеспеченности документацией и др.

Формально пространственному анализу соответствует выражение

Fa : М →А.

Данная функциональная зависимость показывает связь процесса моделиро-

вания с полученной трехмерной цифровой моделью.

Подготовка пространственных решений на основе лазерного сканирования.

Пространственное решение – это проект действия (G) по пространственно-

му преобразованию либо непосредственно самой территории, либо происходящих

на ней процессов.

Пространственное решение принимается на основе проекта преобразования

рассматриваемой территории. Проект преобразования – это модель рассматри-

ваемой территории с включением/выключением в ней новых элементов, получен-

ных в результате пространственного анализа, проектирования управления или

преобразования территории. Как правило, создается несколько моделей, необхо-

димых для сравнения, обоснования и выбора оптимального решения.

Процесс подготовки пространственных решений формально может быть

выражен как

Fp : M ∪ A → G.

24 Под проектированием управления понимаются изменения организации

функционирования систем жизнеобеспечения. Наиболее востребованы модели

возможного развития катастрофических и экологических природных и техноген-

ных процессов, эксплуатации и развития инженерных сетей и коммуникаций, ор-

ганизации транспортного обслуживания, поиска и эксплуатации месторождений

полезных ископаемых, управления территориями на государственном и муници-

пальном уровнях. Как правило, при разработке этих моделей используются функ-

ции и программное обеспечение пространственного анализа, т. е. традиционно

ГИС-функции.

Структурно-функциональная модель системного трехмерного геоинфор-

мационного обеспечения.

Совокупность вышерассмотренных процессов функционирования может

быть отображена на общей схеме структурно-функциональных связей информа-

ционных компонентов, показанной на рисунке 2 и объединяющей информацион-

ные элементы и функции геодезического информационного обеспечения в еди-

ную систему, называемую трехмерной геоинформационной системой (ТГИС), по-

добно как предложено в работе [94].

В частных случаях применения современных измерительных средств, снаб-

женных вычислительными устройствами, некоторые процессы могут выполняться

не последовательно разнесенными по времени, а в режиме реального времени,

обеспечивая совмещение процессов.

В формальном выражении сущность функционирования трехмерной геоин-

формационной системы представлена комплексной функцией Р, осуществляющей

преобразования на множестве геопространственных компьютерно-

воспринимаемых данных Y, т. е.

ТГИС ≡ {P, Y},

где P = (Fs, Fi, Fm, Fa, Fg);

Y = {S, I, M, A, G}.

25

Рисунок 2 – Структурно-функциональная модель системного представления

трехмерного геоинформационного обеспечения

Представленная на рисунке 2 схема показывает взаимосвязь процессов от

получения исходных данных лазерного сканирования до выдачи конечного про-

странственного проекта (решения) пользователю продукции. Основным и наибо-

лее значимым этапом получения трехмерной геоинформационной модели являет-

ся получение данных лазерного сканирования, исследования в области которого

характеризуются бессистемностью.

1.2 Обобщенная технология лазерной съемки

Современные тенденции глобализации мировой экономики являются след-

ствием унификации и интеграции в различных сферах жизнедеятельности. Дан-

ным процессам стало все более подвержено и топографо-геодезическое производ-

ство. Еще в 1980–90-х гг. картография, геодезия и фотограмметрия являлись са-

26 мостоятельными направлениями, но со всеобщей компьютеризацией общества

картография с геодезией и картография с фотограмметрией стали объединяться.

Такая интеграция привела к более быстрому развитию всех трех направлений и к

большей востребованности данных топографо-геодезического производства, а

следовательно, и к росту объемов производства и видов продукции. В настоящее

время уже не достаточно стандартного ряда топографических карт, возникла по-

требность в новых видах продукции.

Развитие систем автоматизированного проектирования, компьютерной

трехмерной графики и виртуальных технологий привело к возможности создания

и применения на практике цифровых трехмерных моделей местности. Для разви-

тия направления по созданию трехмерных цифровых моделей местности стали

интегрироваться геодезия, фотограмметрия и картография. Вследствие этой инте-

грации появился новый инструментарий – технологии воздушного и наземного

лазерного сканирования. В большей степени результатом интеграции трех на-

правлений топографо-геодезического производства стала технология наземного

лазерного сканирования. Данное направление объединило в себе принципы изме-

рений, используемые в геодезии (горизонтальные и вертикальные углы и расстоя-

ния), принципы обработки полученных сканов, применяемые в фотограмметрии

(фильтрация данных, улучшение качества изображений, дешифрирование, распо-

знавание образов), принцип сбора информации (тотальная съемка с получением

качественных характеристик об объекте) и картографические принципы отобра-

жения информации (при отображении данных на экране монитора в процессе их

обработки оператор пользуется различными видами проекций: изометрическая,

центральная, ортогональная и т. д.). Поэтому для разработки общей технологии

наземного лазерного сканирования следует использовать такой же подход, как и

при развитии технологических решений в области фотограмметрии и дистанци-

онного зондирования (ДЗ), геодезии и картографии. При развитии новых техноло-

гических решений следует использовать комплексный подход – это позволяет

решать проблему не как частный случай, а обобщенно.

27 Из анализа имеющихся технологических решений в области геодезии, кар-

тографии, фотограмметрии и ДЗ следует, что реализация комплексного подхода

возможна только при соблюдении следующих принципов:

− системность, предусматривающая разработку технологий как единой сис-темы набора объектов, методов, средств и нормативно-технической документа-

ции;

− оптимальность, которая заключается в том, что каждый элемент системы должен быть направлен на решение поставленной задачи при минимальных за-

тратах и максимальном эффекте от ее функционирования;

− стандартизация, заключающаяся в том, что основные этапы технологии должны обеспечиваться стандартами их проведения и набором контролируемых

параметров для адекватного, достоверного и точного выполнения каждого техно-

логического процесса;

− динамичность, предполагающая, что технология должна предусматривать

возможность совершенствования с учетом требований реального сектора эконо-

мики и прогресса технических средств;

− преемственность, состоящая в том, что технология должна учитывать и

анализировать опыт развития технологических решений, а также быть ориентиро-

вана на тенденции развития технических средств;

− адаптивность технологии, которая должна обеспечивать приспособляе-

мость ее к специфике новых задач при развитии реального сектора экономики.

На основе вышеизложенного, разработка любой технологии должна осуще-

ствляться с позиций перечисленных принципов. Соблюдение этих условий позво-

лит создать технологию, которая будет наиболее адекватной, значимой и востре-

бованной.

При разработке любых новых технологий необходимо опираться на имею-

щийся опыт аналогичных исследований, тем самым соблюдая принцип преемст-

венности. В топографо-геодезической отрасли значительное количество работ по-

священо разработке технологии производства различного вида продукции, среди

28 них следует выделить в области геодезии [25, 62, 82, 99, 150, 154, 174, 206, 218,

236, 237, 259, 299, 314], фотограмметрии и дистанционного зондирования [8, 22,

24, 34, 39, 75, 87, 89, 90, 151, 161, 164, 178, 199, 213, 217, 246, 256] и картографии

[20, 23, 40, 149, 158, 253, 255].

Технологические решения, применяемые в фотограмметрическом и геоде-

зическом производствах, разделяются на четыре основных этапа (принцип сис-

темности):

− организационно-сметный;

− полевой;

− камеральный;

− оформительско-сдаточный.

Организационно-сметный этап обеспечивает принцип системности и явля-

ется наиболе