Медведев Е.М.
Компания «Геолидар»

На сегодня основными источниками пространственных данных, необходимых для решения различных топографо-геодезических, инженерно-изыскательских и других прикладных задач геоинформатики, являются:
различные наземные методы съемки;
авиационное ДЗ;
космическая съемка.
Указанные методы сбора пространственных данных относятся к своим «экологическим нишам» и, по сути дела, представляют разные аспекты общей задачи сбора и интерпретации геопространственных данных.

Очевидно, что выбор того или иного метода сбора пространственных данных, в первую очередь, определяется:
спецификой решаемой задачи;
ТТХ оборудования, реализующего конкретный метод получения данных;
экономическими и технологическими возможностями, которые имеются в наличии у людей, компаний, отраслей и государств, ставящих перед собой решение этой задачи.
Оптимизация эффективности решения той или иной значимой прикладной задачи (время и цена получения требуемого конечного результата, точность, надежность и достоверность его получения и т.п.) в большинстве случаев приводит к разумному сочетанию разных методов получения геопространственных данных с учетом их достоинств, недостатков и ограничений.

На наш взгляд, важно отметить два характерных момента, присущих современному этапу развития методов получения пространственных данных:
существенно расширилась номенклатура задач, для решении которых требуются геопространственные данные ( различные задачи инженерной геодезии, экологии, таксации леса, построения реалистичных 3-х мерных цифровых моделей инженерных объектов, зданий, сооружений, городов и др.0;
на первое место среди критериев эффективности решения задачи сбора геопространственных данных (при выполнении требований по точности их определения, финансовым ограничениям и т.п.) выходит минимизация времени получения требуемого конечного результата при этом, как правило, требуемый результат должен быть представлен в цифровом виде, в формате, пригодном для его интеграции в общий проект решения задачи.

По нашему мнению, для решения указанных выше задач, а также для создания и обновления крупномасштабных топографических карт и планов (вплоть до масштаба 1:500) при обеспечении минимума времени получения конечного результата в наибольшей степени подходят методы авиационного ДЗ, разработанные в компаниях «Геокосмос» и «Геолидар».

Использование аэросъемочных методов для создания и обновления топографических карт и планов превалировало в течение всего 20-го столетия. В структуре топографо-геодезических наук в середине века выделилась отдельная дисциплина аэрофототопография, занятая исключительно изучением методов создания топографических продуктов по результатам аэрофотосъемки. Преимущества и ограничения классических аэросъемочных методов в топографии и смежных отраслях инженерно-изыскательских, землеустроительных, геологических и специальных приложениях хорошо известны.

Специфика текущего момента состоит в появлении двух существенно новых технологий сбора геопространственных данных лазерные локаторы или лидары и цифровые аэрофотоаппараты, применение которых для топографических целей может обеспечить получение значительных преимуществ как в чисто технологическом, так и в экономическом аспекте.

Следует отметить два важных обстоятельства.
1. С одной стороны, лазерно-локационные (ЛЛ) методы в сочетании с метода ми цифровой аэрофотосъемки уже в течение последних 5-7 лет активно применяются для решения топографических задач, в том числе и в нашей стране. Ряд государственных и частных компаний накопили значительный опыт работ по этому направлению, достигнув вполне определенного успеха. В этом смысле, применение таких методов выглядит обоснованным и экономически целесообразным. Можно сказать, что такие методы уже имеют свою определенную экологическую нишу, например, маршрутная съемка линий электропередачи или нефте- и газопроводов.

2. С другой стороны, в полную силу, прежде всего в академических кругах, продолжается дискуссия о том, в какой мере применение этих методов в топографии корректно. В частности остается открытым вопрос об обеспечении нормативной геодезической точности и полноты выходных аэросъемочных данных, поставляемых лазерными локаторами. Многие авторы склонны считать, что успех лазерно-локационных методов в топографо-геодезических приложениях является временным, который объясняется исключительно очевидной простотой и небольшой временной продолжительностью технологического цикла получения трехмерных лазерно-локационных данных. Эти авторы полагают, что простота достигается в ущерб точности, и это делает применимость лазерно-локационных методов ограниченной, а в случае самых крупных масштабов невозможной.

Существует также мнение, что успех лазерных локаторов как средства топографического картографирования объясняется тем, что они появились на 8-10 лет раньше крупноформатных цифровых топографических аэрофотокамер (таких, например, как UltraCAM X компании Vexcel Imaging или Digital Modular Camera компании Intergraph), пришедших на смену классическим аналоговым (пленочным) камерам. Такой подход предполагает, что первые авиационные лазерные локаторы, появившиеся, как известно, в середине 90-х гг. заполнили временно пустующую нишу цифровых авиационных топографических средств. Следуя этой логике, сейчас, когда лучшие цифровые топографические камеры уже практически ничем, в том числе и по информативности, не уступа ют аналоговым, лазерные локаторы должны быть в ближайшее время вытеснены, а аэрофототопография будет и дальше развиваться по традиционному направлению, предполагающему доминирование фотограмметрических методов обработки данных.

Представляется, что все точки зрения имеют право на существование, они выражают различные стороны одной и той же проблемы: насколько целесообразно использовать лазерные локаторы и цифровые аэрофотоаппараты для топографических целей. Настоящий доклад призван представить взгляды автора на обозначенную проблему, исходя из более чем десятилетнего опыта практической, научной и преподавательской деятельности.

Принципы функционирования современных аэросъемочных лидаров, технические характеристики основных коммерчески доступных моделей, а также общее содержание лазерно-локационного метода съемки подробно изложено в ряде работ, в т.ч. автора настоящего доклада.

Обратимся к рисунку 1, который дает самое общее представление о характере аэросъемочных данных, получаемых комбинированием методов лазерно-локационной и цифровой аэрофотосъемки, а также об основных этапах обработки аэросъемочных данных при создании топографических материалов.

Рис. 1. Основные этапы обработки данных лазерно-локационной и цифровой аэрофотографической съемки при создании топографических материалов

Использование лазерно-локационных методов съемки предполагает получение геопространственных данных двух основных видов: собственно данных лазерно-локационной съемки (другое название «облако лазерных точек») и цифровых аэрофотоснимков. Последние по своему информационному содержанию и методике использования принципиально мало отличаются от традиционных аэрофотоснимков, получаемых с помощью традиционных пленочных камер. Конечно, использование цифровой аэрофотосъемочной техники позволяет добиться значительно более высокого фотографического и фотограмметрического качества, а также существенно сократить длительность технологического цикла производства топографических материалов. Однако роль лазерно-локационных данных в рассматриваемом методе создания и обновления топографических карт и планов существенно отличается от традиционной. Первичные лазерно-локационные данные (рис. 1 а), получаемые в ходе аэросъемочной фазы, классифицируются с использованием автоматических или полуавтоматических методов по морфологическому признаку.

В результате такой классификации все множество лазерных точек разбивается на категории принадлежности тому или иному значимому морфологическому компоненту: поверхность земли, растительность, здания, линии электропередачи и другие. На следующем этапе обработки (рис. 1 б) осуществляется переход от облака лазерных точек, представляющих сцену наблюдения, к цифровым моделям рельефа (ЦМР) или цифровым моделям местности (ЦММ) с выделением важнейших поверхностей и контуров. При этом могут использоваться как векторные, так и растровые компоненты. Главными целями такого преобразования являются: во-первых, редукция объема данных и, во-вторых, формирование представления сцены в форме набора хорошо определенных математических объектов (триангуляционные и регулярные модели топографических поверхностей, каркасные модели зданий и т. п.), удобных для последующей обработки. На третьем этапе (рис. 1 в) с использованием ЦМР и ЦММ, построенных по лазерно-локационным данным, осуществляют окончательное геопозиционирование и ортотрансформирование цифровых аэрофотоснимков, полученных с использованием аэрофотоаппарата. При этом важно отметить, что элементы внешнего ориентирования аэрофотоснимков в рамках описываемой методики, определяются уже на стадии выполнения аэросъемочных работ с по мощью так называемых систем прямого геопозиционирования, принцип действия которых основан на взаимодействии (комплексировании) в реальном времени инерциальной системы и системы спутниковой навигации GPS или ГЛОНАСС. При необходимости элементы внешнего ориентирования аэрофотоснимков могут быть уточнены в ходе на земной обработки фотограмметрическими методами.

Технологическая основа лазерно-локационного метода съемки изображена на рисунке 2, а в таблице поясняется функциональное назначение всех основных компонентов ЛЛ метода и их назначение.

Рис 2. Технологические основы ЛЛ метода аэросъемки: а лазерный сканер (лидар); б цифровой аэрофотоаппарат; в система прямого геопозиционирования

Исследуя применение лазерно-локационного метода как средства топографического картографирования нельзя обойти вопрос, о картографировании какого масштаба может идти речь. Представляется, что этот вопрос достаточно сложный и получение на него ответа требует детального анализа многих аспектов общей проблемы использования аэросъемочных данных в топографии. Здесь отметим только, что в большинстве случаев лазерно-локационный метод обеспечивает определение геодезических плановых координат наземных контурных и точечных объектов, а также координат по высоте на уровне 10-20 см.
Таким образом, геодезическая точность метода позволяет использовать его данные для создания и обновления карт и планов всего масштабного ряда вплоть до масштаба 1:500. В настоящее время на практике метод используется преимущественно для масштабов: 1:2000 - 1:10 000. Использование лазерно-локационного метода для более мелких масштабов представляется нецелесообразным.
На рисунке 3 иллюстрируются различные подходы к организации аэросъемочных работ при реализации лазерно-локационного метода. Изображение на рисунке 3 а соответствует случаю, когда все необходимые технологические компоненты (аэросъемочные средства) размещаются на борту одного носителя. Рисунок 3 б демонстрирует случай, когда сбор геопространственных данных осуществляется последовательно: сначала выполняется съемка объекта с помощью лазерного локатора, а затем - с помощью аэрофотоаппарата. Как именно осуществляется сбор данных, параллельно или последовательно, не имеет принципиального значения.

Рис. 3. Варианты организации аэросъемочных работ

Возможности лазерно-локационной технологии позволяет предложить принципиально новые методики топографо-геодезической и инженерно изыскательской деятельности и вообще всех прикладных дисциплин, связанных со сбором и обработкой геопространственных данных. В том числе впервые появляется возможность радикально интенсифицировать все составляющие технологического цикла производства топографических карт и планов крупных масштабов. Это позволило некоторым авторам говорить о появлении на базе лазерно-локационного метода систем картографирования реального времени (СКРВ). Этот термин, конечно, нуждается в уточнении, так как категорию реального времени не следует понимать буквально топографический план не появляется непосредственно в ходе проведения лазерно-локационной съемки. Однако этот термин выражает главную отличительную черту используемой технологии и программно аппаратных систем, которые эту технологию реализуют переход на методы картирования, при которых продолжительность этапов камеральной обработки съемочных данных сравнима с продолжительностью сбора данных, то есть выполнения собственно аэросъемочных работ.
Перед тем как продолжить обсуждение, необходимо еще раз подчеркнуть, что современный лазерно-локационный метод в топографии предполагает использование не только собственно лазерных локаторов, но и других средств сбора геопространственных данных, прежде всего, цифровых аэрофотоаппаратов, а также массу других аппаратных и программных средств. Однако мы находим, что название «лазерно-локационный» правильно отражает существо метода, так как именно наличие этого специфического вида данных в наибольшей степени отличает его от других топографо-геодезических методов.

Все три указанные основные источники данных в равной мере символизируют соответственно три в значительной степени независимые технологии сбора и обработки геопространственных данных. Это технологии: прикладная лазерная локация, цифровая аэрофототопография и современная инерциальная спутниковая навигация. Каждая из этих технологий обладает самостоятельной значимостью в современной геоинформатике, но именно их синтез позволил по явиться СКРВ.

Как отмечено выше, термин «системы картирования (или картографирования) реального времени» (СКРВ) вызывает неоднозначное отношение со стороны различных представителей топографо-геодезического сообщества. Очень многие усматривают в нем элемент пропаганды и рекламы, а не научно техническую категорию. Мы, тем не менее, будем придерживаться этого термина, так как он верно отражает главное на значение и характер использования определенной категории современных цифровых аэросъемочных систем. Однако мы согласны, что этот термин нуждается в некоторых уточнениях.

Представим их. Ответ на вопрос, что такое «системы картографирования реального времени», начнем с указания на то, чем такие системы не являются. Итак, СКРВ: это не «ГОСТированное» понятие, это не рекламный слоган.

Таким образом, используемый термин предложен авторами и не претендует на то, чтобы быть частью единой и стандартизованной терминологии по топографо-геодезическим и геоинформационным дисциплинам. В тоже время автор доклада категорически возражает, что этот термин носит исключительно рекламный характер. Как уже частично показано выше и как дополнительно будет показано ниже, все четыре слова в аббревиатуре СКРВ имеют конкретное содержание.

Еще несколько предварительных комментариев, уточняющих и конкретизирующих категорию СКРВ.
Такая система разработана первоначально в компаниях «Геокосмос» и «Геолидар» и в настоящее время активно применяется на практике. Такие системы, как правило, подразумевают предельно конкретную совокупность аппаратных, программных и методических средств. Как уже неоднократно подчеркивалось выше, основными источниками данных в СКРВ являются авиационные аэросъемочные лидары, цифровые аэрофотоаппараты и системы прямого геопозиционирования. Сегодня уже можно утверждать, что и в области программного обеспечения, и в области методологии СКРВ характеризуются устоявшимися схемами.

Такие системы в своем развитии уже вышли из научно исследовательской и опытно конструкторской фазы. Сегодня это уже законченные промышленные образцы. Как следствие, СКРВ имеют вполне определенное экономическое содержание, на такие системы сложилась цена.

Такая система по своей сути является аэросъемочной. И, наконец, главное содержание категории СКРВ: такие системы призваны решать следующую главную задачу радикальная интенсификация работ по крупномасштабному топографическому картированию.

Ниже будет показано, что функции СКРВ не сводятся к решению исключительно топографических и картографических задач. С использованием таких систем уже сегодня решаются многие задачи инженерной геодезии, экологии, таксации леса и др. Вообще, с использованием СКРВ возможно получение принципиально новых агрегатов данных, не имеющих аналогов в классических аэрогеодезических технологиях.

Несомненно, главный вопрос, возникающий при анализе СКРВ и их роли среди других современных геоинформационных технологий, может быть сформулирован следующим образом: на сколько радикальна предлагаемая интенсификация?
Естественно корректный ответ на этот вопрос возможен только при корректном выборе базы для сравнения. В качестве альтернативных классических технологий топографического картирования могут рассматриваться: 1. Наземная топографическая съемка. 2. Аэрофототопография фотограмметрия. 3. Радиолокация. 4. Космическая съемка.

Корректное сравнение в смысле исследования технологической интенсификации, которая достигается за счет приме нения СКРВ, возможно при использовании в качестве базы классической аэрофототопографической технологии, которая в свою очередь основана на использовании стереотопографического метода создания карт и планов.

С учетом представленных выше разъяснений можно дать следующий ответ на вопрос о степени интенсификации работ по крупномасштабному топографическому картированию, достигаемому при использовании СКРВ: при корректном методе сравнения речь может идти об ускорении в разы и даже на порядки.

Иными словами, если при использовании традиционных аэротопографических технологий картирование определенной территории в заданном масштабе могло потребовать месяц, то с использованием СКРВ эта же работа заняла не более чем несколько дней. Подчеркнем, что и в первом, и во втором случаях речь идет именно обо всем комплексе работ, включая геодезические, аэросъемочные и камеральные работы.

В теории и практике СКРВ значительную роль также играет ряд других базовых прикладных дисциплин и технологий таких, как цифровая фотограмметрия, геодезия, гравиметрия, математическая картография. В качестве отдельного направления сегодня уже можно выделить методы математической (программной) обработки данных лазерно-локационной съемки совместно с цифровыми аэрофотосъемочными данными. С учетом вышеизложенного можно представить следующие рекомендации по правильному толкованию термина «реальное время», входящего в определение СКРВ.

1. Было бы неправильно утверждать, что при практическом использовании СКРВ топографический план «рождается» сразу на борту самолета аэросъемщика. По крайней мере, сегодня это еще невозможно.

2. СКРВ не отменяют ряд важнейших технологических процессов таких, как камеральное дешифрирование и все другие процессы, связанные с созданием семантической составляющей карты. Представляется, что их нельзя отменить в принципе. Однако не будет преувеличением сказать, что важнейшим результатом применения СКРВ на практике является следующий факт: длительность цикла производства законченной рельефной части карты и выделения многих контуров географических объектов и ортофотомозаики (транформированных и геопривязанных аэрофотоснимков) сопоставима по продолжительности с фазой аэросъемки. Иными словами, все данные, собранные за каждый аэросъемочные день, могут быть обработаны до начала следующего дня.

Обсудим еще раз важнейшие тенденции в развитии современных аэросъемочных технологий, определяющие успех практического использования СКРВ.
1. Рост производительности лазерно локационных систем. 1993 г. ALTM 1020 5 KHz 1997 г. ALTM 1025 25 KHz 2001 г. ALTM 3033 33 KHz 2002 г. ALTM 2050 50 KHz 2002 г. ALTM 30/70 70 KHz 2003 г. ALTM 3100 100 KHz 2006 г. ALTM 2100 EA 100 кГц (точность измерения наклонной дальности 2 3 см) 2007 г. ALTM Gemini более 167 кГц (максимальная высота съемки 4000 м). Предполагается, что рост производительности авиационных лидаров будет продолжаться.

2. Совершенствование алгоритмов селекции «лазерных точек». Селекция лазерных точек предполагает установление принадлежности каждой отдельной точки или их группы тому или иному морфологическому компоненту: поверхности рельефа, растительности, зданиям, ЛЭП и другим классам объектов. Автоматическая селекция функционально связана с построением векторных моделей географических объектов. Успехи в совершенствовании алгоритмов селекции прямо сказываются в повышении степе ни автоматизации и, следовательно, производительности как самих лазерно-локационных систем, так и СКРВ, построенных на их основе.

Выше приведены примеры использования лазерно-локационных данных в форме «интенсивности» отраженного сигнала. Такие данные представляют собой по сути цифровой ортофотоплан в истинных геодезических координатах. С увеличением производительности воздушных лазерных локаторов можно рассчитывать на повышение разрешения на местности этих «квазиортофотопланов». Наличие такой информации позволяет выполнять многие дешифровочные работы без привлечения аэрофотоснимков.

4. Совместный анализ и совместная обработка лазерных и аэрофотографических данных. Большое значение имеет возможность автоматизации процедуры приведения лазерно-локационных, аэрофотографических и других видов данных дистанционного зондирования к единой геодезической системе координат. Возможность стереоскопического наблюдения данных всех видов, причем как раздельно, так и совместно, дополнительно способствует повышению достоверности камеральных работ.

5. Построение поверхностей истинного рельефа. Выделение поверхности истинного рельефа с использованием алгоритмических процедур позволяет уверенно восстанавливать форму поверхности рельефа даже под густыми кронами деревьев, находящимися в фазе вегетации. Это позволяет значительно расширить границы применимости лазерно-локационного метода и СКРВ в целом.

6. Значительные успехи достигнуты в последние годы как в повышении точности лазерно-локационного метода в целом, так и в повышении достоверности и общей информативности выходных топографических материалов. Так в 2006 г. компания Optech, мировой лидер в области производства авиационных лидаров, предложила модели ALTM 3100EA и ALTM Gemini, обеспечивающие точности измерения наклонной дальности на уровне 3-5 см.

Вместе с тем современные алгоритмы выделения поверхности истинной земли и других важнейших топографических и структурных поверхностей и контуров позволяют добиться точности геопозиционирования этих поверхностей и контуров на уровне первых сантиметров, естественно, при обеспечении достаточной плотности сканирования. Немаловажно и то, что современные математические методы наряду с построением самих поверхностей и контуров позволяют получить статистические оценки точности и достоверности их пространственного положения.

Аналитическая форма генерации и анализа ЦМР позволяет добиться максимальной точности и достоверности. Впервые появляется возможность количественной (в см) оценки точности восстановления рельефа.

7. Использование «лазерной» ЦМР позволяет применять к ней различные методы аналитической обработки, которые могут оказаться чрезвычайно полезными на практике. Такая возможность принципиально отсутствует в случае, если ЦМР получена стереофотограмметрическим или любым другим традиционным методом. Использование «аналитического» подхода позволяет свести процедуры выделения структурных линий рельефа (break lines) к классическим операциям Фурье и вейвлет анализа.

8. Весьма перспективным и все более активно применяемым на практике является совместное использование данных наземного и воздушного лазерного сканирования (локации) и цифровой аэрофотосъемки. Такой подход особенно эффективен при обследовании объектов, включающих сложные инженерные сооружения, на пример, электрические подстанции.

Основные выводы, касающиеся проблем прикладной лазерной локации цифровой аэрофототопографии и СКРВ:
«лазерная» ЦМР заслуживающий доверие объект с абсолютной геодезической точностью ~15 см.;
«локальная» точность такой ЦМР, важнейших контуров и точек иногда даже выше 5-7 см.;
ничто не дается нам так дешево, а не ценится так дорого, как «лазерная» ЦМР. Генерация ЦМР сегодня рутинный процесс. Автоматизированы практически все главные технологические операции как на этапе сбора, так и на этапе обработки. Но в то же время геоинформационная ценность «лазерной» ЦМР очень велика;
цифровая аэрофотография самое уместное дополнение к лазерным данным как средство камерального дешифрирования;
лидар и цифровой аэрофотоаппарат два независимых источника геопространственных данных с сопоставимым уровнем точности. Это обстоятельство можно использовать для взаимного контроля и взаимной привязки этих двух видов аэросъемочных данных;
наличие лазерных и навигационных (GPS + инерциальных данных) позволяет «оптимизировать» классический цикл фотограмметрической обработки: «Опознаки Блок (Маршрут) Соответственные точки Фототриангуляция Уравнивание Модельные координаты Геодезические координаты «Стереофотограмметрическая» ЦМР Ортотрансформирование». «Оптимизация» есть полная автоматизация!
используемые методы сбора, обработки данных только цифровые. От наземных геодезических работ по планово-высотному обоснованию можно полностью отказаться (но не от развития съемочной сети);
можно постараться отказаться от работ по полевому дешифрированию;
а также:
все прочие достоинства лазерной локации;
все прочие достоинства аэрофототопографии.
Более полную информацию о СКРВ можно найти в материалах, представленных на сайте компании «Геолидар».