Лазерное сканирование и космическая съемка — соревнование или партнерство

0

И.А. Рыльский

ДАННЫЕ КОСМИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ СВЕРХВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ — ВОЗМОЖНОСТИ ПО ТОЧНОСТИ И ПОЛНОТЕ

В настоящее время наиболее совершенные съемочные системы космического базирования дают возможность получать снимки с детальностью 30 см (спутник WorldView-3). К сожалению, подобное разрешение сейчас есть только у одного аппарата. Основной же объем космической съемки идет в разрешении 50–60 см (рис. 1). Стоимость подобных данных в основной своей массе составляет около 20 долл./км2 (или по существующему курсу составляет около 1500–1600 руб./км2).

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

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

Если рассмотреть требования, скажем, к топографическим планам масштаба 1:5000 (согласно СНиП 11-02-96. «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения»), то можно отметить, что базовым сечением рельефа на материалах масштаба 1:5000 является 2 м, а точность высотных отметок должна составлять около 1/3 сечения рельефа, то есть 67 см. Плановая погрешность при этом может составлять до 2,5 м. Нетрудно видеть, что указанные материалы в целом пригодны для картографирования в 2D, но немного не дотягивают в точности по высоте до масштаба 1:5000.

Для данных космической съемки с разрешением 30 см, которые обычно позиционируются как достаточные для создания топографических планов масштаба 1:2000, ситуация аналогичная — требования в части точности рисовки контуров в плане (1 м) обеспечиваются, а в части определения высоты – немного не дотягивают до требований масштаба 1:2000 (согласно того же СНиП 11-02-96). Так, высотная точность, которая может быть достигнута по данным с разрешением 30 см составляет 45–60 см, а требуемая (при сечении рельефа в 1 м) – 33 см.

Кроме того, при работе в масштабах 1:2000 и 1:5000 требования в части рисовки рельефа начинают диктовать необходимость отображения мелких форм и микроформ рельефа (эрозионные врезы, откосы, бровки, проч.). При этом кроны деревьев, несмотря на высокое разрешение, не становятся прозрачнее, и потому цифровая модель рельефа под кронами деревьев вообще перестает соответствовать каким-либо требованиям по точности – оператор-обработчик может только догадываться по формам крон об истинной форме рельефа под пологом растительности.

Таким образом, можно констатировать факт, что, несмотря на значительный прогресс в области детальности, данные сверхвысокого разрешения, получаемые с систем космического базирования, имеют  те же сложности в обработке, что и обычная аэрофотосъемка, при этом не обладая ее разрешающей способностью (как правило, лучше 30 см).

СУЩЕСТВУЮТ ЛИ БОЛЕЕ СОВЕРШЕННЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ РАБОТЫ В МАСШТАБАХ 1:2000 И 1:5000?

Да, подобные решения существуют, они известны с начала 2000-х годов. Это технологии воздушного лазерного сканирования. Действительно, все системы воздушного лазерного сканирования оснащаются цифровыми фотокамерами среднего формата (иногда — широкоформатными системами, работающими одновременно с системами сканирования), дающими цветные снимки. Лазерные импульсы способны как отражаться от крон деревьев, так и проникать сквозь незначительные отверстия в кронах до земли, давая исчерпывающе полную картину рельефа и микрорельефа (рис. 2). Точность  лазерного сканирования (в плане и по высоте) на настоящий момент составляет до 5–8 см, что позволяет составлять материалы масштаба от 1:5000 до 1:500 включительно.

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

По сравнению с классической аэрофотосъемкой  у лазерного сканирования есть  существенное преимущество в скорости обработки. Действительно, необходимость в выполнении фототриангуляции и восстановлении модели поверхности с использованием корреляционных  или ручных стереоизмерений у лазерного сканирования отсутствует.  Координаты объектов измеряются напрямую — в том числе, в «колодцах» и стесненных объемах, на вертикальных стенах, проводах, висячих конструкциях и т.п. — словом, на всех объектах, представляющих собой настоящий кошмар для фотограмметриста.

Однако у систем лазерного сканирования есть и недостатки. Или, по крайней мере, были. Вплоть до недавнего времени системы лазерного сканирования отличала небольшая высота съемки, резкое уменьшение плотности сканирования по мере увеличения высоты полета (и, как следствие — очень быстрое падение плотности сканирования), а также стоимость съемок. Собственно, стоимость съемок и являлась следствием первых двух причин. Кроме того, у систем воздушного сканирования с качающимся зеркалом (Leica, Optech) есть серьезные ограничения по возможности обеспечения равномерного покрытия лазерными точками, особенно — при использовании их на скоростных носителях (вроде Aн-30, L-410). Системы с вращающимся зеркалом (Riegl) подобных ограничений не имеют.

Несмотря на высокую стоимость самих лазерных систем, ее нельзя рассматривать как априорный факт удорожания услуги. Действительно, стоимость широкоформатных аэрофотокамер не ниже, а порой в несколько раз выше стоимости системы воздушного лазерного сканирования. Комментарии про стоимость спутников дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) излишни.

Однако начиная с 2014 г. на рынке появились системы с чрезвычайно высокой производительностью, в которых проблема падения частоты сканирования с высотой была  практически решена (рис. 3). Это позволило «поднять» потолок сканирования при обеспечении заданной плотности в несколько раз. Примером подобной системы является камера Riegl Q1560. Благодаря граненому зеркалу, данная система может обеспечивать равномерное распределение точек лазерных отражений в строке и между строками на всем диапазоне высот использования при скорости 180 км/ч и на высотах более 600 м — при скоростях до 350–450 км/ч.

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

ПОЧЕМУ НАМ ЭТО ИНТЕРЕСНО

Анализ структуры заказов спутниковых  данных, поставляемых компанией «Совзонд», начиная с 2007 г. показывает рост объемов в области данных сверхвысокого разрешения. Восходящий тренд налицо. Интерес к данным с разрешением в 30 см на сегодня ограничивается только их  ценой и длинной очередью  желающих их приобрести (стоимость этих данных примерно в 2,5–3 раза выше стоимости данных с разрешением 50 см). Несмотря на всем известные плюсы космической съемки — огромная производительность, низкая стоимость минимального заказа, возможность быстрой покупки архивных данных — у нее есть и минусы, которые начинают все сильнее проявляться по мере увеличения объема заказа и разрешения снимков. Так, выполнение космической съемки в объеме 2000–3000 кв. км с разрешением 30 см может занять несколько месяцев (длинная очередь желающих с более приоритетными и меньшими по размеру проектами, и проч.). Съемка может вообще не состояться в районах с неустойчивой погодой — периодичность прохождения спутника над районом не может быть изменена.

В то же время, авиационная лазерная съемка позволяет работать и под облаками, и использовать небольшие «окна» погоды, и не зависеть от  большого числа ранее обратившихся заказчиков.  Но самое главное — она дает нам сразу  информацию о рельефе, по которой мы можем   немедленно приступать к ортотрансформированию снимков, а также предложить клиенту целую линейку новых продуктов, которые нельзя получить, используя обычную аэрофото- или космическую съемку. Это:

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

Как видим, высокопроизводительная лазерная съемка с одновременной фотосъемкой может создать неплохую альтернативу космической съемке, а именно — ее наиболее массовому сегменту с разрешением 50 см.

Вопрос в данном случае состоит в цене.  Именно поэтому, используя открытые сведения о тактико-технических характеристиках  двух наиболее  производительных на сегодняшний день систем (Riegl Q1560, Optech GALAXY), мы сделали ряд простых вычислений. В том числе — ценовых.  Остальные системы не упоминаются в данной работе ввиду либо их существенно меньшей производительности, либо ввиду невозможности работать на высотах 2500 и более метров.

ИСХОДНЫЕ УСЛОВИЯ РАСЧЕТОВ

При расчетах условий использования системы мы исходили из работы по объектам, обладающим отражающей способностью на уровне темнохвойных лесов — это сделано для обеспечения реалистичности расчетов (альбедо 40%). Поскольку упоминающиеся в данной статье лидары работают на одинаковой длине волны, поправки в альбедо за длины волн не требуется. В расчетах  производительности постулируется, что только 40% летного времени производится съемка новых территорий  — остальные 60% налета уходят в подлет, развороты, обеспечение перекрытия. При расчете итоговой ожидаемой «коммерческой себестоимости»  мы исходили из того, что авиационные работы составляют лишь 40% затрат на проект  — все остальное является амортизацией оборудования, затратами на зарплату, командировки и т.п.

Материалы взяты из официальных характеристик приборов:

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

На практике возможно очень большое количество вариантов носителей для данных систем. Мы выбрали наиболее типичных представителей — АН-2 (обычно применяется для лазерного сканирования, очень распространен) и АН-30 — классический пример носителя для высокопроизводительной аэрофотосъемочной системы. В расчетах использованы цены на летный час работ, взятые с некоторым запасом (возможность нанять самолеты дешевле существует, но цена зависит также и от региона).

Как следует из рис. 4, в масштабах, которые сейчас наиболее интересны клиентам компании «Совзонд» (1:2000, 1:5000), камера Riegl Q1560 обладает полуторократным преимуществом по реальной производительности. Очевидно, что если для компании ключевой является цена, определяемая себестоимостью работ, то производительность — ключевой фактор выбора. Именно поэтому во всех дальнейших расчетах используются тактико-технических характеристики камеры Riegl Q1560.

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

Нетрудно видеть  на рис. 3, что до высоты 2500 м частота сканирования Riegl Q1560 не падает, а остается максимальной. Это достигается за счет технологии MTA, позволяющей в пост-обработке разрешать неоднозначность, возникающую при нахождении в воздухе нескольких лазерных импульсов одновременно (поддерживается до 10 импульсов). Высокая мощность лазера позволяет иметь большой запас по высоте, до которой нет необходимости снижать частоту сканирования (рис. 5).

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

Камера комплектуется 80-мегапиксельным задником, и может комплектоваться различными объективами. В основном фокусное расстояние составляет примерно 10300 пикселов. Нетрудно видеть, что вплоть до высоты 4000 м разрешение камеры так и не достигает 50 см, оставаясь на уровне 40 см на высоте 4000 м (рис. 6). Как видим, на высотах выше 800 м перекрывается  весь диапазон масштабов 1:1000 – 1:5000.

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

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

В табл. 1, 2 можно ознакомиться с конкретными значениями производительности, скорости полета, высоты, частоты, разрешающей способности, и стоимости выполнения работ — летных затрат и ожидаемой коммерческой себестоимости. Значения рассчитаны по приведенной выше методике.

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

График (рис. 7) показывает, что при использовании системы Riegl Q1560 и подборе носителя под задачу возможно выполнение съемок под масштаб 1:1000 по цене от 1400 руб./км2, под масштаб 1:2000 — от 750 руб./км2, под масштаб 1:5000 — от 650 руб./км2.  Сравнивая эти цены со стоимостью уже упоминавшихся космических данных по цене 1500 руб./км2, которые все равно не позволяют сделать ни полноценный план масштаба 1:2000 или 1:5000, можно сделать вывод, что применение подобной системы на российском рынке способно потеснить позиции западных поставщиков космических данных.

Рис. 7. Ожидаемая стоимость работ при работах Riegl Q1560 с различных носителях под различные масштабы.
Рис. 7. Ожидаемая стоимость работ при работах Riegl Q1560 с различных носителях под различные масштабы.

В приведенных ценах, как нетрудно видеть, не учтены затраты на планово-высотное обоснование, создание ортофотопланов, создание цифровых моделей рельефа (ЦМР) (контрдовод — в стоимости поставки спутниковых данных они тоже не учтены). Не учтена перегонка борта до места работ — на малых проектах она может существенно удорожать выполнение работ. Есть также ряд иных допущений, однако общий итог говорит об одном – применение высокопроизводительных лазерных систем,  которые могут обеспечить работу в режиме частоты сканирования выше 500 000 точек в секунду на высотах более 2000 м  и равномерность распределения точек отражений на больших скоростях, приведет к снижению затрат на получение данных дистанционного зондирования до уровня массово доступных данных космосъемки с разрешением 50 см.

В настоящее время система с такими характеристиками всего одна — уже упоминавшийся Riegl Q1560. К сожалению, другие производители (Leica и Optech) — не предлагают решений, обеспечивающих подобной производительности и равномерного распределения данных на больших высотах, и, следовательно, не достигают подобной ценовой эффективности. В настоящее время компания «Совзонд» рассматривает возможность  частичной замены данных космических съемок  с использованием подобной системы.