Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка и исследование технологий топографо-геодезических работ при инвентаризации и реконструкции воздушных линий электропередачи по материалам авиационной лазерно-локационной съемки

ВАК РФ 25.00.34, Аэрокосмические исследования земли, фотограмметрия

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Медведев, Евгений Михайлович

Список используемых сокращений

Введение

1. Воздушная лазерно-локационная съемка и ее применение в геодезии, топографии и инженерных изысканиях

1.1 Лазерно-локационное изображение

1.2 Способы получения лазерно-локационных изображений. Основные принципы функционирования типового лазерного локатора

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

1.4 Функциональная схема типового лазерного локатора на примере системы ALTM компании Optech

1.5 Принципы функционирования бортового навигационного комплекса

1.6 Компоновка аэросъемочного оборудования на борту носителя

1.7 Экономические аспекты применения лазерно-локационных средств. Ситуация на рынке производителей

2. Разработка и исследование методов оптимизации параметров лазерно-локационной съемки

2.1 Зондирующие свойства лазерного излучения

2.2 Отражение лазерного луча от проводов

2.3 Математическое моделирование лазерно-локационного измерения

2.4 Динамика носителя и ее влияние на лазерно-локационное изображение

2.5 Полунатурное моделирование JTJT съемки ЛЭП

2.6 Оптимальный выбор режима работы оптико-электронного блока локатора и условий съемки

2.7 Физические ограничения лазерно-локационного метода съемки и пути их преодоления

2.8 Выводы

3. Разработка и исследование комплекса топографо-геодезических работ при инвентаризации и реконструкции воздушных ЛЭП

3.1 Разработка методики определения координат наземных объектов по результатам лазерно-локационной съемки

3.2 Основные процедуры метрологического обеспечения лазерно-локационного метода

3.3 Измерение выставочных параметров сканерного блока

3.4 Общие принципы проведения летной калибровочной процедуры

3.5 Контроль качества пилотирования

3.6 Создание векторных моделей ЛЭП с помощью интегрированной программной среды ALTEX 3.

3.7 Лазерно-локационные методы при выполнении оценки состояния растительности вдоль трассы ЛЭП

3.8 Выводы 172 Заключение 174 Литература 177 Приложение 1. Пример стандартного набора параметров ЛЭП, определяемых по результатам лазерно-локационного обследования 183 Приложение 2. Пример оформления результатов лазернолокационного обследования растительности вдоль трассы ЛЭП

Список используемых сокращений

Русские

АЦП Аналого-цифровой преобразователь

БНК Бортовой Навигационный Комплекс

ГИС Геоинформационная система

ИС Инерциальная Система

ЛЛ Лазерный Локатор, Лазерно-локационный

ЛЭП Линия Электропередачи

МПЗ Мгновенное поле зрения

ОЭБ Оптико-электронный блок

ПУЭ Правила устройства электроустановок

РЛ Радиолокация, Радиолокационный

СБВ Специализированный Бортовой Вычислитель

СК Система Координат

ЦМР Цифровая Модель Рельефа

Английские

ALTM Airborne Laser Terrain Mapper

CAD Computer Aided Design

DTM Digital Terrain Model

GIS Geographical Information System

GPS Global Positioning System

IMU Inertial Measurement Unit

INS Inertial Navigational System

IRS Inertial Reference System

POS Position and Orientation System

PPS Pulse Per Second

RTK Real Time Kinematical

TIM Time Interval Meter

UTM Universal Transverse Mercator

WGS-84 World Geodetic System

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка и исследование технологий топографо-геодезических работ при инвентаризации и реконструкции воздушных линий электропередачи по материалам авиационной лазерно-локационной съемки"

Аэрофототопографические методы, также как и разнообразные наземные топографические методы традиционно активно используются для съемки линий электропередачи (ЛЭП) как для решения чисто топографических задач, таких, например, как съемка рельефа и важнейших контуров в полосе отчуждения ЛЭП, так и для решения ряда прикладных геодезических задач. К последним относятся многочисленные задачи, возникающие при проведении инженерных изысканий, проектировании, эксплуатации и реконструкции ЛЭП. Во-первых, такие задачи включают [52] прецизионное определение фактического (в зарубежной литературе "as ЬиШ"-«как построено») положения основных компонентов ЛЭП (прежде всего опор, проводов и тросов), а также наблюдение за их смещениями в процессе эксплуатации. Во-вторых, к прикладным геодезическим задачам могут быть отнесены [51] вопросы оценки состояния растительности в полосе отчуждения, в частности определения критических расстояний от фазовых проводов до элементов растительности, которые могут явиться причиной замыкания, и определение габаритов до пересекаемых объектов - дорог, инженерных коммуникаций, других ЛЭП.

Необходимо сразу отметить, что термин ЛЭП в настоящей работе понимается широко -он подразумевает не только опоры, провода и тросы, но также всю подстилающую поверхность земли в полосе отчуждения ЛЭП, включающую рельеф, растительность, наземную гидрографию, а также многочисленные объекты антропогенного происхождения -дороги, инженерные коммуникации, подстанции и т.п.

Традиционно, начиная с советского периода, топографическая съемка ЛЭП выполнялась в масштабе 1:10000 [1]. В большинстве случаев для этой цели используется стереотопографический метод, предполагающий выполнение маршрутной аэрофотосъемки трассы ЛЭП с последующей съемкой рельефа и составлением контурной части плана в камеральных условиях на универсальных аналитических стереофотограмметрических приборах, либо средствами цифровой фотограмметрии. Аналогичным способом могут быть определены значения пространственных координат характерных компонентов ЛЭП - точек стояния опор, например, или характерные длины и расстояния - длины пролетов и стрелы провеса проводов. Дешифрирование также, в основном, выполняется камеральных условиях по фотопланам.

В определенных случаях, когда выполнение аэрофотосъемки невозможно или представляется нецелесообразным с экономической точки зрения, для съемки ЛЭП могут использоваться разнообразные методы наземной топографической съемки. В прошлом для этой цели в основном использовалась тахеометрическая и фототеодолитная (наземная стереотопографическая) съемка. В настоящее время эти методы наземной топографической съемки практически полностью вытеснены методами, основанными на использовании GPS аппаратуры, электронных тахеометров (Total stations) и наземных лазерных сканеров.

Что касается упомянутых традиционных воздушных методов съемки ЛЭП, то они активно применяются до настоящего времени. Благодаря использованию бортовых GPS приемников для определения пространственных координат точки фотографирования аэрофотоснимка, а также благодаря использованию наземных геодезических GPS методов при выполнении планово-высотного обоснования результатов аэрофотосъемки (планово-высотной привязки опознаков), а также применению средств цифровой фотограмметрии, в настоящее время удалось существенно повысить производительность стереотопографического метода, применительно к съемке ЛЭП. Это выражается в значительном сокращении полевых геодезических работ по планово-высотному обоснованию как по количеству маркируемых опознаков, так и по продолжительности измерения координат каждого опознака. Кроме того, современная цифровая реализация стереотопографического метода съемки позволяет практически полностью автоматизировать процедуры маршрутной фототриангуляции, построения цифровой модели рельефа (ЦМР), ортотрансформирования снимков. Значительно упрощаются процедуры ручного измерения компонентов ЛЭП по стереопаре.

Следует отметить, однако, что возможности, предоставляемые традиционными методами воздушной и наземной топографической съемки, не в полной мере соответствуют современным требованиям по полноте данных, их точности и форме представления. Это утверждение, естественно, нуждается в пояснениях. Прежде всего, необходимо определиться по вопросу, какие группы пользователей заинтересованы в получении материалов съемки ЛЭП. И в России и за рубежом это, прежде всего, проектные и эксплуатационные организации электроэнергетической сферы, деятельность которых охватывает проектирование и строительство линий, а также их поддержание в безопасном и работоспособном состоянии. Другую категорию пользователей составляют компании, занятые картографическим производством, созданием геоинформационных систем (ГИС) и кадастров землепользования в полосе отчуждения ЛЭП. Указанные две основные категории пользователей различаются как по типу выходной продукции, так и по номенклатуре используемых в процессе производства аппаратных и программных средств. Представим основные технологические процедуры, выполнение которых предполагает наличие данных топографической съемки ЛЭП:

- Проектирование новой ЛЭП.

- Реконструкция существующей ЛЭП с целью увеличения ее пропускной способности .

- Прокладка по существующей ЛЭП самонесущего или встроенного в грозозащитный трос волоконно-оптического кабеля.

- Инвентаризация ЛЭП.

Для правильного понимания характера проблем, возникающих при использовании данных топографических съемок ЛЭП, необходимо также представить краткое описание современных технологий проектирования в этой области [45]. Существенным является тот факт, что такие технологии, как правило, реализуются в виде прикладных программных пакетов, таких как пакет PLS-CADD компании Power Line Systems Inc., США или пакет POLE-CAD компании Optimal Software Ltd., Великобритания. Такие системы представляют реализацию концепции автоматизированного проектирования (Computer Aided Design (CAD) в зарубежной литературе).

Использование подобных систем значительно повышает как производительность, так и качество выполнения проектных работ, т.к., по сути, оперирует с математической моделью, включающей все значимые компоненты, имеющие отношение к объекту проектирования. К таким компонентам относятся опоры, провода и тросы ЛЭП, рельеф (поверхность истинной земли), растительность, гидрография, различные объекты антропогенной природы. Понятно, что каждый такой компонент (класс объектов) предполагает свою, учитывающую его специфику, форму представления (в частности векторную или растровую), а также требует решения ряда других чисто технических проблем, составляющих специфику реализации конкретной CAD системы. Однако, решающей все же является возможность модельного представления объектовой среды, в которой ведется проектирование. Исключительная важность следования описанному модельному подходу при проектировании ЛЭП и других подобных инженерных объектов объясняется двумя главными обстоятельствами:

1) Модельное представление объектовой среды предполагает ее полную формализацию, что, в свою очередь, позволяет в полной мере использовать для отдельных ее компонентов многочисленные программы тематического анализа. Наиболее ярким примером является представление проводов и грозозащитных тросов. Если по результатам аэросъемочного обследования такие объекты представлены в виде адекватной математической модели, то благодаря использованию существующих прикладных пакетов могут быть оценены механические нагрузки на провод и его отдельные компоненты, а также динамика изменения его положения в пространстве при наличии электрической нагрузки и климатических факторов. Другим примером является модельное представление опор ЛЭП. Здесь наличие полной информации по геометрии опоры вместе с соответствующими сведениями по характеру рельефа в месте ее установки (в частности значения разности высот между ногами), а также по подключенными к опоре проводам и тросам позволяет с помощью соответствующих программ оценить величину механических нагрузок и деформаций. Понятно, что наличие подобных возможностей в части использования прикладных пакетов значительно повышает качество проектирования.

2) При последовательном проведении в жизнь модельного подхода, в частности при обеспеченности достоверными и полностью формализованными данными по рельефу и всей наземной инфраструктуре вдоль всей трассы проектирования возможно использование при проектировании и реконструкции чрезвычайно перспективных процедур топологического анализа. В случае проектирования ЛЭП речь может идти об автоматическом или полуавтоматическом выборе трассы линии и расстановке опор. Наличие законченной модели позволяет в полной мере оценит как чисто технические, так и экономические и юридические последствия выбора того или иного варианта. В этом смысле модельный подход хорошо согласуется с идеологией, реализуемой современными геоинформационными системами [10].

Использование CAD систем для проектирования сегодня является доминирующей тенденцией. Будет справедливо говорить, что требования к номенклатуре и точности топографических и нетопографических данных, собираемых в ходе аэросъемочного обследования ЛЭП сегодня во многом определяются исходя из необходимости их использования в CAD и ГИС системах. Только в этом случае результаты съемки могут считаться конкурентоспособными.

После представленного краткого анализа современного положения дел в области использования аэрофотосъемочных и наземных геодезических методов применительно к задачам съемки ЛЭП, перейдем к описанию сущности предлагаемого в настоящей работе лазерно-локационного метода съемки и его сравнению с традиционными методами.

Первые лазерно-локационные приборы авиационного базирования появились в начале 90-х годов XX века. Сегодня лазерно-локационные методы составляют неотъемлемую часть современного авиационного дистанционного зондирования. Основной технологической предпосылкой, обусловившей возможность появления подобных технологий, явилось появление комбинированных навигационных комплексов, обеспечивавших на достаточно высоком уровне точности измерение пространственных координат носителя и углов его пространственной ориентации. С другой стороны современные лазерные локаторы реализуют активно используемый начиная с 60-х годов принцип сканерной лазерной дальнометрии. Решающим фактором, определившим успех JXJI методов, является технологическая простота сбора пространственных данных по подстилающей поверхности. По сути, при использовании JIJI методов можно говорить о возможности прямого измерения рельефа и многих классов наземных объектов как естественных, так и имеющих антропогенную природу. Точность геопозиционирования компонентов рельефа и наземных объектов по результатам съемки, равно как и точность всех геометрических измерений составляет, как правило, 10-20 см, что позволяет использовать ЛЛ данные для создания и обновления топографических карт и планов практически всего масштабного ряда вплоть до масштаба 1:2000.

Изучая возможность использования ЛЛ метода для съемки ЛЭП можно указать на ряд существенных преимуществ, обеспечиваемых этим методом по сравнению с традиционными подходами:

1) Производительность ЛЛ метода чрезвычайно высока. На практике достигнута производительность съемки в 500-600 км за один аэросъемочный день для магистральных высоковольтных (220 кВ и более) ЛЭП и 150-200 км для низковольтных и распределительных сетей. Во всех случаях в маршрутном режиме обеспечивается съемка всей ширины полосы отчуждения для выбранного класса ЛЭП, определяемой Правилами Устройства Электроустановок (ПУЭ). Здесь следует отметить, что камеральная обработка результатов съемки при реализации ЛЛ метода, как правило, по продолжительности сравнима со временем выполнения авиационных работ, что позволяет выполнять такую обработку оперативно на месте проведения работ. Это, в свою очередь, позволяет эффективно контролировать качество съемки и при необходимости выполнять повторную съемку. Понятно, что подобная производительность значительно превосходит возможности традиционных аэросъемочных технологий, которые требует сложной камеральной обработки, требующей значительного времени.

2) ЛЛ метод не требует выполнения наземных геодезических работ по планово-высотному обоснованию результатов аэросъемки. Необходимость выполнения таких работ может составить серьезную проблему при реализации традиционных методов съемки, особенно для удаленных и труднодоступных районов.

Классические стереофотограмметрические методы в их аналитической или цифровой реализациях обеспечивают возможность проведения высокоточных измерений компонентов сцены. Однако с помощью таких методов не удается автоматизировать воспроизведение формы сложных инженерных объектов, прежде всего опор ЛЭП. Кроме того, из-за особенностей пространственного положения проводов и тросов, измерение значений их стрел провеса, габаритов и координат точек подвески стереофотограмметрическим методами в значительной степени затруднено, в результате чего точность измерения этих значений оказывается неудовлетворительной. В силу того, что ЛЛ метод реализует прямое измерение всех компонентов сцены, он является полностью свободным от указанных ограничений. Более того, как показано в Гл. 3 программная обработка первичных ЛЛ данных позволяет достичь очень высокого уровня точности по этим параметрам, в частности для стрел провеса 5-7 см. В то же время, ЛЛ измерение всегда создает пространственный образ объекта - «облако» лазерных точек, отраженных от поверхности объекта. Такое «облако» само по себе значительно облегчает визуальный анализ формы изображаемого объекта и позволяет выполнять все необходимые первичные геометрические измерения на базовом уровне точности метода, т.е. 15-20 см. Более важно то, что данные, представленные в такой форме, могут быть эффективно использованы для программного анализа и построения векторных моделей, что по указанным выше причинам крайне существенно для реализации современных подходов проектирования ЛЭП. Так, программные пакеты обработки ЛЛ данных позволяют автоматически распознавать тип опоры ЛЭП и координаты ее пространственного положения с точностью 10-15 см. Кроме того, автоматически могут быть определены такие важные параметры как высота подставки, длины гирлянд, наличие нарушений в конструкции и др. ЛЛ метод в отличие от классических методов в значительной степени свободен от сезонных ограничений, связанных с наличием лиственного покрова. В Гл. 3 будет показано, что ЛЛ измерения в большинстве случаев применимы к объектам, расположенных под кронами деревьев.

Без всяких ограничений возможно проведение ЛЛ съемки для сцен с отсутствующей или слабовыраженной текстурой поверхности - песчаных пляжей, заснеженных и водных поверхностей. Известно, что стереофотограмметрические измерения таких сцен не возможны по причине невозможности установления соответственных точек в стереопаре. В практике обследования ЛЭП подобные ландшафты встречаются достаточно часто.

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

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

- Сравнение ЛЛ методов с другими известными в настоящее время методами авиационного дистанционного зондирования, обеспечивающих прямое получение трехмерных данных, в частности с интерферометрическими радиолокационными (РЛ) системами бокового обзора, не может считаться вполне корректным. Здесь следует иметь в виду следующее. Очень грубо, радиолокационное изображение представляет распределение по сцене вариаций электрической и магнитной проницаемости, так что интенсивность отраженного сигнала прямо определяется значением произведения диэлектрической и магнитной проницаемости среды. На распределение интенсивности РЛ изображения также оказывают самое существенное влияние такие факторы как морфологическое состояние поверхности (рябь на поверхности водоема), наличие загрязнений и др. Главным практическим следствием этого является тот факт, что интерферометрические РЛ системы хотя и обеспечивают прямое измерение геометрии рельефа, но занимают отличную от ЛЛ средств экологическую нишу и поэтому не могут рассматриваться как аналог при выполнении сравнения по техническим и экономическим показателям. По своим главным параметрам - разрешение при высоте полета 2000 м на уровне первых метров, точность определения геодезической высоты на уровне 3-7 м, РЛ данные находят применение в целом ряде областей, например, в геологии.

С учетом вышеизложенного, представляется уместным говорить о лазерно-локационном методе, понимая под этим термином совокупность методических приемов, связанных с применением ЛЛ и сопутствующих средств в топографии и при проведении изысканий. ЛЛ метод составляют следующие тематические группы:

1) Исследование применимости ЛЛ средств для той или иной группы объектов и сцен.

2) Вопросы организации аэросъемочного процесса и выбора оптимальных режимов работы аппаратуры в соответствии с некоторой заранее определенной целевой функцией.

3) Оценка точности и достоверности получаемых данных.

4) Обеспечение совместимости ЛЛ данных и их комплексирование с данными других видов дистанционного зондирования и результатов наземных измерений, а также обработка данных с целью их дальнейшего использования в различных тематических приложениях.

ЛЛ метод описан выше в наиболее общей форме. Понятно, что все представленные положения нуждаются в конкретизации, применительно к условиям конкретного исследования.

Задачи исследования

Задачей настоящей работы является изучение возможно применения ЛЛ методов для целей сбора пространственных данных при выполнении проектирования и реконструкции ЛЭП. Вопросы применимости ЛЛ метода рассматриваются в двух аспектах:

1) Разработка общих методических вопросов, связанных с использованием лазерных локаторов как средства авиационного дистанционного зондирования. Сюда входят вопросы оценки геодезической точности ЛЛ метода на основе исследования принципов работы навигационного комплекса, выявление метеорологических и других ограничений, а также вопросы информационной совместимости ЛЛ данных с данными цифровой аэрофотосъемки и некоторые другие вопросы методического плана.

2) Разработка методики использование ЛЛ средств для съемки воздушных ЛЭП. Здесь, прежде всего, рассматриваются вопросы оптимизации режимов сканирования в целях сбора максимума информационных характеристик, применительно к объектам такого рода. Другой группой вопросов здесь является подготовка ЛЛ и сопутствующих данных для дальнейшей обработки в ГИС и CAD системах в соответствии со сложившимися требованиями сообщества пользователей в этой сфере.

3) Изучение возможности использования ЛЛ методов в смежных областях, таких как

- В лесном хозяйстве для выполнения таксации.

- В гидрографии для оценки и прогнозирования зон затопления, оценки объема снежной массы.

- В горнодобывающей промышленности для оценки объема выработанного грунта и морфологического анализа открытых месторождений.

4) Создание специализированного программного обеспечения по сбору и обработке данных на различных технологических стадиях их получения. Создаваемые в рамках этого метода исследования программные продукты, обеспечивают реализацию широкого класса алгоритмов, главным образом по обеспечению надлежащей точности данных, по выделению информационных характеристик объектов.

Методы исследования

В работе использовались в основном аппарат физической оптики и фотометрии, фотограмметрические методы, а также различные прикладные математические методы -линейная алгебра, математическая статистика, численные методы. Для экспериментальной проверки теоретических выводов по параметрам оптимизации режимов съемки, полученных с помощью упомянутых выше аналитических и вероятностных методов, использовалось полунатурное моделирование.

Научная новизна

1. На основе анализа принципов функционирования бортового навигационного комплекса выявлен характер погрешностей определения пространственных и угловых координат носителя. На основе этого разработан набор процедур метрологического контроля, обеспечивающих достижение максимально возможной точности траекторных данных.

2. Предложена математическая модель первичного ЛЛ измерения, учитывающая специфику передающего и принимающего блоков локатора, пропускания атмосферы, а также оптических свойств провода ЛЭП как основного объекта исследования. На основе построенной модели предложена методика оптимизации выбора параметров ЛЛ съемки, обеспечивающих максимальную информативность и точность.

3. Проведена экспериментальная проверка результатов применения разработанной методики выбора оптимальных параметров ЛЛ съемки.

4. Предложен набор метрологических процедур, обеспечивающих возможность совместного использования лазерного локатора и цифрового аэрофотоаппарата, в результате чего выполняется прямое ортотрансформирование и геопозиционирование аэрофотоснимков в автоматическом режиме с результирующей точностью 1-2 м при высотах полета до 1000 м.

5. Исследованы физические ограничения лазерно-локационного метода. Предложены методологические и программные методы их преодоления.

6. Разработана методика численной оценки ряда лесотехнических параметров по JTJT данным.

7. Разработан программный комплекс, обеспечивающий обработку результатов ЛЛ съемки ЛЭП и экспорт результатов в CAD и ГИС системы для дальнейшей тематической обработки.

Практическая значимость

В рамках настоящей работы было выполнено большое количество работ, направленных на обеспечение возможности практического использования результатов исследований. Предложенная методика воздушного обследования ЛЭП в настоящее время признана штатной в практике работы межрегиональных сетевых компаний, входящих в РАО ЕЭС России. В течение 1999-2002 гг. было выполнено обследование более 15 тыс. км сетей.

Апробация работы

Достигнутые результаты по теме диссертационной работы обсуждались на следующих российских и международных конференциях:

- Первая специализированная конференция «Современные информационные технологии в урбанистике, градостроительстве и региональном планировании», Москва, 1997 г.

- Четвертая международная выставка и конференция по авиационному дистанционному зондированию, Оттава, Канада, 1999 г.

- Пятая международная выставка и конференция по авиационному дистанционному зондированию, Сан-Франциско, США, 2001 г.

- Конгресс CIGRE, SC22, Париж, Франция, 2000 г.

- Сессия 6-ой рабочей группы ISPRS, Любляна, Словения, 2000 г.

- Международная конференция «Классификация и динамика лесов дальнего востока», Владивосток, 2001 г.

- Третья международная конференция по геопространственной информации в сельском и лесном хозяйстве, Денвер, США, 2001 г.

- Первый международный симпозиум по лесной таксации, Сиэтл, США, 2001 г.

Структура работы

Диссертационная работа состоит из трех глав, введения, заключения, двух приложений и списка использованной литературы, содержащего 71 наименование. Основная часть работы изложена на 182 страницах, включая 98 рисунков и 16 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Аэрокосмические исследования земли, фотограмметрия", Медведев, Евгений Михайлович

3.8 Выводы

В Гл. 3 рассмотрены вопросы практического использования лазерно-локационных методов съемки применительно к обследованию воздушных ЛЭП и в ряде смежных областей.

Разработана методика определения координат наземных объектов по ЛЛ данным. Методика обеспечивает полный пересчет данных из внутренней вспомогательной системы координат сканерного блока в конкретную картографическую СК, выбранную пользователем для окончательного представления результатов съемки. Предложен набор методических процедур, реализующих метрологическое обеспечение аэросъемочного комплекса. Разработана методика измерения выставочных параметров, определяющих взаимное положение GPS антенны и сенсора IMU. Обеспечивается точность измерения на уровне первых сантиметров при отсутствии прямой видимости между антенной и сенсором.

Предложены стандартная (ручная) и автоматическая методики и соответствующее программное обеспечение к ним для выполнения летной калибровочной процедуры. В результате выполнения калибровочной процедуры определяются значения угловых поправок по углам крена, тангажа и рысканья Re, Ре, Не, которые учитываются на этапе расчета окончательных координат лазерных точек. При реализации стандартной калибровочной процедуры, за счет использования специализированного программного обеспечения оператор имеет возможность вручную подобрать значения поправок Re, Ре, Не, основываясь на визуальном анализе ЛЛ изображений калибровочного объекта.

При реализации автоматической методики калибровки значения Re, Ре, Не определяются без участия оператора. В этом случае в качестве калибровочного объекта выбирается один пролет воздушной ЛЭП.

Разработана система контроля качества пилотирования, позволяющая по аэросъемочным данным оценить выполнение экипажем заданных режимов съемки. Система обеспечивает автоматическое обнаружение участков с теми или иными отклонениями от заданных условий съемки, которые требуют выполнения повторной съемки.

Для комплексной обработки результатов ЛЛ съемки и создания векторных моделей ЛЭП разработана программная среда ALTEX 3.1, которая обеспечивает полный цикл обработки вплоть до выдачи окончательных результатов в форматах ГИС или CAD проектов. Результаты обработки включают векторную модель ЛЭП, содержащую модели опор, проводов и TIN(GRID) модель поверхности истинной земли. Кроме того, по результатам моделирования определяются значения ряда важнейших параметров, характеризующих техническое состояние линии, знание которых необходимо для правильной эксплуатации. Определяются значения следующих параметров: длина пролета, стрела провеса, габариты до земли и растительности, тяжение проводов и тросов и др. Кроме того, на трассу ЛЭП в программной среде ALTEX 3.1 формируется ортофото мозаика цифровых аэрофотоснимков.

Изучены вопросы применения ЛЛ методов для оценки состояния растительности вдоль трассы ЛЭП. Разработана методика построения модели огибающей полога растительности по ЛЛ данным. Такой подход позволил осуществить количественную оценку важных лесотехнических характеристик, знание которых дает возможность более достоверно прогнозировать вероятность отключения линии из-за короткого замыкания и планировать мероприятия по расчистке просеки.

Заключение

В результате проведенных исследований разработана технология топографо-геодезических работ при инвентаризации и реконструкции воздушных линий электропередачи по материалам авиационной лазерно-локационной съемки. В рамках основного направления исследований были поставлены и решены следующие задачи:

1) На основе детального изучения устройства и принципов функционирования современных лазерных локаторов была выработана математическая полностью формализованная модель первичного лазерно-локационного измерения, адекватно описывающая все физические процессы, составляющие излучение зондирующего импульса, его распространение в атмосфере, отражение от объекта и регистрацию приемником излучения. Применительно к задачам съемки ЛЭП, такой подход позволил ввести количественные критерии оценки качества съемки, основанные на определении вероятности обнаружения провода ЛЭП, который является наиболее информативным объектом. На основе предложенного математического аппарата была разработана методика выбора оптимальных условий съемки для ЛЭП различного класса, позволяющая получать численные значения параметров съемки - высоты и скорости полета, режима сканирования, обеспечивающих наиболее достоверную и точную съемку проводов и других компонентов ЛЭП при выполнении лазерно-локационных обследований.

2) Для подтверждения полученных теоретических выводов был проведен полунатурный стендовый эксперимент, в котором моделировался процесс лазерно-локационной съемки проводов ЛЭП. Этот эксперимент позволил накопить статистические данные по различным типам проводов в условиях варьирования моделируемых условий съемки - высоты полета, частоты сканирования, положения сканирующего блока. В результате обработки экспериментальных данных определялись реальные значения численных показателей качества съемки, таких вероятность обнаружения провода, количество отражений на единицу длины провода, точность определения пространственных координат. Полученные экспериментальные данные подвергались сравнению с соответствующими теоретическими значениями, что, в основном подтвердило правильность выбранного метода оптимизации условий съемки ЛЭП.

Была обоснована целесообразность использования высокочастотного метода сканирования при съемке ЛЭП. В результате применения такого метода сканирования удается получать высокоинформативные ЛЛ изображения, в которых наряду с проводами адекватно представлены опоры ЛЭП, пересекающие линии, поверхность земли и наземные объекты. При низкочастотном режиме сканирования, применявшемся ранее, имелась возможность получать данные фактически только по проводам, но не по другим компонентам сцены.

На основе анализа реальных ЛЛ данных, собранных за пять лет практической деятельности, были выявлены и систематизированы физические ограничения ЛЛ метода съемки, которые выражаются в тех или иных искажениях получаемых ЛЛ изображений или в снижении точности определения координат. Представлена теоретическая интерпретация каждого такого явления. Предложены методические и программные процедуры по преодолению физических ограничений.

Разработана процедура измерения выставочных (off-set) параметров сканерного блока по отношению к фазовому центру GPS антенны. Гарантируется точность измерения на уровне первых сантиметров, что обеспечивает максимально достижимую точность данных лазерно-локационной съемки. Для практической реализации данной процедуры разработано соответствующее методическое и программное обеспечение.

Исследованы аппаратные и методические источники появления малых аддитивных погрешностей в поставляемых инерциальной системой данных по углам ориентации носителя. Предложена методика оценки значений указанных погрешностей за счет проведения летной калибровочной процедуры. Рассмотрены два возможных режима выполнения калибровочной процедуры -традиционный (ручной), при котором набор значений поправок осуществляется оператором вручную на основе визуального анализа ЛЛ изображения, и автоматический, при котором значения поправок вычисляются специальной программой без участия оператора. Выработаны рекомендации по выбору калибровочного объекта. Для практической реализации калибровочной процедуры разработано необходимое программное и методическое обеспечение. Разработан комплекс программного обеспечения ALTEX, реализующий широкий набор алгоритмов обработки ЛЛ данных. Комплекс обеспечивает создание в автоматизированном режиме векторных моделей опор и проводов ЛЭП, поверхности земли, растительности, а также создание ортофото планов по ЛЛ и цифровым аэрофотографическим данным. Результаты обработки данных в программном комплексе ALTEX могут быть экспортированы в многочисленные CAD и ГИС системы для дальнейшей тематической обработки.

8) Предложена методика, позволяющая по ЛЛ данным оценивать набор важных лесотехнических параметров, характеризующих растительность вдоль трассы ЛЭП. Для реализации данной методики разработано соответствующее программное обеспечение. Определяются значения следующих параметров: высота растительного покрова, эффективная ширина просеки, габариты до растительности и др. Знание значений этих параметров позволяет более эффективно прогнозировать отключения линии из-за короткого замыкания, а также планировать мероприятия по очистке просеки. Для верификации полученных теоретических выводов по этому направлению было проведено натурное исследование на территории Красноярского края совместно с Международным институтом леса.

Теоретические и экспериментальные выводы, полученные в ходе выполнения настоящей работы, позволяют заключить, что применение ЛЛ методов в топографо-геодезических работах, связанных с обследованием воздушных ЛЭП, представляется целесообразным в смысле объема, полноты и точности собираемых данных. Применение таких методов представляется также экономически обоснованным. Они обеспечивают получение качественных данных, в наибольшей мере соответствующих современному инженерному уровню в области проектирования и эксплуатации воздушных ЛЭП.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Медведев, Евгений Михайлович, Москва

1.В. Геодезия. Учебник для вузов. - М.: Недра, 1980. 277 с.

2. Большаков В.Д., Деймлих Ф., Голубев А.Н., Васильев В.П., Радиогеодезические и электрооптические измерения.-М.: Недра, 1985.-3003 с.

3. Бугаевский Л.М., Математическая картография: Учебник для вузов. М: 1998. -400 с.

4. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. - 576 с.

5. Воробьев В.И. Оптическая локация для радиоинженеров.-М: Радио и связь, 1983.-176 с.

6. Данилин И.М., Медведев Е.М., "Изучение структуры лесного покрова методом лазерной аэросъемки", Лесная таксация и лесоустройство, Межвузовский сборник научных трудов, Красноярск, 2000, с. 157.

7. Данилин И.М., Медведев Е.М., Сведа Т., "Метод лазерного зондирования для целей таксации и мониторинга лесов", Классификация и динамика лесов дальнего востока, Материалы международной конференции, Владивосток, 2001, с. 144.

8. Интерактивная обработка данных лазернолокационной и цифровой аэротопографической съемки ALTEX версия 3.1/DOS, Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 990468, Авторы: Медведев Е.М., Пестов К.А., Москва, 01.07.1999 г.

9. Лобанов А.Н. Аэрофототопография. Изд. 2 доп. М.:, «Недра», 1978. 575 с.

10. Медведев Е.М., "К вопросу о значимости данных дистанционного зондирования при создании ГИС.", Москва, "ГИС-обозрение" № 3-4(9), 1996, с. 28.

11. Медведев Е.М., "Современные методы авиационного дистанционного зондирования в градостроительстве", Материалы конференции Современные информационные технологии в урбанистике, градостроительстве и региональном планировании, Москва, 1997, с. 77.

12. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1977. - 600 с.

13. Серапинас Б.Б. Основы спутникового позиционирования . М.:Издательство МГУ, 1998.-82 с.

14. Урмаев М.С. Орбитальные методы космической геодезии. М.: Недра, 1981,-256 с.

15. Харисов В.Н. и др. Глобальная спутниковая радионавигационная система16