Отчет об испытаниях 3D-сканера RIEGL VZ-6000 для целей прогнозирования лавин и мониторинга лавиноопасных участков

В настоящее время наземное лазерное сканирование представляет собой самый эффективный метод получения точной и полной пространственной информации на большие территории, с высокой точностью и скоростью. Программно-аппаратное решение на базе сканера VZ-6000 от компании RIEGL позволяет быстро получить точную цифровую модель высокой плотности на территорию до 113км2. Кроме того, в сопутствующем программном обеспечении RIEGL RiSCAN PRO реализована функция сравнения двух поверхностей с построением картограмм и экспортом картографических данных в векторном, растровом и текстовом форматах.

Для анализа производительности, временных затрат и анализа полученных результатов лазерного сканирования данных был выбран покрытый снегом тестовый участок на южной окраине горного массива Хибины. Измерения были выполнены 29 октября 2013 г. c помощью лазерного 3D-сканера RIEGL VZ-6000 и обработаны сопутствующим программным пакетом RiSCAN Pro. На полевые работы было затрачено около 2-х часов, на пост-обработку около 1.5 ч.

Общая статистика

Для лучшего понимания масштабов выполненной работы на рисунке ниже показаны границы отсканированной территории, загруженные в программу “Планета Земля” (Google Earth):

Ниже приведены панорамы секторов сканирования, автоматически подготовленные в ПО RiSCAN PRO:

Сектор 131029_111952

Сектор 131029_114446

Сектор 131029_120110

Сектор 131029_122547

Сектор 131029_125546

Сектор 131029_130827

Новый лазерный сканер RIEGL VZ-6000, оснащенный импульсным лазером видимого диапазона способен выполнять измерения с точностью 15мм по поверхностям с высокой степенью рассеивания и поглощения, включая снег и лед. Диапазон измеряемых расстояний составляет от 5 до 6000м. Обладая высокопроизводительным лазерным дальномером, сканер RIEGL VZ-6000 обеспечивает сбор пространственной информации на большой территории за максимально короткий период времени, предлагая в зависимости от частоты лазерных импульсов четыре рабочий режима:

Частота лазерных импульсов, кГц	30	50	150	300
Скорость измерений, изм/сек	23000	37000	113000	222000
Наибольшее измеряемое расстояние, м
- поверхность с коэф. отражения ≥90%	6000	6000	4200	3300
- поверхность с коэф. отражения ≥20%	3600	3600	2400	1800

 

Так как сканер RIEGL VZ-6000 способен в реальном времени выполнять полный волновой анализ (Full Waveform analysis), это дает возможность регистрировать неограниченное количество отражений от каждого лазерного импульса. Все препятствия, частично перекрывающие лазерное пятно на пути распространения лазерного луча, регистрируются как отдельные измеренные точки (эхо-отражения), с соответствующими признаками-атрибутами. Камеральное программное обеспечение RIEGL RiSCAN PRO способно визуально показать все точки, полученные в результате сканирования, и выделить их различными цветами в зависимости от признака эхо-отражения. Это дает возможность эффективно отфильтровывать растительность и другие объекты, не принадлежащие рельефу.

В настоящий момент доступна автоматическая идентификация точек четырех типов (признаков):

1. Единственно возможное отражение
2. Первое отражение
3. Все промежуточные отражения между первым и последним эхо-сигналом
4. Последнее отражение

На рисунке ниже показан фрагмент съемки горного склона с точками, расцвеченными по признакам эхо-отражений, где точки единственного отражения отображаются зеленым цветом, точки первого отражения – желтым, последнего отражения – синим, все прочие отражения – голубым.

В таблице ниже показаны данные о фактическом количестве выполненных измерений и затраченном времени, за исключением времени фотофиксации. Разница между числом измерений и собственно измеренных точек обусловлена способностью сканера RIEGL VZ-6000 регистрировать несколько сигналов отражений от одного исходящего лазерного импульса.

Съемка	Выполнено измерений	Измерено точек по факту	Площадь полезной отсканированной поверхности, км2	Продолжительность съемки, мин
131029_111952	10 036 616	24 082 764	6.1	19.19
131029_114446	2 440 045	6 030 451	2.6	6.84
131029_120110	5 012 159	13 935 171	41.8	10.80
131029_122547	8 816 297	18 828 501	15.9	17.18
131029_125546	4 982 832	12 173 131	57.9	10.80
131029_130827	1 880 842	4 752 895	6.1	6.43

 

Параметры съемок:

Съемка	Программа измерений	Диапазон измеренных расстояний, м	Диапазон области съемки и угловой интервал сканирования точек
			Зенитные расстояния		Горизонтальные углы
			Диапазон,°	Интервал,°	Диапазон,°	Интервал, °
131029_111952	30кГц	4313.910	75.765 .. 93.642	0.010	0.324 .. 174.385	0.010
131029_114446	30кГц	5169.393	81.479 .. 97.413	0.005	40.479 .. 229.277	0.005
131029_120110	30кГц	5168.255	59.457 .. 108.246	0.033	0.000 .. 360.000	0.050
131029_122547	30кГц	5163.357	75.417 .. 91.525	0.012	28.070 .. 218.226	0.012
131029_125546	30кГц	5163.660	59.450 .. 108.136	0.033	0.000 .. 360.000	0.050
131029_130827	30кГц	5167.243	83.070 .. 95.389	0.010	81.819 .. 283.822	0.010

 

Объем сырых данных (в памяти инструмента), сконвертированных в формат программы RiSCAN PRO на жестком диске ПК и фотоизображений:

Съемка	Сырые данные, Мб	Данные, сконвертированные в формат RiSCAN PRO, Мб	Фотоизображения, Мб
131029_111952	243	1064	201
131029_114446	72	114
131029_120110	152	936
131029_122547	195	1206	227
131029_125546	131	903
131029_130827	51	148

 

Выбор углового интервала сканирования - это очень важный момент в технологии лазерного сканирования. С одной стороны небольшой интервал позволяет получить более детальную съемку, и это выгодно с точки зрения последующего прореживания точек для получения облака равномерной плотности на разных удалениях от сканера. Кроме того, часть точек теряется за счет возможных препятствий, например, деревьев. С другой стороны – количество измеряемых точек прямо пропорционально времени сканирования. В этом контексте оптимальным интервалом между точками в пространстве будет 0.5м, что даст возможность эффективно распознавать растительность на фоне рельефа и затем проредить точки с равномерным интервалом 1м, принятым в качестве эталонного при различных изысканиях. И здесь следует учитывать, что при удалении от сканера интервал увеличивается. Также следует уделить особое внимание тому, что угловой интервал в горизонтальном и вертикальном направлениях будет разным. Это обусловлено тем, что вертикальный угловой интервал напрямую зависит от снимаемого рельефа. Чем более пологий и равнинный рельеф, тем меньший вертикальный интервал требуется для достаточного покрытия его точками сканирования. Таким образом, для сокращения времени выполнения полевых работ, рекомендуется выполнять сканирование с наименьшего, но безопасного расстояния до объекта. Ниже приведена таблица зависимости горизонтального углового интервала сканирования и дистанции между измеряемыми точками:

 

Дистанция, м	500	1000	1500	2000	2500	3000	3500	4000	4500	5000	5500	6000
dГУ=0.005°	0.04	0.09	0.13	0.18	0.22	0.26	0.31	0.35	0.39	0.44	0.48	0.52
dГУ=0.010°	0.09	0.18	0.26	0.35	0.44	0.52	0.61	0.70	0.78	0.87	0.96	1.05
dГУ=0.015°	0.13	0.26	0.39	0.52	0.66	0.78	0.92	1.05	1.18	1.31	1.44	1.57

 

Варианты привязки результатов сканирования

Важным аспектом получения точной модели рельефа для последующего сравнения с предыдущими циклами измерений является привязка каждой станции и облаков сканирования в единой системе координат. Для выполнения этой задачи возможно использование нескольких схем:

1. Выполнение измерений с пунктов (например, пилонов постоянного закрепления) с заранее известными координатами. Грубая пространственная привязка может быть выполнена средствами встроенного в сканер спутникового приемника. Последующая регистрация (сшивка сканов) осуществляется средствами инструмента Multi Station Adjustment (MSA), входящего в состав ПО RIEGL RiSCAN PRO. Затем вводом точных координат станций наблюдений выполняется перерасчет всего массива измерений в установленную систему координат. Требования и ограничения:
1. при данной реализации привязки требуются наблюдения минимум с трех станций;
2. в идеале точки станций должны формировать вершины равностороннего треугольника с длинами сторон не менее 100м.
3. координаты станций должны быть известны с точностью не грубее 5-10мм
4. требуется наличие зон перекрытия (общих видимых участков) облаков сканирования, получаемых с разных станций.
2. Выполнение измерений с установленным на сканере внешним спутниковым приемником, работающим в режиме RTK или статики. При данной реализации требуется минимум три станции и наличие перекрытий зон сканирования с этих станций. Привязка положения сканера обеспечивает GPS-аппаратура, а сшивка и ориентирование облаков выполняется в ПО RiSCAN PRO с помощью инструмента MSA. Преимущество данного метода в свободе выбора мест установки сканера.
3. Выполнение измерений со станции, привязанной по пунктам-спутникам с установленными на них марками RIEGL. Координаты марок определяются с помощью комплекта спутниковой аппаратуры, работающей в режиме RTK или статики. Рекомендуется использовать не менее 4-х марок на каждой станции. Преимущество данного метода в том, что для производства съемки необходимого участка требуется минимум одна станция, и при использовании нескольких станций не требуется наличие общих зон сканирования (зон перекрытия облаков с разных станций). Места размещения марок выбираются и координируются непосредственно перед началом сканирования. Важно: каждая марка должна быть отсканирована отдельно с применением специальной программы измерений. Привязка и ориентирование облаков сканирования выполняется автоматически в ПО RiSCAN PRO по маркам с указанием их координат. Для получения наилучшего решения привязки рекомендуется устанавливать марки вокруг сканера с максимальным разнесением по азимуту и на удалении не более 100 метров от прибора.

Следует заметить, что при использовании спутниковой аппаратуры для привязки сканер и/или марок требуется минимум два ГНСС-приемника. Один из приемников должен быть стационарно установлен на точке (базе) с известными координатами и должен быть включен на всем протяжении полевых работ. Исключением является использование сторонних сервисов, обеспечивающих передачу поправок в реальном времени или сырых данных измерений для пост-обработки.

Сшивка облаков сканирования с помощью инструмента Multi Station Adjustment (MSA)

Алгоритм уравнивания MSA основан на методе наименьших квадратов. Для надежной работы MSA требуется наличие перекрытия облаков сканирования, полученных с разных станций. Обработку предваряет автоматический поиск и отбор ровных участков, удовлетворяющих задаваемым пользователем параметрам. Все пространство съемки мысленно делится на кубические области разных размеров, в каждой из которых независимо друг от друга программа пробует вычислить плоскость, аппроксимирующую попадающие в нее точки с таким расчетом, чтобы максимальное отклонение точки было меньше установленного допуска и общее количество точек было больше заданного ограничения. Для каждой вычисленной плоскости удовлетворяющей выше описанным условиям вычисляется точка центра масс, и ориентация плоскости описывается нормалью. Оперируя вычисленными плоскостями на всю зону перекрытия, программа пытается изменить координаты и ориентацию сканеров на станциях, чтобы линейные и угловые отклонения между похожими участками съемки были минимальными. Процесс уравнивания итерационный. Изменением значений параметров уравнивания постепенно достигается совмещение облаков с вычисляемой оценкой точности и гистограммами распределения ошибок. В нашем случае получена точность совмещения 2.5см.

При использовании инструмента MSA для сшивки облаков сканирования, полученных с разных станций, рекомендуется во время полевых работ перед началом измерения участков интереса выполнять одну полно-круговую обзорную съемку в режиме Overview.

Фильтрация данных съемки

Затем увязанные облака можно объединить в единый массив точек, проредить до получения необходимой равномерной плотности точек и подвергнуть фильтрации для автоматического устранения лишней информации. Для этой цели ПО RiSCAN Pro предлагает несколько фильтров. При сканировании склонов покрытых растительностью наиболее эффективными являются фильтры растительности (Vegetation filter) и промышленных объектов (Mining objects) см. рис. ниже.

Красным цветом показаны отсканированные точки, распознанные фильтром, как растительность. Точки, попадающие в данное выделение можно либо удалить, либо сохранить в отдельном наборе данных для возможного дальнейшего использования.
Перед созданием ЦМР отфильтрованное от растительности облако равномерно прореживается. Для этой задачи в RiSCAN PRO существуют два фильтра: Octree и 2.5D

Фильтр Octree используется в тех случаях, когда необходимо получить облако с равномерно распределенными точками как в плане так и по высоте. На выходе фильтра получаем копию облака, но с интервалом между точками, определенным пользователем.
Фильтр 2.5D похож на фильтр Octree, но с небольшим отличием: он формирует облако точек равномерно распределенных только в горизонтальной плоскости, а поведение точек по высоте задается пользователем. Так для подготовки массива исходной информации для построения традиционно используют последовательно три фильтра, сначала фильтром Octree добиваются консистентной структуры точек, затем отфильтровывают растительность и прочие объекты, не принадлежащие рельефу, и в конце используют фильтр 2.5D с чуть большим интервалом в плане и с параметром поиска на каждую ячейку прореживания точки с минимальной отметкой. В этом случае ЦМР рассчитывается с минимальными возможными правками.

Цифровые модели рельефа

Для преобразования точек в поверхность используется инструмент Triangulate, с помощью которого на всю территорию съемки или только на выбранный участок строится цифровая модель рельефа ЦМР, представляющая собой сетку интерполяционных треугольников. Сетка строится автоматически по задаваемым пользователем параметрам и сразу после ее создания доступны инструменты редактирования ЦМР и ее сглаживания.

ЦМР является основой для последующих важных расчетов, поэтому к подготовке исходных данные и ее созданию предъявляются особые требования. Она должна иметь равномерное заполнение интерполяционными треугольниками примерно одного размера. Области с разреженной плотностью точек сканирования не должны браться в обработку, т.к. отсутствие измерений на данную территорию может привести к получению неправдоподобных и неверных результатов.
Полученная ЦМР дает возможность анализировать рельеф, а при наличии в одном рабочем проекте двух и более моделей рельефа становится возможным сравнение поверхностей по высотам или нормалям с построением картограммы значений отклонений.

В первую очередь для ЦМР доступны стандартные вычисления: горизонтали и вертикальные сечения:

Горизонтали с шагом 10м

Вертикальные сечения с интервалом 10м

Сравнение поверхностей, полученных в разные моменты времени

Вопрос сравнения двух поверхностей, измеренных в разные моменты времени, наиболее важен и интересен, поэтому целесообразно рассмотреть его более детально.

В качестве входных данных имеем две подготовленные (прореженные и отфильтрованные) ЦМР. Дадим им названия small_lot_1 (более ранние измерения) и small_lot_2 (более поздние измерения). Так как тестовые измерения были выполнены в один день, то в качестве поверхности, с которой можно было бы выполнить сравнение, была создана копия первой ЦМР, но смещенная в плане на несколько метров и поднятая по высоте примерно на 1м. Наличие выраженного рельефа и заданные смещения позволят сымитировать неоднородную картину отклонений одной поверхности от другой.

В качестве результата планируется получение картограммы отклонений, текстовый отчет с отклонениями, расчет общего объема областей положительного изменения отметок “объем насыпи” и соответственно отрицательного “объем выемки”, построение изолиний равных изменений отметок, оконтуривание областей накопления и расхода объема снежной массы. Подразумевается, что все исходные данные уже привязаны к заданной системе координат.

1. Создаем новый Вид и загружаем в него элементы ЦМР small_lot_1 и small_lot_2
   
   
   
   

2. Оставляем видимой модель последней съемки и запускаем инструмент сравнения поверхностей (Surface comparison). В появившемся диалоговом окне необходимо указать параметры сравнения. Как Reference mesh выбираем ЦМР с которой будет производиться сравнение. ЦМР, которую сравниваем, назначаем как Base data. В поле режима Mode делаем соответствующий выбор:
   
   - Reference plane – в этом случае точки сравниваемой ЦМР (Base data) проецируются на ЦМР (Reference mesh) путем построения перпендикуляров к назначаемой данным параметром плоскости. В нашем случае используется горизонтальная плоскость XY PRCS, а сами отклонения – не что иное, как разница высот.
   - Normal vectors – в этом случае, отклонения представляют собой нормали из каждой точки ЦМР (Base data) к mesh-модели ЦМР (Reference mesh).
   
   В разделе Distance необходимо указать диапазон отклонений между ЦМР, который будет использоваться как цветовая градация из значений. Причем, если последняя съемка содержит зоны, где отметки точек меньше, чем отметки предыдущей съемки, то значение Min.distance должно вводиться со знаком минус.
   
   
   В разделе Neutral zone можно указать диапазон отклонений, который будет отображаться одним цветом. Это очень удобно для того, чтобы наглядно представлять территорию с незначительным изменением рельефа. В поле Color LUT можно выбрать тип цветовой заливки картограммы высотных изменений. Neutral color назначает цвет для раскраски областей незначительного изменения рельефа (Neutral zone). Параметр Use neutral color… включает/выключает цветовое отображение зоны Neutral zone. Select colored points – позволяет выделить все области ЦМР (Base data), где отклонения лежат в диапазоне, указанном в параметре Distance. Export results as ASCII позволяет подготовить текстовый отчет со списком точек с координатами и отклонениями (фрагмент отчета см. ниже):
   
   # X, Y, Z, Amplitude, R, G, B, Dist. Mesh, Dist. Plane
   323.368, -1555.080, 554.591, 0.000000, 0, 0, 0, -0.878, 554.591
   322.900, -1553.026, 554.065, 0.000000, 0, 0, 0, -0.674, 554.065
   320.492, -1551.149, 552.666, 0.000000, 0, 0, 0, -0.509, 552.666
   322.120, -1551.061, 553.275, 0.000000, 0, 0, 0, -0.749, 553.275
   331.396, -1559.774, 559.053, 0.000000, 0, 0, 0, -0.381, 559.053
   332.903, -1559.246, 559.552, 0.000000, 0, 0, 0, -0.323, 559.552
   
   Так выглядит наглядная картограмма отклонений в рельефе. В левой части расположена цветовая палетка со значениями высотных отклонений.
   
   
   
   
3. Расчет объемов “выемки” и “насыпи”. Данная процедура запускается с помощью значка в верхней панели инструментов “V”. Перед началом вычислений необходимо создать объект – горизонтальную плоскость, расположенную на уровне абсолютной отметки 0.000м. Это потребуется позже, для правильного построения изолиний по значениям высотных отклонений. При активации расчета объемов появляется диалоговое окно:
   
   

В окне вида одновременно можно увидеть части вычисленных объемов, выделенных разными цветами. В верхней части разницы толщин снежного покрова в реальных координатах с реальным высотных положением, в нижней – разницы в высотах, редуцированные на плоскость. Общий объем увеличения снежного балласта составил: 92254m3 , соответственно уменьшения – 7374м³

Бежевый, желтый – область, где разницы последней и первой съемки положительны (т.е. здесь произошло накопление толщины снежного покрова).

Розовый, зеленый - область, где разницы последней и первой съемки отрицательны (т.е. здесь произошло уменьшение толщины снежного покрова).

Окончательной наглядной информацией будет подготовка изолиний высотных отклонений. Для этого достаточно построить горизонтали по редуцированным разницам высот для последней съемки:

Здесь для примера все изолинии, показывающие уменьшение толщины снежного покрова, отображены синим цветом. Линия , где изменений в толщине не произошло, зеленым. Зоны с увеличением толщины снега более 3-м – желтым. Данные полилинии, как и вычисленные объемы могут быть экспортированы в любой ГИС-пакет для последующего анализа и систематизации.

Заключение

Из полученного материала видно, что компания RIEGL предлагает в настоящее время самое эффективное решение для выполнения съемки труднодоступных и опасных участков рельефа на базе лазерного сканера VZ-6000, пока что единственного инструмента, способного выполнять сплошную съемку на расстояниях до 6км даже по снегу. Полученные полевые замеры оперативно обрабатываются в программном комплексе RIEGL RiSCAN PRO, так что конечные результаты могут быть получены камерально уже через пару часов. В их составе цифровая модель поверхности, картограммы отклонений от результатов предыдущих съемок, включая расчет изолиний, а также вычисленные объемы накопления или расхода снежной массы, представляемые в графическом, текстовом виде и в установленной системе координат.