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

Оглавление: 

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: 

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 использоваласьтахеометрическая 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 использованияаэрофотосъемочных 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.