Оцінка інформативності авіаційного лазерного сканування для розв'язання гідрографічних задач

Abstract

В роботі розглянуто теоретичні засади та можливості застосування авіаційного лазерного сканування для розв’язання гідрографічних задач, зокрема моделювання гідрографічних об’єктів. Досліджено і визначено основні чинники, які впливають на зменшення рівня повернутого лазерного сигналу. До них належать атмосфера, підстильна поверхня, та апаратура лазерного сканера. На підставі розрахунків впливу атмосфери на втрати сигналу встановлено, що показник аерозольного послаблення для довжин хвиль лазерних сканерів 1064 і 1560нм суттєво змінює точність визначення координат точок. Проведено аналіз процесу відбиття лазерного променя від водної поверхні. Розраховано коефіцієнти відбиття Френеля для межі середовищ “повітря-вода” та встановлено їх залежність від кута падіння променя на поверхню води. Дзеркальний характер відбиття лазерного променя необхідно враховувати під час проектування маршрутів. Вісь маршруту при лазерному скануванні повинна пролягати вздовж гідрографічних об’єктів. Це збільшить кількість зареєстрованих від поверхні водойм сигналів, що необхідно для коректної побудови ЦМР. Запропоновано формулу обчислення рівня повернутої енергії для об’єктів з дзеркальним типом відбиття, за якою розраховано значення повернутої оптичної енергії від водної поверхні. Ці значення слугують для обчислень співвідношення сигнал/шум на виході з приймача. Визначено точність вимірювання нахиленої віддалі залежно від величини сигнал/шум. Встановлено, що для реальних умов знімання точність визначення координат точок може суттєво відрізнятись від декларованої виробниками точності. Запропоновано та реалізовано методику оптимізації вхідної ЦМР для коректного відображення її у вигляді горизонталей, суть якої полягає у побудові регулярної сітки змінного кроку залежно від складності поверхні, з доповненням її структурними лініями гідрографічних об’єктів. Створено програмний модуль та досліджено ефективність методу фільтрації на трьох різних за складністю тестових ділянках з наявними різнотипними гідрографічними об’єктами. Встановлено, що степінь фільтрації залежить від складності поверхні і може досягати до 220 разів, для різнотипних гідрографічних об’єктів степінь фільтрації становить до 12 разів без втрати точності. В работе рассмотрены теоретические основы и возможности применения авиационного лазерного сканирования для решения гидрографических задач, в частности моделирования гидрографических объектов. Исследованы и определены основные факторы, которые влияют на уменьшение уровня возвращенного лазерного сигнала. К ним относят атмосферу, подстилающую поверхность и аппаратуру лазерного сканера. На основании расчетов влияния атмосферы на потери сигнала установлено, что показатель аэрозольного ослабления для длин волн лазерных сканеров 1064 и 1560нм существенно изменяет точность определения координат точек. По результатам определенных показателей аэрозольного ослабления, зависимых от метеорологической дальности видимости и длины волны лазера, установлено, что зимняя дымка ослабляет лазерный луч больше по сравнению с летней. Проведен анализ процесса отражения лазерного луча от водной поверхности, рассчитаны коэффициенты отражения Френеля для границы сред "воздух-вода" и установлено их зависимость от угла падения луча на поверхность воды. Зеркальный характер отражения лазерного луча необходимо учитывать при проектировании маршрутов. Ось маршрута при лазерном сканировании должна проходить вдоль гидрографических объектов. Это увеличит количество зарегистрированных на поверхности водоемов сигналов, что необходимо для корректного построения цифровой модели рельефа. Предложена формула вычисления уровня возвращенной энергии для объектов с зеркальным типом отражения, по которой рассчитано значение возвращенной оптической энергии от водной поверхности. Эти значения служат для вычислений соотношения сигнал/шум на выходе из приемника. Определена точность измерения наклоненного расстояния в зависимости от величины сигнал/шум. Установлено, что для реальных условий съемки точность определения координат точек может существенно отличаться от точности, декларируемой производителями. Осуществлена классификация гидрографических объектов при обработке данных лазерного сканирования. Предложено методику использования дополнительной информации авиационного лазерного сканирования в виде растров интенсивности, растительности и относительной освещённости склонов для моделирования гидрографических объектов. Представлена методика определения урезов воды гидрографических объектов при наличии точек на поверхности водоема. Предложена и реализована методика оптимизации исходной ЦМР для корректного отображения ее в виде горизонталей, суть которой заключается в построении регулярной сетки с изменением шага в зависимости от сложности поверхности. Построенную ЦМР дополняют структурными линиями гидрографических объектов. Создан программный модуль и исследована эффективность метода оптимизации на трех разных по сложности тестовых участках с имеющимися разнотипными гидрографическими объектами. Установлено, что для таких участков важны корректно смоделированные береговые линии при построении ЦМР. Установлено, что степень фильтрации зависит от сложности поверхности и может изменятся в 220 раз, для гидрографических объектов разного типа степень фильтрации составляет до 12 раз без потери точности. The thesis discusses the theoretical foundations and applications of airborne laser scanning solutions for hydrographic tasks, in particular the modelling of hydrographic objects. The main factors which influence on the decrease of level of the returned laser signal are investigated and identified. Calculative study of the effect of the atmosphere on the signal loss is made. The aerosol attenuation for wavelengths 1064 and 1560 nm of laser scanners is determined. The analysis of process of reflection of laser beam from the water surface is implemented, the Fresnel reflection coefficients are calculated for the boundary "air- water" and their dependence on the incidence angle of the beam on the water surface is established. On the basis of the formula for calculating the level of recovered energy from the objects with diffuse reflection type it was proposed modified formula for the objects with a mirror reflection type. Using this formula there were calculated values of the returned optical energy from the water surface for determined values of atmospheric transmission coefficients and reflection coefficients of water surface. Considering obtained values of the returned energy there was calculated signal/noise ratio at the output of the receiver. Measurement accuracy of tilted distance depending on the signal/noise ratio was determined. It was found that for real conditions of survey the accuracy of determination of point coordinates may considerably differ from the accuracy declared by the producers. The classification of hydrographic objects when processing of laser scanning data is made. The technique of using additional information obtained by laser scanning for the modelling of hydrographic objects was developed. The technique of determining the water's edge for hydrographic objects on condition of the presence of points on water surface is presented. There is proposed and implemented method of optimization of input original DEM to correctly display it in the form of contour lines. The essence of the method is to create a regular grid with variable step depending on the complexity of surface. The resulting DEM is complement with structural lines of hydrographic objects. There was developed the program module and the effectiveness of the filtration method applying to three different according to difficulty test areas with existing heterogeneous hydrographic objects was investigated. It was established that for such areas it is important to implement correctly modelling of coastlines when DEM creation.