г. Москва, ул. Авиамоторная, д.12, Бизнес центр «Деловой дом «Лефортово»

Тел:
+7 (495) 587-07-00,
+7 (495) 587-07-01

Факс:
+7 (495) 587-07-08

 

скачать презентацию  Скачать презентацию компании «ГEOКАДИНЖИНИРИНГ»

Новости компании

Получена Лицензия на осуществление геодезических и картографических...
В связи с расширением производственных мощностей компания...
Компания получила Лицензию ГТ №0050377 ФСБ России...
Получено Свидетельство о допуске к определенному виду...

Пилотный проект

Геодезическое обеспечение натурных исследований по мобильному лазерному сканированию автомобильной дороги М1.

Цель натурных исследований заключалась в определении измерительных свойств материалов мобильного лазерного сканирования, которые непосредственно зависят от точности определения координат самого сканера в процессе съемки и эффективности применяемых процедур пространственной корректировки облака точек по внешним геодезическим данным. Исследования системы проводились на участке федеральной автомобильной дороги протяженностью 10 км. Трасса, где проводились исследования, представляет собой сложный для съемки объект, находится вблизи от мегаполиса, была реконструирована по высоким стандартам, имеет сложную инфраструктуру.

Мобильная лазерная сканирующая система Topcon IP-S2 Compact+ имеет инструментальную точность определения координат точек лазерного отражения 30 мм (1σ). Геодезическое обеспечение сканирования решает задачи координатной привязки всего массива измерительной информации, распространяясь на каждую точку лазерного отражения и элементы внешнего ориентирования цифровых снимков местности. В связи с этим задача геодезического обеспечения производственных работ и натурных исследований состоит в получении приемлемых по точности данных о пространственном положении объектов, максимальной адаптации применяемых средств и методов определения координат к конкретным условиям проекта.

Для решения задач точной навигации система Topcon IP-S2 Compact+ имеет в своем составе геодезическую спутниковую аппаратуру, инерциальный измерительный блок и одометр. Геодезическая спутниковая аппаратура служит для точного определения координат в фиксированные моменты времени. Инерциальные измерения позволяют интерполировать получаемые от спутниковой системы координаты на текущий момент времени, сглаживать случайные ошибки и вычислять угловые элементы пространственной ориентации сканера. Одометр дает дополнительную информацию о пройденном пути. Так как в навигации до сих пор нет идеального средства, перечисленные устройства не могут самостоятельно решать задачу траекторных измерений и поэтому должны работать совместно. При этом спутниковая аппаратура в составе измерительного комплекса не только задает траекторию, но и обеспечивает ее привязку к геодезической системе координат.

Не смотря на огромный прогресс в области приборостроения, применяемые в геодезии средства так же не безупречны. Несовершенство средств измерений в геодезии принято компенсировать путем тщательного анализа условий работы, применения особой организации работ и соответствующих методов обработки измерений, исключающих влияние неблагоприятных факторов.

Геодезическое обеспечение натурных испытаний мобильного лазерного сканирования проводилось с использованием спутниковой технологии определения координат. Эта технология дает надежные результаты при соблюдении некоторых контролируемых условий (см. табл. ГО.1). Реализации упомянутых условий осуществляется в рамках специально разрабатываемого проекта, который в общем случае может включать следующие элементы:

  • Развертывание базовой станции для установки геодезической спутниковой аппаратуры
  • Проведение геодезических спутниковых наблюдений на базовой станции синхронно с работой бортового оборудования
  • Выбор и координирование контрольных точек на местности
  • Привязка геодезической сети к станциям международной службы глобальных спутниковых навигационных систем (IGS)
  • Дифференциальная обработка геодезических спутниковых наблюдений
  • Вычисление траектории сканера
  • Анализ качества измерительной информации, используемых исходных данных и получаемых результатов
  • Привязка спутниковой сети к пунктам государственной геодезической сети (ГГС)
  • Перевод материалов съемки в местную систему координат
  • Перевод материалов съемки в Балтийскую систему высот

Требования к качеству геодезических спутниковых наблюдений (Таблица ГО.1)

таблица

В данном случае задача исследований точности мобильного лазерного сканирования решалась в системе координат WGS84, поэтому привязка спутниковой сети к пунктам ГГС, перевод материалов съемки в местную систему координат и Балтийскую систему высот не выполнялись. Соответственно не контролировались и пункты №№ 10, 11 и 12 из таблицы ГО.1.

Схема геодезического обеспечения натурных исследований мобильной системы лазерного сканирования представлена на рис. ГО.1. На схеме показана траектория движения сканера, положение базовой станции и контрольных геодезических точек. Основная часть траектории показана голубым цветом, который соответствует точности вычисления плановых координат 10 см и выше. Однако на некоторых участках трассы точность координат падала до 1 метра и хуже, что отмечено зеленым, желтым и красным цветом. При внимательном рассмотрении можно обнаружить и разрывы в вычисленной траектории. Получение координат контрольных точек также было связано с некоторыми трудностями, местоположение проблемных точек обозначено на схеме желтым и красным цветом.

схема
Рис. ГО.1. Схема геодезического обеспечения натурных исследований

Детальное описание замысла и результатов проделанной работы приводится далее.

1. Развертывание базовой станции

Базовая станция обеспечивает построение геодезической сети, объединение отдельных пунктов в общую систему. Элементами геодезической сети могут быть другие базовые станции, пункты ГГС, пункты съемочной сети и другие фиксированные точки местности. Геодезическая сеть создает необходимые условия для распространения от общего начала единой системы отсчета координат на все элементы объекта работ.

Место расположения базовой станции должно создавать благоприятные условия для геодезических спутниковых наблюдений, т.е. отвечать следующим требованиям:

  • Расположение в центре участка работ
  • Открытая местность, отсутствие препятствий для приема радиосигналов с навигационных спутников при угле возвышения над горизонтом 15о и ниже
  • Отсутствие источников радиоэлектронных помех в зоне прямой видимости
  • Обеспечение сохранности аппаратуры во время наблюдений
  • Надежное закрепление центра пункта в период полевых работ
  • Удобный подъезд, наличие условий для стоянки автотранспорта и для размещения персонала В ходе натурных исследований мобильного лазерного сканирования использовалась одна базовая станция. Она находилась в середине участка съемки, так что расстояние до любой съемочной точки оставалось в пределах 6,4 километров.

На базовой станции использовался двухчастотный приемник Topcon Hiper. Для редуцирования результатов спутниковых измерений от фазового центра антенны к центру пункта при каждой установке приемника измерялась высота от марки до отсчетной точки антенны (обозначается аббревиатурой ARP).

2. Проведение геодезических спутниковых наблюдений на базовой станции синхронно с работой бортового оборудования Проведение геодезических спутниковых наблюдений на базовой станции синхронно с мобильным лазерным сканированием имеет целью обеспечить вычисление траектории сканера потенциально самыми точными дифференциальными методами обработки спутниковых наблюдений. В соответствии с рекомендациями разработчиков мобильного лазерного сканера интервал между эпохами измерений в бортовой спутниковой аппаратуре и на базовой станции был установлен величиной 0,1 секунды.

3. Выбор и координирование контрольных точек на местности В исследовательских целях планировалось развить сеть контрольных точек повышенной плотности с закреплением их на местных объектах различного типа. Выбирались элементы дорожной разметки, углы железобетонных изделий и дорожные знаки с четкими геометрическими формами. Идея использования дорожной разметки оказалась неудачной – работа на проезжей части была не безопасной, а идентификация центра геодезической привязки в облаке точек лазерных отражений оказалась затруднительной. Наиболее выгодным оказалось совмещение контрольных точек с дорожными знаками, точкой привязки в этом случае назначалось место стыковки стойки знака с его полотном.

точка   точка точка 
Точка КР06
угол дорожной разметки  
Точка Т03
дорожный знак  
Точка Т14
угол ж/б изделия  

Рис. ГО.2. Типы закрепления контрольных точек

Статические спутниковые наблюдения проводились на 30 точках сети. Использовался двухчастотный приемник Javad Maxor. Интервал времени между эпохами наблюдений в аппаратуре был установлен на 1 секунду. На каждой точке выполнялось центрирование антенны и измерение высоты до ARP.

Продолжительность статических наблюдений на точке находилась в пределах от 7 до 17 минут. На некоторых пунктах сети работа приемника был затруднена, так как большие машины, высокие придорожные сооружения, защитные экраны и деревья блокируют радионавигационные сообщения от спутников или дают эффект многолучевости принимаемых со спутников сигналов.

4. Привязка геодезической сети к станциям международной службы глобальных спутниковых навигационных систем (IGS)

Привязка геодезической сети к станциям международной службы глобальных спутниковых навигационных систем выполняется за счет существующих сервисов IGS, вызываемых через интернет современными программами обработки спутниковых наблюдений. Эта процедура не накладывает дополнительных расходов, однако позволяет зафиксировать материалы съемки с высокой точностью в международной земной системе координат (ITRF) и таким образом дает возможность свободно расчленять крупные проекты на отдельные фрагменты без ужесточения мер взаимодействия между исполнителями. В настоящее время полезность такого сервиса становится очевидной в труднопроходимой местности, а в перспективе он станет просто необходимым для перехода в государственную систему координат 2011 года - ГСК2011, принятую к обязательному применению с 1 января 2017 г. (Постановление правительства РФ № 1463 от 28 декабря 2012 г.).

Современные программные продукты (такие как GrafNet и Trimble Total Control) имеют внутренний конвертер для чтения сырых файлов наблюдений в двоичном формате, предусматривают возможность автоматического поиска в сети интернет и загрузки в компьютер наблюдений с постоянно действующих станций, точных эфемерид и другой информации, необходимой для решения геодезических задач высокого уровня сложности.

В данном проекте базовая станция была привязана к станциям ZWE2 и MDVJ с помощью программы GrafNet. За сравнительно короткое время наблюдений точность привязки (СКО координат) составила 4, 2 и 8 сантиметров по направлениям параллели, меридиана и по вертикали соответственно.

5. Дифференциальная обработка геодезических спутниковых наблюдений

Дифференциальная обработка спутниковых наблюдений сводится к вычислению вектора взаимного положения между двумя приемниками. Вектор получает сантиметровый уровень точности, если в процессе обработки наблюдений несущей частоты удается найти целочисленное разрешение фазовых неоднозначностей по измеряемой линии. При большой длине базовой линии и в условиях помех обработка фазовых наблюдений становится затруднительной, оптимальная оценка количества фазовых циклов получается не целочисленной, а плавающей, менее надежной и менее точной, на уровне дециметров. Наконец, в условиях сильных помех дифференциальная обработка фазовых наблюдений становится невозможной, тогда дифференцирование проводится по измеренным кодовым дальностям, ошибки вычисления вектора находятся на уровне метров.

На первом этапе для вычисления координат контрольных точек использовалась программа Trimble Total Control TM версии 2.73 компании Trimble Navigation Limited, хорошо зарекомендовавшая себя при выполнении многих производственных заданий. Программа имеет несколько способов вычисления вектора по наблюдениям фазы несущей частоты радионавигационного сигнала. В автоматическом режиме осуществляет поиск наилучшего решения на частотах L1, L2 и в их комбинации (всего 5 вариантов). Однако в условиях данного проекта при обработке наблюдений возникли затруднения. По 7 векторам с базовой станции (на точки Т06, Т07, Т19, Т20, Т21, КР09, КР10) удалось получить лишь плавающее разрешение фазовых неоднозначностей, в результате чего соответствующие пункты получили слабую оценку точности - СКО от 13 до 58 сантиметров. Точка Т11 вообще была игнорирована программой.

С учетом сложившихся обстоятельств было принято решение использовать геодезическое программное обеспечение GrafNet/ GrafNav компании NovAtel Inc., которое используется во всем мире для координатного обеспечения новейших средств аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования местности. Программа GrafNet, версия 8.10 оказалась более устойчивой к местным условиям - фиксированное разрешение фазовых неоднозначностей было найдено по всем базовым линиям кроме Т08. Таким образом, полученные с помощью программы GrafNet координаты 29 контрольных точек можно считать достаточно надежными, чтобы принять в дальнейшую работу.

6. Вычисление траектории сканера

Мобильное лазерное сканирование, включая калибровку инерциального измерительного блока до и после рейса, продолжалось 98 минут. При этом объем спутниковых наблюдений, записываемых с частотой 10 герц, составил 58800 эпох.

Штатным средством обработки траекторных измерений системы Topcon IP-S2 Compact+ являются программы Topcon Tools и Geoclean. Первая программа предназначена для вычисления координат опорных точек траектории по геодезическим спутниковым наблюдениям. Вторая программа рассчитывает траекторию путем объединения спутниковых данных с инерциальными измерениями, а также вычисляет координаты точек лазерных отражений и центров снимков.

Программа Topcon Tools выдает результаты дифференциальной обработки кинематических спутниковых наблюдений в виде xml-файла. Этот файл содержит в текстовом формате на каждую эпоху координаты сканера и другую информацию, в частности, характеристику точности координат и тип решения задачи дифференциальной обработки измерений. Файл содержит 58000 эпох, которые покрывают 98,6 % от периода наблюдений.

Таблица ГО.2
Распределение по качеству вычисления векторов в программе Topcon Tools

Тип решения задачи вычисления вектора по геодезическим спутниковым наблюдениям  Оценка качества  Количество % 
 Фиксированное разрешение фазовой неоднозначности Хорошо  67,5 
Частично фиксированное разрешение  Приемлемо   17,6
Плавающее разрешение фазовой неоднозначности  Сомнительно  8,4 
Дифференцирование кодовых измерений дальности  Плохо  6,5 

Таким образом, около 15 % траекторных данных в программе Topcon Tools получены на основе плавающего разрешения фазовой неоднозначности и по кодовым измерениям дальности, т.е. имеют сомнительное и плохое качество.

схема

Рис. ГО.3. Качество координат траектории сканера, вычисленных в программе Topcon Tools

Альтернативное вычисление траектории по геодезическим спутниковым наблюдениям было выполнено с помощью программы GrafNav. Эта программа смогла обработать 56759 эпох, что составляет 96,5 % от всего объема наблюдений. В массиве траекторных данных насчитывается 38 разрывов общей продолжительностью 201,3 секунды. Наибольшая продолжительность разрыва составляет 8,9 секунды, что при скорости 50 км/час соответствует участку трассы около 125 метров. Координаты 88 % точек вычислены с точностью 10 см и выше, при этом пиковые значения СКО достигают 12,5 м в плане и 10,82 м по высоте.

схема
Рис. ГО.4. Интервальное распределение СКО координат, вычисленных в программе GrafNav

Программа GrafNav генерирует наглядные графики для анализа качества измерительной информации и точности вычисления координат точек траектории.

схема
Рис. ГО.5. Количество наблюдаемых спутников в процессе траекторных измерений

схема
Рис. ГО.6. Оценка точности вычисления координат по спутниковым наблюдениям

Сопоставление графиков на рисунках ГО.5 и ГО.6 позволяет утверждать, что основной причиной снижения точности вычисления траектории является потеря радиовидимости спутников.

7. Анализ качества измерительной информации и получаемых результатов

В геодезии настоятельно рекомендуется употреблять все доступные средства для проверки качества измерительной информации и получаемых результатов. Одним из способов является использование разных программных средств, так как ключевые этапы обработки измерений каждый разработчик программного обеспечения реализует своими собственными методами и инструментами.

схема
Рис. ГО.7. Расхождение координат траектории по данным GrafNav и Topcon Tools (по оси категорий поставлены номера эпох)

Расхождения координат, вычисленных в программах GrafNav и Topcon Tools, в основном (74 % эпох) остаются в пределах ± 10 см, но иногда они составляют десятки метров. Большие расхождения отмечаются и в те эпохи, когда GrafNav дает высокую внутреннюю оценку точности. Этот факт иллюстрируют графики на рис. ГО.7, где величина разности координат противопоставлена СКО из GrafNav. Значения СКО всегда положительны, в большинстве случаев на графике их не видно, т.к. на переднем плане находятся такие же по величине или более крупные значения разностей. Следует заметить, что разности координат как случайные величины должны быть и положительными, и отрицательными, однако в данном исследовании симметрия в расхождениях координат не соблюдается.

Анализ измерительной информации показывает, что поведение ошибок определения координат опорных точек на некоторых отрезках траектории сканера не подчиняется нормальному закону распределения. Из-за воздействия неблагоприятных внешних факторов тяжелые условия для производства геодезических спутниковых наблюдений отмечаются на 12 – 15 % от общей протяженности исследуемого участка трассы. В проблемной ситуации больше доверия заслуживают результаты вычислений, полученные с помощью программы GrafNav. С целью последующего объединения данных от GrafNav с инерциальными измерениями была разработана специальная процедура «вставки» координат от GrafNav в выходной xml-файл от Topcon Tools.

Объединение спутниковых и инерциальных измерений для вычисления траектории сканера выполнено в программе Geoclean. К сожалению, Geoclean не диагностирует качество данных. Так как ошибки инерциальной навигации возрастают пропорционально квадрату и более высокой степени от продолжительности автономной работы, отсутствие спутниковых данных о траектории сканера или их низкая точность на протяжении длительного интервала времени делают качество сканирования сомнительным. Например, по регламенту работы программы IPAS, используемой при обработке инерциальных измерений в воздушном лазерном сканировании, предел на отсутствие спутниковых данных составляет 14 секунд.

Таблица ГО.3.
Характеристика качества траектории сканера с учетом деградации спутниковых данных

Допустимое значение СКО координат как критерий достоверности спутниковых данных, м   0,1  0,2  0,3
Количество сомнительных участков траектории (длиной 14 секунд и более)    11 12  14 
Общая продолжительность сомнительных наблюдений, сек  684,7  683,8   564,3
 Наибольшая продолжительность сомнительного участка, сек 139,6   106,7 90,2 
Длина наибольшего сомнительного участка съемки, м   1940  1482 1253 

Технология сканирования предполагает многократное прохождение маршрута съемки, фильтрацию облаков точек, предварительную корректировку координат для обеспечения внутренней сходимости данных сканирования и окончательную корректировку координат по контрольным геодезическим пунктам.

В данном эксперименте сканирование выполнялось в прямом и обратном направлениях. По каждому направлению было сделано три рейса, так что точки, попадающие в общую полосу перекрытия, были зафиксированы 6 раз. Для корректировки координат результатов сканирования было принято 8 контрольных геодезических пунктов. На завершающем этапе исследований количественная оценка погрешностей лазерного сканирования местности получена по 28 контрольным геодезическим пунктам. Благодаря достаточно большой избыточности имеющихся данных статистика погрешностей съемки получилась вполне представительной (см. табл. ГО.4).

Исследований показывают, что предварительные результаты сканирования, т.е. полученные с использованием штатных средств точной навигации, но без привязки к контрольным геодезическим пунктам, имеют СКО в плане и по высоте около 0,2 метра. После корректировки материалов сканирования по контрольным геодезическим пунктам, закрепленным вдоль трассы с интервалом ~ 1 км, точность увеличивается примерно в два раза и составляет 0,1 метра. Однако остаточные ошибки координат при этом могут достигать 0,25 м.

Таблица ГО.4.
Условия и результаты натурных исследований мобильного лазерного сканера

Характеристики  Предварительные  Окончательные 
Длина участка трассы, км  10  10 
 Продолжительность сканирования, минут 98   98
Количество проездов    6  6
Количество контрольных геодезических точек  28 
Объем статистики при анализе точности  22  84 
Максимальное отклонение точек съемки, м
в плане
по высоте  
 
0,428
0,828

0,254
0,236  
Среднее отклонение точек съемки, м
в плане
по высоте  

0,066
0,142  

0,023
0,055  
Среднее квадратическое отклонение точек съемки, м
в плане
по высоте  

0,171
0,214  

0,102
0,094  

Заключение

Геодезическое обеспечение мобильного лазерного сканирования автомобильных дорог представляет собой сложную задачу. Измерительные свойства материалов сканирования прямо зависят от точности определения траектории сканера в процессе съемки, наличия и точности контрольных геодезических пунктов, эффективности процедур корректировки координат по внешним геодезическим данным.

Геодезическая спутниковая технология, как основа решения задач точной навигации сканера, в условиях помех становится уязвимой. В каждом конкретном проекте необходимо предпринимать дополнительные меры для контроля качества вычисления траектории.

Выбор контрольных точек на местности, их координирование геодезическими методами является действенной мерой повышения точности материалов сканирования. В качестве начального уровня плотность геодезической основы должна составлять 1 точку на 1-2 км трассы. После анализа траектории сканера можно рекомендовать сгущение контрольных точек на выявленных проблемных участках.

Процедуры корректировки координат в облаке точек должны обеспечивать внутреннюю сходимость многократных измерений и минимизировать отклонения от контрольных геодезических пунктов. В процессе корректировки необходимо учитывать природу возникновения ошибок в системах навигации, нелинейный характер их распространения.

Отчет составил Андреев В.К.
19 декабря 2013 г.

Приложения

Распределение сомнительных участков траектории по месту и времени с учетом деградации геодезических спутниковых данных
Таблица ГО.5

таблица

Таблицы ГО.5 и ГО.6 скомпилированы из отчетного файла вычисления траектории сканера в программе GrafNav с учетом допустимого времени отсутствия геодезических спутниковых данных и приемлемого уровня СКО координат.

В таблице приводятся следующие данные:

  • Эпоха наблюдений в часах, минутах и секундах;
  • Координаты сканера в системе WGS84UTM и геодезическая высота (над эллипсоидом);
  • СКО вычисленных координат в плане и по высоте;
  • Номер недели в системе GPS;
  • Эпоха в секундах по шкале GPS;
  • «Провал» по времени в секундах при получении спутниковых данных с заданным уровнем качества.

Данные в таблицах сгруппированы по две строки. Первая строка в паре относится к эпохе перед провалом в поступлении качественных данных. Вторая строка закрывает провал в поступлении спутниковых данных.

Таблица ГО.6

таблицатаблицатаблица

Расположение сомнительных участков траектории показывают прилагаемые далее схемы. Каждая точка траектории, вычисленная по геодезическим спутниковым наблюдениям, показана на схеме в виде прямого крестика. В связи с высокой частотой записи наблюдений отдельные точки на схеме сливаются и образуют сплошную линию. Цвет линии соответствует величине СКО определения координат. Шкала цветов показана на легенде. Основным цветом линии является голубой, что соответствует точности координат не хуже 0,1 м. По мере падения точности координат линия становится зеленой, желтой и красной, а при отсутствии спутниковых данных – терпит разрыв.

Наиболее проблемная часть траекторных наблюдений находится на западном участке испытательной трассы. Рис. ГО.8 показывает, что из трех рейсов, сделанных в каждом направлении, два могут вызывать сомнения. Причем на самой трассе проблемы возникали ближе к краю дорожной полосы.

Для наглядности, данные из таблицы ГО.5 на схемах показаны в виде наклонного креста с указанием эпохи наблюдений. При этом начало и конец сомнительного участка траектории обозначены одним цветом. Например, участок траектории продолжительностью 93,1 секунды между эпохами 114837.6 и 114930.7, отмеченный на схеме цветом ярко голубым цветом (Aqua), начинается до заезда на двухуровневую развязку, продолжается на протяжении всей «восьмерки» и заканчивается после выхода на основную трассу. Всего же на рис. ГО.8 приходится пять пар наклонных крестов, т.е. пять раз траектория сканера теряет качество.

Естественно, что при отсутствии надежных траекторных данных (как в районе КР06 на рис. ГО.9 и на северном и южном флангах рис. ГО.10) остается только сгущать контрольные геодезические точки. Однако при многократном прохождении трассы в ряде случаев можно выбрать вполне надежные траекторные данные, позволяющие получить опорный массив точек лазерных отражений для менее удачных рейсов сканера с точки зрения точной навигации (см. рис. ГО.10, 11, 12).

Таким образом, представленный здесь инструмент анализа геодезических спутниковых определений траектории дает возможность обнаруживать слабые участки координатного обеспечения съемки и оптимизировать полевую планово-высотную подготовку мобильного лазерного сканирования.

Схемы расположения сомнительных участков траектории для таблицы ГО.5 (допуск по времени непрерывного получения спутниковых данных 14 секунд, СКО координат - не более 0,1 м)


Рис. ГО.8. Западный участок трассы исследований


Рис. ГО.9. Западный участок трассы исследований (транспортная развязка)


Рис. ГО.10. Центральный участок трассы исследований в районе транспортной развязки


Рис. ГО.11. Восточный участок трассы исследований в районе контрольной точки Т07


Рис. ГО.12. Восточный участок трассы исследований в районе контрольной точки КР10