Применение сети референцных GNSS станций

Брусило В.А., Погорельцев С.В.

Для целей инженерных изысканий в России все чаще применяются технологии воздушного лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки. Одной из составляющих технологического цикла при проведении аэросъемочных работ является наземное геодезическое GNSS сопровождение для дифференциальной коррекции GPS-траекторий полета воздушного судна. В статье рассмотрен опыт использования сети референцных GNSS станций при проведении воздушного лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки протяженных объектов.

Для работы используется комплекс дистанционного мониторинга земной поверхности компании Leica Geosystems — воздушный лазерный сканер ALS50-II и цифровая аэрофотокамера (см. табл.1,2)

Таблица 1 – Технические характеристики воздушного лазерного сканера ALS50-II

Частота зондирующих импульсов

Максимально 150 кГц

Высота полета при аэросъемке

от 200 до 6000 м

Точность определения точек лазерных отражений

(при GPS ошибке 5 см)

Высота

Точность в плане

Точность по высоте

до 600 м

до 800 м
до 1000 м

до 1200 м
до 2000 м
до 3000 м

8 см

10 см

12 см

13 см

22 см

32 см

6 см

6 см

6,5 см

7 см

9 см

12 см

Количество регистрируемых отражений лазерного импульса

3+1, включая последний

Регистрация интенсивности

8 бит + 8 бит динамический диапазон для каждого

измерения

Угол сканирования

от 0 до 75°

Компенсация крена

Минимально ±5°, в зависимости  от текущего значения поля  зрения

Частота сканирования

0 – 90 Гц, зависит от угла сканирования

Распределение отражений на поверхности земли

Равномерное на протяжении 96% линии сканирования

 

Таблица 2 – Технические характеристики цифровой аэрофотокамеры

Разрешение матрицы

39 Mpix (7216x5412)

Размер CCD матрицы

36.8 x 49.1 мм

Размер пиксела

6,8 мкм

Чувствительность

ISO 50 - ISO 400

Формат данных

RAW, 48-бит, кодировка цвета, 46 МБ кадр

Интервал съемки

2 сек.

Высота полета

Ширина полосы цифровой аэрофотосъемки при фокусном расстояние объективов

35 мм

60 мм

600 м

800 м

1000 м

1200 м

2000 м

3000 м

776 м

1086 м

1366 м

1647 м

2768 м

4170 м

470 м

633 м

797 м

960 м
1615 м
2432 м

Суммарная протяженность объекта - 550 км.

Как правило, полевая часть работ по ВЛС и АФС делится на 4 этапа:

  • закладка и определение координат пунктов для геодезического сопровождения ВЛС и АФС;

  • закладка и определение координат опознавательных знаков для проведения контроля точности ВЛС и АФС;

  • наземное геодезическое GNSS сопровождение ВЛС и АФС;

  • проведение ВЛС и АФС.

При планировании работ по объекту были учтены следующие факторы:

  • сжатые сроки проведения работ;

  • протяженность и форма границ объекта;

  • сложная авиационная обстановка, наличие зон запретных для полетов и дифференцированных высотных коридоров, трудности с арендой воздушных судов, подходящих для проведения ВЛС и АФС;

  • погодные условия, характерные для осеннего периода - частая облачность и периодические осадки;

  • перепад высот рельефа на объекте (до 200 м);

  • наличие в районе проведения работ нескольких сетей постоянно действующих GPS станций.

На борту воздушного судна совместно с воздушным лазерным сканером ALS50-II, цифровой аэрофотокамерой 39Mpix в комплексе с инерциальной системой использовался спутниковый двухчастотный GPS приемник фирмы Novatel модель OEM4, с частотой регистрации измерений 2 Гц (2 измерения в секунду).

Для дифференциальной коррекции GPS траекторий полета воздушного судна при проведении ВЛС и АФС необходимым условием является наличие наземного геодезического GNSS сопровождения. Рекомендуемое удаление воздушного судна от наземных GNSS станций при проведении ВЛС и АФС составляет 30 км (технология компании Leica Geosystems).

Этому условию удовлетворяло расположение сети референцных станций ЦСТ ВИСХАГИ. Применение данной сети позволяло упростить несколько видов работ и значительно сократить сроки геодезического обеспечения ВЛС и АФС, а соответственно и уменьшить затраты на производство работ. Таким образом, использование сети референцных станций ЦСТ ВИСХАГИ было признано обоснованным и целесообразным.

Использованная спутниковая система точного позиционирования ВИСХАГИ представляет собой сеть постоянно действующих GNSS станций, называемых референцными, которые образуют жесткий геодезический каркас с субсантиметровой точностью взаимного положения. Сеть включает в себя 22 референцных станции, расположенных на интересующей территории.

Проект реализован с использованием двухчастотных спутниковых приемников Leica RS500 с частотой регистрации измерений 1 Гц.

Данная сеть прошла сертификацию в Госстандарте России и соответствует следующим требованиям:

  • Средняя квадратическая погрешность взаимного положения пунктов сети референцных станций, не более 1 см;

  • Средняя квадратическая погрешность геодезической привязки пунктов сети референцных станций к мировой геодезической системе ITRF, не более 2 см;

  • Средняя квадратическая погрешность результата измерения координат точек на территории расположения объекта, с использованием измерительной информации сети референцных станций в режиме постобработки, не более 1 см.

В ЦСТ ВИСХАГИ обрабатывались два набора измерений:

  • статические – GNSS измерения опознавательных знаков;

  • кинематические – GNSS измерения траекторий полета воздушного судна во время выполнения ВЛС и АФС.

Вычисление координат опознавательных знаков (см. рис.1) выполнялось сотрудниками ЦСТ ВИСХАГИ с использованием программного обеспечения SkiPro, система координат МСК-50, система высот Балтийская 1977 года.

Средняя ошибка положения опознавательных знаков в местной системе координат составила 3 см в плане и 6 см по высоте.

Общая площадь воздушного лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки по объекту составила 1275 км2, полетное время 38,5 часов (из них 25 часов непосредственно аэросъемки), суммарная длинна проходов - 1721 км.

С учетом времени на мобилизацию полевая часть работ по воздушному лазерному сканированию и цифровой аэрофотосъемке заняла 15 дней.

При производстве аэросъемочных работ удаление воздушного судна от базовых станций не превышало рекомендуемого значения в 30 км. (см. табл.3, рис.2)

 

Таблица 3 – Удаление траекторий полета воздушного судна от референцных станций

Удаление траекторий от сети референцных

до 5 км

от 5 до 10 км

от 10 до 15 км

от 15 до 20 км

от 20 до 25 км

от 25 до 30 км

Суммарная длинна траекторий

15,5 км

352,0 км

404,14 км

478,52 км

358,32 км

112,94 км

В % от суммарной длинны траекторий

0,9%

20,45%

23,48%

27,8%

20,81%

6,56%

 

Обработка траекторий полета воздушного судна производилась нашим сотрудником на территории ЦСТ ВИСХАГИ. Дифференциальная коррекция траектории выполнялась с использованием измерений полученных GNSS приемниками сети референцных станций в программном обеспечении GrafNav7.80 фирмы Waypoint Group. (см. рис.3)

Средняя точность расчета траекторий полета воздушного судна при проведении ВЛС и АФС составила 10 см (Estimated Position Accuracy). При расчете траекторий были использованы измерения с 17 референцных станций ЦСТ ВИСХАГИ. Съемка производилась в диапазоне высот от 400 м до 900 м. Расчетная точность и параметры произведенного ВЛС и АФС представлены в таблице 4.

Рисунок 3 – Графики качества GPS траектории полета воздушного судна - (а) значения разницы между прямым и обратным решением по осям x, y, z; (б) значения факторов снижения точности PDOP, VDOP, HDOP; (в) распределение значений стандартного отклонения результирующее и по осям z, x, y

Таблица 4 – Параметры воздушного лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки

Высота полета, м

Воздушный лазерный сканер ALS50-II 

Цифровая аэрофотокамера, объектив с фокусным расстоянием  35мм 

Угол раскрытия сканера, градусы

Частота импульсов сканера

Ширина ТЛО, м

Плотность точек лазерных отражений, ТЛО

Точность

Частота кадров, сек\кадр

Ширина фото, м

Размер pixel, м

Ширина между проходами, м

Плановая, м

Высотная, м

Средняя, ТЛО\м2

Надир,
ТЛО\м2

400

68

150000

487

8.31

5.66

0.10

0.09

4.77

506

0.08

303.6

500

68

139000

616

6.16

4.25

0.12

0.09

6.04

641

0.1

384.6

600

68

125100

747

4.62

3.21

0.14

0.10

7.31

776

0.12

465.6

700

68

113700

877

3.60

2.52

0.17

0.11

8.58

911

0.14

546.6

800

68

104200

1006

2.89

2.03

0.19

0.11

9.86

1046

0.16

627.6

900

68

94700

1136

2.33

1.64

0.21

0.12

11.3

1181

0.18

708.6

После анализа выполненных работ можно выделить следующие преимущества применения сети референцных GNSS станций:

  • Из полевой части работ по ВЛС и АФС по объекту были исключены два этапа:

  • закладка и измерение временных пунктов для геодезического сопровождения ВЛС и АФС;

  • наземное геодезическое GPS сопровождение ВЛС и АФС бригадой геодезистов (заменено использованием сети референцных станций ЦСТ ВИСХАГИ).

  • Сроки геодезического обоснования уменьшены на 20 дней за счет отсутствия закладки и измерений временных пунктов для геодезического сопровождения ВЛС и АФС и за счет упрощения этапа определения координат опознавательных знаков для проведения контроля точности проводимых работ.

  • Отсутствие зависимости ВЛС и АФС от наземного геодезического GNSS сопровождения позволяло при введении в зоне проведения аэросъемочных работ запрета на полеты, перелетать в другую, наиболее удобную для работы зону, без необходимости учета наличия там бригады наземного GNSS обеспечения. Это значительно уменьшало фактическое время на выполнение ВЛС и АФС.

  • Центр спутниковых технологий ВИСХАГИ предоставил большой выбор систем координат для вывода результатов измерений: WGS-84, СК-95, СК-42, СК-63, МГГС, МСК-50. Результаты обработки спутниковых измерений по объекту были предоставлены в местной системе координат МСК-50 (гриф ДСП) без промежуточного пересчета в СК95 или СК42 (гриф секретно), что значительно упростило работу с режимными материалами.

  • Применение сети референцных станций ЦСТ ВИСХАГИ позволило уменьшить затраты на выполнение работ по геодезическому сопровождению ВЛС и АФС в 5,2 раза.

В итоге, первый опыт использования услуг сетей референцных станций при геодезическом сопровождении ВЛС и АФС был положительным. Качество выполненных работ соответствует требованиям нормативной документации.

Список источников и литературы:

  1. Инструкция по развитию съемочного обоснования и съемке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS. ГКИНП (ОНТА)-02-262-02. — М.: ЦНИИГАиК, 2002.

  2. Руководство по созданию и реконструкции городских геодезических сетей с использованием спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS. ГКИНП (ОНТА)-01-271-03. — М.: ЦНИИГАиК, 2003.

  3. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. ГКИНП (ГНТА)-02-036-02. — М.: ЦНИИГАиК, 2002.

  4. С.А. Логинов, В.В. Бойков, М.А. Монахова, Е.А. Булаева Применение Спутниковой системы точного позиционирования Москвы и Московской области для определения координат центров фотографирования // Пространственные данные. — 2008. — №1. — С. 66-72.

  5. Zhilin Li, Jun Chen and Emmanuel Baltsavias Advances in Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences: ISPRS Congress Book. — 2008. — P.73-84.

  6. http://www.viskhagi.ru/