«Лазерная локация земли и леса» издание второе
Е.М. Медведев, И.М. Данилин, С.Р. Мельников
«Лазерная локация земли и леса»
Учебное пособие
Издание второе, переработанное и дополненное
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Московский государственный университет геодезии и картографии
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК, СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
Институт леса им. В.Н. Сукачева
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Красноярский государственный аграрный университет
МЕЖДУНАРОДНЫЙ ИНСТИТУТ МОНИТОРИНГА ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ
ГРУППА КОМПАНИЙ «ГЕОКОСМОС», «ГЕОЛИДАР», «ГЕОПОЛИГОН»
Рекомендовано Министерством образования и науки Российской Федерации
для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов,
обучающихся по направлениям подготовки и специальностям:
120301 «Землеустройство», 120302 «Земельный кадастр», 120303 «Городской кадастр»,
260400 «Лесное и лесопарковое хозяйство», 020800 «Экология и природопользование»,
013600 «Геоэкология», 650400 «Фотограмметрия и дистанционное зондирование»,
080800 «Исследование природных ресурсов аэрокосмическими средствами»,
650300 «Геодезия», 300100 «Прикладная геодезия», 300300 «Аэрофотогеодезия»,
013700 «Картография», 071900 «Информационные системы в геодезии и картографии»,072300 «Лазерная техника и лазерные технологии»,
131200 «Лазерные системы в ракетной технике и космонавтике»,
190700 «Оптико-электронные приборы и системы»
МОСКВА - КРАСНОЯРСК 2007
Медведев Е.М., Данилин И.М., Мельников С.Р.
Лазерная локация земли и леса: Учебное пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Геолидар, Геокосмос; Красноярск: Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2007. - 229 с.: илл. - 160; табл. - 45; библиогр. назв. - 87.
УДК 528.7(075.8); 621.37; 629.78; 630.52:587/588; 634.0.2
ББК 43.4В672
М 42
ISBN 5-903055-09-5
В настоящем учебном пособии раскрываются сущность и принципы лазерной локации. Приводятся данные по приборному обеспечению воздушной лазерной и цифровой аэросъемки, наземного лазерного сканирования, результаты выполнения различных проектов в России и в зарубежных странах. На фактическом материале показаны преимущества новейших технологий лазерно-локационной съемки земли и леса, приведены примеры трехмерного анализа земной поверхности, структуры и биомассы леса по данным лазерной локации и спутниковых систем глобального позиционирования.
Использование метода лазерной локации, совмещенного с цифровой аэрофото- и видеосъемкой, спутниковой навигацией и геопозиционированием, сопровождаемого цифровой спутниковой съемкой в оптическом и радио диапазонах, интегрированных в геоинформационных системах для целей дистанционного зондирования природной среды, землеустройства и лесоинвентаризации, позволяет проводить ди-станционный мониторинг земель и лесов с высокой эффективностью, при минимуме наземных работ и значительной экономии времени и финансовых средств.
Учебное пособие разработано с учетом Государственного образовательного стандарта по циклу технических и естественнонаучных дисциплин и предназначено для выполнения студентами дипломных и курсовых работ, проведения лабораторных и практических занятий по направлениям подготовки и дисциплинам: «Землеустройство и земельный кадастр», «Городской кадастр», «Мониторинг природных ресурсов», «Лесное и лесопарковое хозяйство», «Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве», «Фотограмметрия и дистанционное зондирование», «Исследование природных ресурсов аэрокосмическими средствами», «Экология и природопользование», «Геоэкология», «Геодезия», «Прикладная геодезия», «Аэрофотогеодезия», «Картография», «Информационные системы в геодезии и картографии», «Лазерная техника и лазерные технологии», «Лазерные системы в ракетной технике и космонавтике», «Оптикоэлектронные приборы и системы».
Пособие может быть использовано специалистами в области земле- и лесоустройства, дистанционных методов зондирования, геодезии и картографии, экологии и природопользования, сельского и лесного хозяйства, охраны природы, преподавателями вузов, научными работниками, аспирантами и студентами землеустроительных, лесохозяйственных, картографических, геодезических, географических, биологических факультетов классических и специализированных университетов, аграрных, технологических, лесотехнических и политехнических вузов.
Научный редактор А.С. Исаев, академик РАН
Рецензенты:
А.П. Гук – доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой фотограмметрии и дистанционного
зондирования Сибирской государственной геодезической академии (Новосибирск);
Ю.Ф. Книжников – доктор географических наук, профессор, зав. лабораторией аэрокосмических методов
Географического факультета Московского государственного университета (Москва);
В.И. Сухих – доктор сельскохозяйственных наук, профессор, главный научный сотрудник
Центра по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН (Москва);
Н.Я. Шапарев – доктор физико-математических наук, профессор, зав. отделом вычислительной физики
Института вычислительного моделирования СО РАН (Красноярск);
Утверждено к печати Ученым советом Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН
© Медведев Е.М., Данилин И.М., Мельников С.Р., 2007
Содержание
Предисловие ко второму изданию
Введение
1. Лазерная локация как прикладная дисциплина.
1.1 Содержание и общие принципы лазерной локации
1.2 Справка по истории лазерной локации
1.3 Импульсный и фазовый метод измерения дальности
1.4 Лазерная локация и традиционные методы топографической съемки
1.5 Концепция лазерно-локационного метода сбора геопространственных данных
1.6 Экономические аспекты применения лазерно-локационных средств
2. Инструментальные средства лазерной локации
2.1 Способы получения лазерно-локационных изображений. Основные принципы функционирования типового аэросъемочного лидара.
2.2 Определение координат лазерных точек при выполнении лазерно-локационной съемки.
2.3 Функциональная схема типового лазерного локатора на примере системы ALTM Optech.
2.4 Методы выполнения развертки.
3. Физические основы лазерной локации
3.1 Зондирующие свойства лазерного излучения.
3.2 Отражение лазерного луча от наземных объектов.
3.3 Математическое моделирование лазерно-локационного измерения.
3.4 Вопросы безопасного использования лидаров
4. НАВИГАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЛАЗЕРНОЙ ЛОКАЦИИ
4.1 Задачи навигации и геопозиционирования в лазерной локации
4.2 Системы прямого геопозиционирования
4.3 Системы геопозиционирования GPS и ГЛОНАСС
4.4 Интегральное навигационное решение
5. Лазерно-локационные данные и их информационные характеристики
5.1 Виды лазерно-локационных данных
5.2 Физические ограничения лазерно-локационного метода и пути их преодоления
5.3 Общие вопросы информационной ценности лазерно-локационных данных
5.4 Вопросы точности лазерно-локационных данных
6. Воздушная лазерно-локационная съемка
6.1 Основные параметры воздушной лазерно-локационной съемки и оптимизация режимов ее выполнения
6.2 Этапы выполнения лазерно-локационной съемки и основные процедуры метрологической поддержки
6.3 Измерение выставочных параметров сканерного блока
6.4 Общие принципы проведения полетной калибровочной процедуры
6.5 Компоновка аэросъемочного оборудования на борту носителя
7.Современные методы и технологии лазерной локации земли и леса и обработки данных программными средствами
7.1 Изучение земной поверхности и структуры лесного покрова методом лазерной локации и цифровой аэро- и космической съемки
7.2 Определение запасов и фитомассы древостоев лазерно-локационным методом
7.3 Программный комплекс ALTEXIS
8.Лазерно-локационный метод в топографии и системы картографирования реального времени
8.1 Технологическая основа лазерно-локационного метода
8.2 Состояние и перспективы развития современной цифровой аэрофототопографии
8.3 Аналоговые и цифровые аэрофотоаппараты
8.4 Методы классификации и основные технические характеристики современных цифровых аэрофотоаппаратов
8.5 Кадровые и линейные цифровые фотографические системы
8.6 Системы картографирования реального времени
8.7 Наземное лазерное сканирование (А.И. Науменко, А.И. Данилин)
Заключение
Список литературы
Приложения
Предисловие ко второму изданию
За год, прошедший с момента выхода первого издания учебного пособия, мы получили обширную почту, множество устных комментариев, откликов из России, стран бывшего СССР, а также из Европы, США, Канады и Японии. Книга полностью разошлась общим тиражом более 1000 экземпляров и на электронных носителях по ведущим библиотекам и вузам России, СНГ и зарубежных стран. В 2006 году на XIII Всероссийском форуме ГИС-ассоциации первое издание книги получило почетный диплом и номинацию «Лучшее издание года в области геоинформатики».
Все это, конечно, не может не радовать авторов. Мы полагаем, что позитивное отношение читательской аудитории достигнуто благодаря правильному позиционированию издания как учебного пособия по прикладной лазерной локации. В результате, книга оказалась доступна широкому кругу читателей, в том числе – аспирантам, студентам ВУЗов и техникумов, интересующимися современными топографо-геодезическими, аэросъемочными технологиями, а также геоинформационными методами в лесоустройстве. С другой стороны, нам известны случаи, когда «Лазерная локация…» использовалась в качестве методической основы в крупных производственных компаниях, занятых геодезической деятельностью с использованием лазерно-локационных и цифровых аэросъемочных технологий. Надо полагать, что последнее обстоятельство явилось следствием того, что авторам удалось со страниц книги донести до читателя свой многолетний опыт практикующих инженеров, геодезистов, аэросъемщиков, таксаторов и это особенно приятно.
В последнее время в России и мире появилось много интересных работ, имеющих отношение к лазерной локации и цифровым аэросъемочным технологиям. Особенно хотелось бы отметить следующие фундаментальные труды: Основы импульсной лазерной локации: Учеб. пособ. для вузов / В.И. Козинцев, М.Л. Белов, В.М. Орлов и др. Под ред. В.Н. Рождествина. М. Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 512 с.; Сухих В.И. Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве: Учебник. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2005. 392 с.; Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И., Тутубали-на О.В. Аэрокосмические методы географических исследований. М.: Academia, 2004. 333 c.; Remote Sensing of Forest Environments. Concepts and Case Studies / Ed. by M.A. Wulder and S.E. Franklin. Kluwer Academic Pub., 2003. 519 p., а также ряд интересных публикаций в этой области скандинавских и американских ученых (Holmgren, 2004; Maltamo et al., 2004; Næsset, 2004; Andersen et al., 2005; Lefsky et al., 2005; Hyde et al., 2006).
Еще раз подчеркнем, что с середины 70-х годов ХХ века теме лазерной (оптической, световой) локации в отечественной научно-технической литературе уделяется самое серьезное внимание. Нельзя сказать, что ощущается дефицит публикаций по этому вопросу. Такое положение дел явилось, в значительной мере, результатом серьезных достижений отечественной науки и технологии советского периода в деле развития лазерно-локационных средств, достижений, к сожалению, почти полностью утраченных в постсоветский период. В этой связи, наша книга, во-первых, в определенном смысле поддержала отечественную лазерную локацию, продемонстрировав, что и сейчас активные работы по этому направлению в нашей стране ведутся, особенно в области программных и методических разработок, и, во-вторых, заполнила до недавнего времени пустующую нишу публикаций, описывающих именно прикладную сторону вопроса – как и при каких условиях целесообразно использовать лазерно-локационные методы при крупномасштабном топографическом картографировании, решении задач инженерной геодезии, таксации леса и др.
За прошедший с момента первого издания год прикладная лазерная локация еще более укрепилась в своем статусе классической геодезической технологии – воздушных и наземных средств лазерно-локационной съемки в России и странах бывшего СССР стало значительно больше, появилось много интересных (в том числе, отечественных) программных разработок. Регулярное обсуждение технических инноваций в этой области на научно-технических семинарах и конференциях стало нормой.
Обнадеживает и то, что присутствует значительный интерес к предмету со стороны ведущих российских и зарубежных ВУЗов. Так авторами, совместно с к.т.н., доцентом А.И. Науменко организованы и прочитаны курсы: «Лазерно-локационные методы в геодезии» в Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК), «Лазерное сканирование – методы съемки и моделирования» в Санкт-Петербургском горном институте, цикл лекций по воздушной лазерной локации в техническом университете Нойбранденбурга, Германия (С.Р. Мельников), «Лазерная локация для целей земле- и лесоустройства и составления кадастров природных ресурсов» на землеустроительном факультете Красноярского государственного аграрного университета (И.М. Данилин). Предполагается, что аналогичные курсы с участием авторов будут в ближайшее время читаться в ряде других ведущих российских ВУЗов, в частности – в Московском институте инженеров железнодорожного транспорта, в Сибирском федеральном университете (г. Красноярск) и в Сибирской государственной геодезиче-ской академии (г. Новосибирск).
Авторы намерены и впредь продолжать свою публицистическую деятельность, связанную с пропагандой передовых методов дистанционного зондирования, современной геоинформатики и их многочисленных приложений.
Во втором издании добавлена глава 8 «Лазерно-локационный метод в топографии и системы картографирования реального времени», описывающая одну из наиболее перспективных тенденций современного дистанционного зондирования – построение на базе авиационных и наземных лазерных сканеров и цифровых аэрофотоаппаратов средств сбора и обработки геопространственных данных, обеспечивающих радикальное сокращение длительности технологического цикла создания или обновления топографических карт и планов, других геоинформационных продуктов. Раздел 8.7. настоящей главы подготовлен совместно с А.И. Науменко и И.М. Данилиным. Существенно переработана и дополнена глава 4 «Навигационное обеспечение лазерной локации». Как и ранее, к разработке указанных систем и их практическому применению в России и за рубежом авторы имеют самое непосредственное отношение.
Мы благодарим всех, кто нашел время ознакомиться с первым изданием «Лазерной локации…». Особая признательность – внимательным читателям за доброжелательную и конструктивную критику. Все рекомендации и указания на неточности при-няты авторами с благодарностью. Необходимые исправления внесены во второе издание, которое в настоящее время переводится на английский язык и будет размещено в Интернете по адресу: www.laserlocation.ru
Мы хотели бы также выразить нашу признательность ведущим отечественным ученым и специалистам, поддерживающих нас в деле практического использования и популяризации идей лазерной локации и других современных методов дистанционного зондирования. Неоценимая помощь в этом вопросе оказана нам научным редактором книги – академиком РАН А.С. Исаевым, ректором МИИГАиК, членом-корреспондентом РАН В.П. Савиных, генеральным директором ГосНИИ авиационных систем, членом-корреспондентом РАН С.Ю. Желтовым, деканом геодезического факультета МИИГАиК, профессором В.В. Шлапаком, деканом факультета аэрокосмических съемок и фотограмметрии МИИГАиК, профессором А.Г. Чибуничевым, заведующим кафедрой фотогра-мметрии МИИГАиК, профессором А.П. Михайловым, проректором СГГА, профессором В.А. Середовичем, профессором Красноярского государственного технического университета В.Б. Кашкиным, официальными рецензентами второго издания – профессорами А.П. Гук, Ю.Ф. Книжниковым, В.И. Сухих, Н.Я. Шапаревым. Авторы выражают благодарность сотрудникам компании «ГеоЛИДАР» и «Геокосмос» – В.В. Гнилицкому, К.А. Пестову, А.А. Лихобабину, Е.Н. Капраловой, А.И. Науменко за помощь, ценные советы и замечания в процессе подготовки рукописи второго издания. Е.М. Медведев выражает свою глубочайшую признательность свой жене Сусанне, чья любовь и терпение помогли этой книге появиться, а также, директору камерального производства компании «Геокосмос» С.В. Степановой за ее подвижническое отношение к лазерно-локационному делу, неизменную и не всегда заслуженную доброжелательность к авторам и их идеям.