Экспериментальная проверка методов координатной привязки снимков ДЗЗ для ГИС-управления лесной инфраструктурой

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

родного симпозиума): сб. науч. тр. - М.: ИРЭ РАН, ИПЭ РАЕН, 2000. - С. 90-93.

10. Мильшин, А.А. О корреляции радиотеплового излучения земных покровов в сантиметровом и дециметровом диапазонах / А.А. Мильшин, А.Г. Гранков, Л.А. Паршина // Проблемы экоинформатики (материалы 4-го международного симпозиума): сб. науч. тр. - М.: ИРЭ РАН, ИПЭ РАЕН, 2000. - С. 94-97.

11. Мильшин, А.А. Крупномасштабная пространственновременная динамика радиотеплового излучения земной поверхности по данным радиометра SMMR / А.А. Мильшин, А.Г. Гранков, Н.К. Шелобанова, О.О. Кузнецов // LV научная сессия РНТОРЭС им. А.С. Попова, 17-19 мая 2000 г. - М., 2000. - С. 101-102.

12. Мильшин, А.А. Об учете влияния радиоизлучения небосвода при спутниковых измерениях в L- и P-диапазоне / А.А. Мильшин, А.Г Гранков // Проблемы экоинформатики (материалы 4-го международного симпозиума): сб. науч. тр. - М.: ИРЭ РАН, ИПЭ РАЕН, 2000. - С. 110-112.

13. Гранков, А.Г О возможности спектральных измерений ослабления радиоволн лесным пологом в натурных условиях с использованием космического радиоизлучения в дециметровом и метровом диапазонах / А.Г Гранков, А.А. Мильшин, А.А. Чухланцев // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. - 2004. - № 1. - С. 55-59.

14. Grankov A.G. and Mil’shin А.А. Modeling microwave emission of land surface at L-, P-bands in the frame of the general circulation model // Annales Geophysicae, EGS, Part II.: Hydrology, Oceans, Atmosphere. Nonlinear Geophysics. Supl. II to Vol.15, 1997, P.276.

15. Pellarin T., Calvet J.-C., and Wigneron J.-P Surface Soil Moisture Retrieval From L-Band Radiometry: A Global Regression Study // IEEE Trans. on Geos. and Rem. Sens, V.41, NO.9, 2003, P.2037-2051.

16. Dobson M.C., Ulaby F.T., Hallikainen M.T., and El-Rayes M.A. Microwave dielectric behaviour of wet soil. Part II: Dielectric mixing models // IEEE Trans. Geosci. Rem. Sens., 1985, GE-23, P.35-46.

17. Pampaloni P. Microwave radiometry of forests // Waves in Random Media. 2004. 14. P.275-298

18. Dorman J.L., Sellers PJ. A global climatology of albedo, roughness length and stomatal resistance for atmospheric General Circulation Models as represented by the simple biosphere model (SiB) // Am. Meterol. Soc., J. Appl. Meteorol. 1989. 28. P.833-855.

19. Sellers PJ., Los S.O., Tucker C.J., Justice C.O., Dazlich

D.A., Collatz G.J., and Randall D.A. A global 1 deg. x 1 deg. NDVI data set for climate studies. Part 2: The generation of global fields of terrestrial biophysical parameters from the NDVI. I. J. Remote Sensing. NO.15. 1994. Р3519-3545.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МЕТОДОВ КООРДИНАТНОЙ ПРИВЯЗКИ СНИМКОВ ДЗЗ ДЛЯ ГИС-УПРАВЛЕНИЯ ЛЕСНОЙ ИНФРАСТРУКТУРОЙ

Ю.С. ГАЛКИН, проф. каф. физики МГУЛ, д-р. техн. наук В.Н. ХАРЧЕНКО, проф. каф. физики МГУЛ, д-р. техн. наук

Известно, что леса России являются природообразующим фактором не только национального, но и планетарного масштаба. Это обстоятельство предъявляет особые требования к организации устойчивого управления лесной инфраструктурой с позиций обеспечения экологии и рационального природопользования.

Лесное хозяйство страны - это комплекс объектов и мероприятий, направленных на оптимизацию использования, воспроизводства, охраны и защиты лесов для получения продуктов леса при сохранении биосферных функций лесов.

Информационной основой ведения лесного хозяйства, согласно Лесоустроительной инструкции, являются данные организации территории и лесотаксационных работ. Наибольшую актуальность вопросы организации территории приобретают благодаря вступлению в действие нового Лесного кодекса, согласно которому основой ведения хозяйства будет аренда лесных территорий, требующая коренного изменения управления инфраструктурой на базе современных космических и геоинформационных технологий.

Определение координат портативными GPS-навигаторами

Технологический процесс организации территории, особенно при использовании ГИС, основным компонентом включает координатное обеспечение, для чего проводятся необходимые топографо-геодезические работы:

- установление границ участков лесного

фонда;

- съемки планшетных рамок;

- съемки отдельных наиболее значимых элементов внутренней ситуации;

- съемка границ хозяйственно-ценных выделов;

- съемка отвода лесосек;

- промер границ, квартальной и визирной сети и ходовых линий;

- геодезическое увязывание сети лесоустроительных планшетов и др.

При проведении указанных работ традиционными геодезическими методами прокладываются преимущественно теодолитные хода и

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

99

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

используются теодолиты и буссоли, дальномеры и мерные ленты. Особенностями таких методов являются:

- необходимость обеспечения прямой оптической видимости и проходимости всех звеньев хода;

- необходимость развития съемочного обоснования;

- возрастание погрешности измерений при увеличении длины ходов и изрезанности рельефа;

- значительная доля низкоквалифицированного и малопроизводительного труда;

- большая численность полевой бригады;

- сложность камеральной обработки результатов полевых измерений;

- сложность исправления ошибок;

- сложность сопряжения с современными методами обработки и представления информации.

Указанные особенности наиболее распространенной технологии топографо-геодезических работ в лесном хозяйстве приводят к низкой эффективности труда.

За рубежом подобную технологию не применяют уже более 20 лет, заменив ее электронной тахеометрией, а последние 15-10 лет - GPS-технологиями.

GPS-технология определения координат точек на местности не имеет ни одного из перечисленных недостатков и повышает производительность работ в 5-10 раз. При этом точность измерений не ниже точности следующего класса или разряда относительно геодезических пунктов, используемых для привязки объекта к государственной геодезической сети, и не зависит от удаленности измеряемой точки от опорных межевых знаков, границ объекта, квартальных просек и изрезанности рельефа. Измерения проводятся бригадой минимальной численности, камеральная обработка максимально автоматизирована и может проводиться на базе полевой партии в день исполнения работ (контроль качества), и результаты непосредственно могут быть использованы в современных ГИС-продуктах.

Кроме того, применение GPS-технологии в лесном хозяйстве повышает интеллектуализацию и престижность соответствующих специальностей.

GPS-технологии в настоящее время находят самое широкое применение, от управления полетом и автоматической посадкой современно-

го авиалайнера до определения места нахождения отдельной персоны в многомиллионном городе.

Учитывая широкое распространение применения GPS-технологий несколько десятков фирм в мире выпускают более сотни разновидностей GPS-приемников с большим разбросом функциональных и потребительских характеристик. Наиболее агрессивную торговую политику в нашей стране проводят такие зарубежные фирмы, как Leica, Trimble Navigation, Javad Positioning System и др., которые, создав российскую дилерскую сеть, почти полностью заняли рынок продаж различных GPS-приемников геодезического применения. Эти приемники отличаются высокой точностью (до миллиметров при определенных технологиях измерений и обработки результатов), но и высокой стоимостью (более десяти тысяч долларов), относительно большими массогабаритами (до 10 кг в двух-трех транспортных контейнерах) и сложностью организации измерений, обработки и представления результатов (спецпакет математической обработки стоимостью от 5 до 40 тыс. долл.).

Опыт показывает, что спутниковые измерения в залесенной местности для целей лесоустройства и лесопользования имеют свою специфику.

Большинство лесоустроительных и лесопользовательских работ, кроме юридически ответственных (границы землепользования, инженерные и строительные и т.п. объекты), допускают относительно невысокие точности измерений, соответствующие требованиям лесных планшетов и используемых ГИС-продуктов. Эти точности лежат в диапазоне от метров до десятка метров, что позволяет применять другой класс GPS-приемников, так называемые портативные GPS-навигаторы, имеющие массу в сотню грамм и стоимость от 170 до 600 долл.

Поэтому тематика данного исследования по применению GPS-приемников в лесном хозяйстве в настоящее время весьма актуальна, так как позволяет обосновать и оптимизировать выбор техники и технологии спутниковых измерений для повышения эффективности топографогеодезических работ в лесной отрасли.

Разработкой, выпуском и продажей портативных приемников в настоящее время занимаются более десятка фирм в различных странах.

Мировыми брендами стали такие фирмы, как Garmin, Magellan, Humminbird, Furuno,

100

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

GlobalSat и др. Основной упор производители делают на навигационное обеспечение транспортно-туристических и рыболовно-охотничьих потребностей обычного обывателя-непрофессио-нала, соединяя приемники с радарами, сонарами, эхолотами, карманными компьютерами и комплектуя креплениями к транспортным средствам, выносными антеннами, кабелями бортового питания и т.п. Номенклатура выпускаемых приборов - многие десятки типов.

Ручные портативные приемники разрабатывает и выпускает преимущественно фирма Garmin, которая занимает лидирующее положение в мире и в наибольшей степени проявляется на российском рынке. О серьезности подхода фирмы к обеспечению запросов потребителя на рынке указанной продукции можно судить по перечню модификаций разработанных и выпущенных фирмой приборов за последние 8-10 лет:

eTrex, eTrex Camo, eTrex Legend, eTrex Legend C, eTrex Summit, eTrex Venture, eTrex Vista, eTrex Vista S, Geco 101, Geco 201, Geco 301, GPS12, GPS12XL, GPS12CX, GPS12MAP, GPS 38, GPS48, eMap, eMap Delux, GPS II Plus, GPS III Plus, GPSMAP 175, GPS 126, GPS 128, GPSMAP 180, GPSMAP 230, GPS 72, GPS 76, GPS 60C, GPS 60CS, GPSMAP 76, GPSMAP 76C, GPSMAP 76CS, GPSMAP 76S, eTrex Venture CX, eTrex Vista CX, eTrex Legend CX, GPS 60CX, GPS 60CSX, GPSMAP 76CX, GPSMAP 76CSX.

Все модели имеют одинаковую чувствительность отсчета координат точки, равную ±Ы3 метра, и точность определения координат ±15 метров и скорости ±5 см/с. Совершенствование моделей проводилось в основном по запросам рынка и касалось улучшения эксплуатационных свойств путем добавления функций (смена карт, связь с компьютером, включая Bluetooth, звуковая сигнализация и др.) и модернизации эргономики и дизайна (цветной дисплей, подсветка экрана и клавиатуры и т.д.).

Существенные технические усовершенствования можно отсчитывать от моделей 12 серии: возможность организации дифференциального режима измерений (DGPS), при котором точность определения координат повышается до ±3^5 метров. Однако неудобство метода состоит в необходимости использовать два приемника (базовый опорный и подвижный измерительный) при измерениях и обеспечивать радиоканал связи между ними с помощью специальных приемопередат-

чиков. Устранение этого недостатка реализовано начиная с 60 серии путем подключения так называемой функции WAAS (Wide Area Augmentation System) - системы зонального расширения, которая позволяет проводить коррекцию без опорной станции и обеспечивает точность определения координат менее 3 м (по данным фирмы).

Общая номенклатура выпускаемых приборов превосходит многие десятки типов. В работе были использованы портативные приемники фирмы Garmin моделей eTrex, GPS12 и GPS60C. Установленные в одной точке, они давали одинаковые отсчеты с точностью единицы последнего разряда, что свидетельствует о возможности распространения результатов исследований на весь модельный ряд данной фирмы. Для всего ряда фирмой заявлена погрешность определения координат ±15 м при любых измерениях без использования DGPS- и WAAS-коррекции, удовлетворяющая требованиям бытового применения.

Однако опыт применения портативных приемников для профессиональных работ показывает, что формальное использование указанной величины неправомерно для оценки точности измерений, которая существенно зависит от методики проведения измерений, включающей хотя бы простейшую геодезическую обработку: усреднение, замыкание, уравнивание и привязки. Результаты проведенных исследований подтверждают указанное положение, которое иллюстрируется приводимым примером.

Исследования проводились на пунктах государственной геодезической сети, координаты которых были известны и принимались за эталонные. На каждом пункте бралось по 20 отсчетов GPS, что позволяет оценивать инструментальную точность величиной 0.7 метра. На рисунке приведены уклонения отсчетов от эталонных значений до обработки (В - по широте, С - по долготе) и после обработки (D - по широте и Е - по долготе). Численные значения результатов и средней квадратических ошибок (СКО)приведены в табл. 1.

Т а б л и ц а 1

Численные значения погрешностей

определения координат

Вид погрешности Без обработки, м С обработкой, м

Систем. погр. по широте +12 0,0

Систем. погр. по долготе +2,8 -0,2

СКО по широте 12,6 2,0

СКО по долготе 3,1 1,1

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

101

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Рисунок. Влияние обработки GPS-измерений на точность координат

Полученные погрешности допустимы при многих технологических процессах лесоустройства и лесопользования.

Таким образом, показано, что портативные GPS-навигаторы могут быть использованы в профессиональной деятельности в лесной отрасли, но и измерения должны проводиться не по бытовой, а профессиональной методике. При этом невязку удобно определять на базе при начале и окончании хода измерений, а привязку - примерно в середине хода.

Оценка точности координатной привязки космических снимков высокого разрешения

В настоящее время дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) из космоса находит все большее применение в решении актуальных экономических, социальных и научных задач. Одним из активных потребителей космической продукции является лесная отрасль хозяйства.

Тенденция развития космической техники дистанционного зондирования, направленная на повышение точности и разрешающей способности космических изображений, увеличивает объемы информации, сообщаемой потребителю, которые он должен добавлять в уже имеющиеся ГИС-продукты, созданные, как правило, под задачи на момент начала информатизации. В этом случае возможны координатные нестыковки объектов, причиной которых может быть как их разномасштабность, так и неточности трансформирования поступивших изображений. Предварительной оценке влияния указанных причин посвящена данная статья. Оценка проведена для двух снимков сверхвысокого разрешения: Ikonos - 1 м и QuickBird - 0,6 м.

Независимое определение координат точек проводилось портативным GPS-приемником Gamin 12 с обработкой результатов по методике, изложенной в предыдущем разделе.

Оценка метрических свойств приемника на день контроля снимков проведена по 10 отсчетам на 4 пунктах государственной геодезической сети, пересчитанных в систему WGS-84 (в линейном выражении). Результаты показаны в табл. 2.

СКО определялась по уклонениям от эталона.

Определяемые точки на снимках выбирались по периметру на расстояниях 2-12 км друг от друга. Было выбрано 5 хорошо опознаваемых и доступных для измерителей точек. Измерения и обработка проводились по той же методике, как на пунктах ГГС.

Т а б л и ц а 2

Точность измерений GPS приемником

№ точек Ngps - N_

1 2,0 1,2

2 0,4 1,2

3 0 0

4 -2,8 0,9

Среднее -0,1 0,8

СКО 1,7 1,4

Таблица 3 Точность точек Ikonos

№ точек AN

1 -10,3 -0,9 6,3 0,1

2 -8,7 0,7 9,0 2,8

3 -6,3 3,1 2,4 -3,8

4 -11,0 -1,6 7,5 1,3

5 -10,8 -1,4 5,8 -0,4

Сред. -9,4 6,2

СКО 9,6 1,8 6,6 2,2

102

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007