טיוטת הנחיות טכניות בנושא שימוש בסורקי לייזר מוטסים לצורכי מיפוי

תאריך:
23/07/2012
ד' אב תשע"ב

​טיוטת הנחיות טכניות בנושא שימוש בסורקי לייזר מוטסים לצורכי מיפוי – פניה לציבור לקבלת הערות

הקדמה:

1. מצורפת טיוטת מסמך הנחיות טכניות בנושא שימוש בסורקי לייזר מוטסים לצורכי מיפוי. המסמך כולל 2 פרקים, האחד – פרשנות והשני – הנחיות טכניות. מצורף גם נספח הכולל סקר מקיף המתייחס לתקנות והנחיות טכניות בגופי מיפוי מובילים בעולם והתייחסות ליישום של הטכנולוגיה שבנדון בתחומי המיפוי. מסמכים אלה הוכנו על ידי פרופ' שגיא פילין מהטכניון – המכון הטכנולוגי לישראל.

2. הצורך בכתיבתן של ההנחיות הטכניות שבנדון:

עקב ההתפתחות הטכנולוגיות, מצויות כיום ומיושמות בישראל, מערכות סורקי לייזר אוויריות חדישות. מערכות אלה שונות ממערכות הצילום המסורתיות (מצלמות אוויריות אנאלוגיות) וממערכות הצילום הדיגיטליות והן אינן עונות להגדרת התקנות הקיימות. בהתבסס על סקר נרחב של יישום של טכנולוגיה זו בגופי מיפוי בעולם, ברור  שטכנולוגיה זו מתאימה ליישום לצורכי מיפוי טופוגרפי.

ידוע לנו על לפחות שלוש חברות שעשו שימוש במערכות בארץ במהלך חמש השנים האחרונות. במהלך השנים האחרונות היו מספר פניות למפ"י ממשרדי ממשלה וחברות ממשלתיות בבקשה להאיץ את השינוי בתקנות שיאפשר שימוש בטכנולוגיה שבנדון בביצוע פרויקטים של מיפוי של שטחים נרחבים המבוסס על סריקת לייזר אווירית. יש להוסיף, כי מפ"י נערך לפירסום מכרז לקבלת שירותים מקצועיים של סריקת לייזר אווירית, זאת לטובת עדכון הבנט"ל וטיוב מאגר הגבהים הלאומי.

3. הערות וכל התייחסות מקצועית למסמכים שבנדון יש להעביר בכתב לח.מ. לדוא"ל bhmoshe@mapi.gov.il או באמצעות הפקס' 03-5624766, לכל המאוחר עד התאריך: 12/8/2012.

בברכה,
משה בנחמו
מנהל אגף פוטוגרמטריה וחישה מרחוק


פרק א': פרשנות

מערכת סורק לייזר מוטס:

מערכות חישה הכוללות שלושה רכיבים:

1) מערכת סריקת לייזר למדידת טווח ועוצמת החזר;

2) מערכת ניווט לוויינית גלובאלית (Global Navigation Satellite System – GNSS) לקביעת מיקום מערכת הסריקה;

3) מערכת ניווט אינרציאלית (Inertial Navigation System – INS) לקביעת הרכנת מערכת הסריקה;

שילוב שלוש המערכות מאפשר קביעת מיקום מרחבי (תלת-ממדי) של נקודה. הטווח הנמדד מתייחס אל העצם בו פגעה הקרן. עצם זה יכול להיות הקרקע או כל עצם אחר הנמצא לאורך המסלול אותו עושה הקרן. בשל פיזור האנרגיה המשוגרת בתחום הכיסוי הזוויתי של הקרן ניתן, על בסיס שיגור בודד, למדוד טווחים למספר פרטים בהם פוגעת הקרן (ר' החזר ראשון, ואחרון).

סריקת רוחבית:

לקבלת כיסוי מרחבי, מוטית הקרן בכיוונים שונים, לרוב על ידי התקן אופטי. הטיית הקרן בכיוונים הניצבים לכיוון הטיסה, יוצרת תבנית סריקה (לרוב קווית) המאפשרת כיסוי רוחבי.

קצב שיגור פולסים:

מספר הפולסים המשוגרים בשנייה על ידי המערכת הסריקה.

קצב הסריקה:

מספר הקווים (תבניות) הנסרקים בשנייה.

פס סריקה:

הסריקה הרוחבית והתקדמות מערכת הסורק המוטסת לאורך קו הטיסה יוצרים פס סריקה של השטח (strip).

נקודות שמישות גיאומטרית

נקודות שמישות גיאומטרית בפס הסריקה לא תחרוגנה מ-90% מרוחבו ביחס למרכז.

ענן נקודות:

אוסף הנקודות הנרכש על ידי מערכת סורק הלייזר המוטס. ענן הנקודות כולל נקודות המוחזרות מהקרקע ונקודות המוחזרות מאובייקטים שעל פני הקרקע. פיזור הנקודות בענן אינו סדור ותלוי בתבנית הסריקה.

צפיפות הנקודות:

צפיפות הנקודות בענן מושפעת מקצב שיגור הפולסים, מספר קווי הסריקה ומהירות הטיסה. צפיפות הנקודות בתוך פס הסריקה  תלויה בתבנית הסריקה.

הגל המוחזר:

בשל רוחב הקרן תתפרס האנרגיה המוחזרת מהקרקע ומהעצמים שעל פניה בציר הזמן. פריסה זו מוגדרת כגל המוחזר (waveform) המאופיין על ידי חלוקתו לאופנים (modes) , המתייחסים להחזרים מהעצמים בהם פגעה הקרן.

החזר אחרון:

האופן האחרון בגל המוחזר. מתייחס לאובייקט הרחוק ביותר בו פגעה הקרן. ההחזר האחרון יתייחס אל הקרקע, אם מספיק אנרגיה פגעה בה. שמירת ההחזר האחרון נותנת לפיכך עדיפות להחזרים המתארים את התבליט.

החזר ראשון:

ההחזר הראשון מתייחס אל העצם הקרוב ביותר בו פגעה הקרן.

סינון ענן הנקודות:

תהליך עיבוד של ענן הנקודות להפרדת החזרים מהקרקע מהחזרים מעצמים שעל פני הקרקע. הפרדה זו מהווה בסיס לבנייתם של מודלי גבהים ספרתיים.

כיול אווירי בזמן ביצוע:

כיול אווירי בזמן ביצוע נועד לחילוץ שגיאות שיטתיות במערכת סורק הלייזר המוטס, בייחוד פרמטרי התמרה בין רכיבי המערכת – הסורק, ה-GNSS וה-INS .

טריאנגולציה:

רשת משולשים. על פי רוב תחושב בעזרת אלגוריתם דלאוני (Delaunay Triangulation) .

משטח קשר:

משטח מישורי המשמש לביצוע בקרה פנימית השוואתית בין פסי סריקה חופפים.


פרק ב': הנחיות טכניות

כיול ואישור מערכת סורק הלייזר המוטס:

הפעלתה של מערכת סורק הלייזר המוטס לצרכי מדידה ומיפוי מותנית בקבלת אישור מנהל המרכז למיפוי ישראל.

סורקי הלייזר נבדקים ומכוילים על ידי יצרן המערכת. לפיכך, אישור המערכת מותנה בהצגת תוצאות בדיקה וכיול שבוצעו על ידי יצרן המערכת או בהתאם להנחיותיו.

על מפעיל המערכת למסור למרכז למיפוי ישראל נתונים טכניים מפורטים של המערכת.

הכיול יתבצע בתדירות ובהתאם לפרוצדורה המוגדרת על ידי היצרן ולא פחות מאחת לארבע שנים.

תנאי יסוד והנחיות לביצוע גיחת סריקת לייזר:

הסריקה תתבצע בכפוף למאפייני העבודה האופטימאליים כפי שהוגדרו על ידי יצרן המערכת ובהתייחס לגבהי טיסה מותרים וקצבי שיגור פולסים כתלות בגובה הטיסה.

זווית ההטיה של קרן הלייזר המשוגרת לא תעלה על 20 מעלות מהנדיר.

על המערכות לכלול מייצב סבסוב (roll stabilizer) .

אין לבצע סריקות בתנאי גשם ו/או רוחות חזקות.

אין לבצע סריקות בתנאי עננות ו/או ערפל בין המטוס לקרקע.

אין לבצע את הסריקות בתנאי הצפה (או כיסוי שלג) של הקרקע (למעט פרויקט יעודי)

פסי סריקה סמוכים יקלטו מקווי טיסה בכיוונים מנוגדים (הלוך ושוב).

אורך קו סריקה לא יעלה על 35 ק"מ.

חפייה צידית בין קווי סריקה סמוכים תהיה לכל הפחות 20% מרוחב פס הסריקה ובכל מקרה רוחבה לא יפחת מ-50 מ'.

כיסוי המרחבי של תא שטח ממערכת סורק הלייזר המוטס יכלול רצועה (buffer) ברוחב של 100 מ' מסביב ובסמיכות לשטח הסרוק.

בנוסף לפסי הסריקה העוקבים, תתבצע סריקה החוצה את הכיוון הכללי של פסי הסריקה העוקבים (האמור לעיל אינו חל על סריקה של שטח בסמיכות לגבולות המדינה). פסים אלה (רצפי קשר - (tie strips ייקלטו בריווח של 10 ק"מ לכל היותר. ולכל פחות ייקלטו שני פסי סריקה חוצים בפרויקט מיפוי.

על מערכת סורק הלייזר לאסוף, כמינימום, נתוני החזר ראשון ואחרון ונתוני עוצמה לכל החזר. מספר מרובה יותר של החזרים או קליטת הגל המוחזר כולו מהוות תוספת רצויה אך תחשבנה כמידע נוסף.

מיקום GNSS :

על המערכת המוטסת להכיל מקלטי GNSS דיפרנציאליים ומערכת ניווט אינרציאלית.

המרחק של מערכת סורק הלייזר המוטס מתחנות ה-GNSS הקרקעיות לא יעלה על 35 ק"מ.

יש למקם את תחנות ה- GNSSהקרקעיות באזורים פתוחים.

דיוק הגובה האליפסואידאלי של תחנות ה- GNSSהקרקעיות לא יפחת מ 2± ס"מ.

נדרשות לכל הפחות שתי תחנות GNSS קרקעיות בתוך אזור העבודה.

במהלך כל גיחת סריקת הלייזר יקלטו לכל הפחות 6 לוויינים וזווית הגובה של כל לווין המשמש לחישוב לא תרד מ-15 מעלות מעל האופק.

על ערך ה-PDOP להיות גדול מ- 4.

יש להשתמש בנתוני האפמריס הטובים ביותר לצרכי העיבוד – אפמריס "מיידי" זמין לאחר יומיים, אפמריס מדויק זמין לאחר 14 ימים.

על אינדקס הפעילות הגיאומגנטית (KP) להיות נמוך מ- 4

כיול אווירי בזמן ביצוע:

יש לבצע כיול אווירי של המערכת בתחילת ובסיום כל גיחת סריקה לצרכי מדידה ומיפוי. על הכיול לקבוע את ההפרש הקווי והזוויתי בין הסורק ומקלט ה-GNSS וה-INS , בהתאמה. בנוסף על התהליך לכייל את מד הטווח.

הכיול יתבצע מעל איזור הכולל משטחי בקרה מישוריים (אופקיים או משופעים) המדודים בדיוק מרחבי של 5 ס"מ לכל הפחות. מאפייני הטיסה לצורך ביצוע הכיול האווירי יהיו דומים לאלו של גיחת המיפוי בהתייחס לגובה הטיסה, לקצב שיגור הפולסים וקצב הסריקה והמפתח הזוויתי בו תתבצע הסריקה הרוחבית.

דיוקי גובה של ענן הנקודות:

בדיקת דיוק הגובה המוחלט של ענן הנקודות תתבצע אל מול נתוני החזר אחרון.

הבדיקה תתבצע ביחס לגבהים מדודים של פני הקרקע באזור הסרוק.

השוואת נקודת ביקורת תבוצע ביחס לרשת המשולשים שתחושב על בסיס נתוני ההחזר האחרון. ההשוואה תתבצע ביחס למשולש המכיל את נקודת הביקורת.

דיוק הגובה של ענן הנקודות לא יחרוג מ-25 ס"מ בקרקע מישורית (שיפוע קטן מ-20%) ו-40 ס"מ בקרקע גבעית/הררית (שיפוע גדול מ-20%) עבור 95 אחוזים מן הנקודות המבוקרות.

 

בקרה דיוק הגובה תחולק לשלושה חלקים:

1)   בקרה פנימית - התאמת רצפים

יש לבצע בחינת אזורי חפייה בין רצפים על ידי השוואת גבהים אל מול משטחי קשר המופיעים באזורי החפייה שבין הרצפים.

משטחי הקשר יהיו מישוריים (אופקיים ואנכיים) ושטחו של משטח קשר לא יקטן מ- 5 מ"ר.

ההפרש המרבי בתהליך הבקרה הפנימית לא יעלה על 10 ס"מ עבור 95 אחוזים מהמשטחים.

הבקרה הפנימית תתבצע בין פסי הסריקה העוקבים ורצפי הקשר.

הפרשים החורגים מהמותר יחייבו ביצוע תהליך תיאום רצפים לביטול שגיאות שיטתיות.

התיאום יתבצע באמצעות תוכנת תיאום רצפים המאושרת על ידי המרכז למיפוי ישראל.

2) בקרה חיצונית – השוואת ענן הנקודות אל מול מדידה קרקעית

בקרה חיצונית תתבסס על מדידת נקודות ביקורת קרקעיות (דיוק מדידה גבוה מ-5 ס"מ).

על נקודות הביקורת להימדד באזורים מישוריים בעלי שיפוע מתון שלא יעלה על 20 אחוז. אין למקם נקודות ביקורת לאורך קווי אי רציפות טופוגרפיים.

יש למדוד לפחות 60 נקודות ביקורת לכל הפחות בשטח הנסרק.

לפחות 10 ישויות ביקורת (נקודות או משטחים) תימדדנה לאורך גבולות השטח הנסרק.

דיוק הגובה של ענן הנקודות לא יחרוג מ-25 ס"מ בקרקע מישורית (שיפוע קטן מ-20%) ו-40 ס"מ בקרקע גבעית/הררית (שיפוע גדול מ-20%) עבור 95 אחוזים מן הנקודות המבוקרות.

שגיאות גסות5 או ה- 10 האחוזונים האחרונים של נקודות הביקורת (על סמך ההפרשים לגודל המדוד ומיונם), ניתנים להתייחסות כאל שגיאות גסות.

3) ביקורת דיוק כללית

יש למדוד נקודות ביקורת קרקעיות בנפרד עבור כיסויי הקרקע הבאים:

  • משטחים חשופים – כולל משטחים מעשה ידי אדם (כבישים,מבנים, גגות וכד'), קרקע חשופה, שדות או אזורי עשב נמוך (דשא).
  • אזורי עשב גבוה, עשבי בר, גידולים חקלאיים.
  • אזורי יער דליל.
  • אזורי חורש (צפוף).
  • אזורים צמחיים צפופים – בהם יכולת החדירה של הלייזר מוגבלת.

כיסוי קרקע רלבנטי לביקורת יכסה לפחות 10 אחוזים משטח אזור העבודה.

הביקורת תתייחס לכל כיסוי קרקע בנפרד. לכל כיסוי קרקע תימדדנה לפחות 20 נקודות בפיזור הקרוב ככל האפשר לאחיד. יש למדוד לכל הפחות 60 נקודות ביקורת בשטח הנסרק.

דרגת דיוק DEM שחושב מענן הנקודות:

דרגת דיוק DEM שיחושב מענן הנקודות ייקבע לפי תקנה 44 (החדשה).

דיוק מיפוי שהוכן מענן נקודות:

על דיוק מקום לעמוד ביחס של 1/1000 מגובה הטיסה הממוצע מעל פני הקרקע. דיוק טוב יותר יוכח על בסיס השוואה אל נקודות וקווי מפנה של ישויות קשר.

דיוק המיקום מיפוי מבוסס נתוני לייזר ייגזר מהגדרת הדיוק הפלנימטרי שבין הנתונים ומהריווח שבין הנקודות.

מיפוי משולב מבוסס ענן נקודות עם ופוטוגרמטריה:

תצלומי אוויר המיועדים לשילוב עם ענן הנקודות לצורך מיפוי יבוססו פוטוגרמטרית על סמך שיטות טריאנגולציה אווירית המאושרות על ידי המרכז למיפוי ישראל (ר' הנחיות המנהל).

לצורך ביקורת העיגון ההדדי בין התצלומים והסריקות תדגמנה נקודות ביקורת על סמך הקריטריונים שפורטו עבור דיוק מדידת  הגובה.

דיוק האופקי של מידע המופק מתוך תצלומים יקבע על סמך הדיוק פוטוגרמטרי שבהנחיות המנהל.

צפיפות ענן הנקודות:

צפיפות ענו הנקודות תתייחס לאזור המכיל את הנקודות השמישות גיאומטרית ועל סמך נתוני החזר ראשון בלבד.

חישוב צפיפות ענן הנקודות יתייחס אל פסי סריקה בודדים ולא אל פרויקט הסריקה כולו (על אזורי החפיפה).

צפיפות הנתונים תוגדר כגודל התא הריבועי המינימאלי שיכיל לפחות נקודה בודדת עבור 90% מהתאים.

שלמות מידע:

אזורים נטולי מידע יוגדרו כאזורים הגדולים מפי 16 (4 × 4) מגודל התא הריבועי המינימאלי ושאינם מכילים נקודה בודדת. קיום אזורים מעין אלו בענן הנקודות יוביל להגדרת המידע כלא שלם.

האזורים יימדדו על בסיס נתוני החזר ראשון ועל סמך הנקודות השמישות גיאומטרית בלבד.

אזורים המאופיינים בהחזרים נמוכים בתחום האינפרא-אדום, כגון גופי מים או גופים אחרים, לא יכללו בניתוח שלמות המידע.

עיבוד מידע:

קווי אי-רציפות – הדיוק הפלנימטרי של קווי אי-רציפות המופקים מתוך ענן הנקודות ייקבע על בסיס הדיוק הפלנימטרי וצפיפות הנקודות. אלגוריתמים המתיימרים לדיוק גבוה יותר יקבלו אישור המרכז למיפוי ישראל.

הפקת DEM סדור – הפקת DEM על בסיס נתוני הלייזר דורשת התמרת ענן הנקודות לסדור על בסיס אינטרפולציה. צפיפות השריג המינימאלי המופק על בסיס הנתונים לא תעלה על צפיפות קליטת הנתונים.

קווי גובה – קווי הגובה יהיו באינטרוואל התואם את דיוק ה-DEM .

מטה דאטה

מטה-דאטה של הסריקות יכילו את המאפיינים הבאים:

 

טרום גיחה

·         תיחום האזור למיפוי

·         פרמטרי מערכת (סוג מערכת, זוויות פתיחה, זוויות סריקה, תדירות סריקה, תדירות לזירה וכד'),

·         דו"חות כיול מערכת

·         קווי טיסה מתוכננים

·         אזורי כיול ואזורי קשר (משטחי קשר).

·         נתונים  PDOP צפויים

·         פריסת הבקרה הקרקעית

·         פירוט תהליכי בקרת האיכות המתוכננים

 

לאחר ביצוע הגיחה

פרמטרי בקרת איכות. בנוסף יועברו נתוני אומדן דיוק מוחלטים ויחסיים.

· נתוני המערכת

-  קצב שיגור פולסים וקצב סריקה

-  זווית סריקה

-  עיבוד הפולס (פירוק למס' החזרים)

-  שיטות עיבוד מידע בהן נעשה שימוש

·         נתוני גיחה

-  תאריך וזמן, גובה ומהירות

-  קווי הטיסה (ע"פ רישום ה-GPS )

·         נקודות קרקעיות שנמדדו

-  מידע על תחנות ה-GPS – כולל תיאורן בשטח

-   דו"ח על ישויות הבקרה – משטחים ונקודות

-  נקודות ביקורת

·   דו"ח כיול מערכת

·   דו"חות כיול יומיים

·    נתונים על כיסוי המידע, צפיפות מידע, וחפייה הולמת בין רצפים

·   דו"ח מערכת הלייזר האווירי

o  שיטות עיבוד בהן נעשה שימוש כולל טיפול בארטיפקטים

o  דיוק ומהימנות של נתוני הלייזר שנקלטו

o   דיוק המידע הטופוגרפי המופק

o   אומדני דיוק מבוססי השוואת משטחים - דיוק מיקום וגובה אבסולוטיים של ענן הנקודות ביחס למשטחי בקרה

o   מידע צילומי אם נרכש

  • מידע על נתונים אטמוספריים במהלך הטיסה
  • מידע מסונכרן של נתוני GPS ו-INS

·  תיעוד הפרשים (אי-התאמות באזורים החפייה בין הרצפים)

·  מפת אזור המראה את אזורי ה-void

·  ענן הנקודות לאחר תיאום רצפים של נתוני החזר ראשון.

·  ויזואליזציה של פיזור הנקודות וצפיפות הנקודות

·  כיסוי נתונים תצלומיים, אם קיימים