BRPI0210514B1 - sistema para levantamentos por gravidade conduzido por aeronave e processo para criar levantamentos por gravidade aéreos - Google Patents
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Abstract
"aeronave para conduzir levantamentos por gravidade aéreos, e, processo para criar levantamentos por gravidade aéreos". a presente invenção trata de uma aeronave equipada para conduzir levantamentos por gravidade aéreos. sob outro aspecto trata de um processo para criar levantamentos por gravidade aéreos. a aeronave é equipada para realizar o método utilizando dados de atitude medidos, dados de alcance de laser e dados de ângulos de ângulo de varredura e dados de posição da aeronave.
Description
"SISTEMA PARA LEVANTAMENTOS POR GRAVIDADE CONDUZIDO POR AERONAVE E PROCESSO PARA CRIAR LEVANTAMENTOS POR GRAVIDADE AÉREOS” Campo Técnico A presente invenção trata de uma aeronave equipada para conduzir levantamentos por gravidade aéreos. Sob outro aspecto trata de um processo para criar levantamentos por gravidade aéreos. Técnica Anterior Nos levantamentos por gravidade aéreos, e particularmente nos levantamentos de gradiente por gravidade o fator de contribuição principal para o sinal medido ê com. frequência a topografia. Em situações deste tipo, modelagem muito cuidadosa do sinal de gradiente topográfico é exigida de maneira a identificar corretamente aquela parte residual do sinal que constitui - com a exclusão de outras perturbações determmísticas menores tal como auto-gradientc - o efeito de anomalias do alvo. Vital para esta correção é o acesso a um mapa de elevação digital (DEM) devidamente exato que é corretamente alinhado ou coincidente com a posição da aeronave. Um mapa DEM deste tipo tem de cobrir tanto a área de levantamento como um contorno de limitação suficiente alem da extensão do levantamento. Todavia, é a topografia mais próxima da aeronave que terá o efeito mais profundo sobre o sinal de gradiente de gravidade.
Sumário da Invenção Sob um primeiro aspecto, a invenção é uma aeronave para conduzir levantamentos por gravidade aéreos, equipada com: Uma plataforma ínercial na qual se assenta um gradiômetro de gravidade, e que opera para fornecer medições de atitude.
Um gradiômetro de gravidade para fornecer o gradiente de gravidade.
Um scanner a laser tendo um alcance de pelo menos 200 m, um ângulo de varredura de ± 30 graus registrado a uma precisão de pelo menos 0,5 grau, e uma taxa de varredura de pelo menos 10 varreduras por segundo com uma relação de sucessão de pulsos laser de pelo menos 10 kHz, para a distância de retomo e medições de ângulo de varredura a partir do solo.
Uma antena GPS para receber dados GPS a partir dos quais dados de temporização e posição podem ser recuperados.
Um processador para gerar um mapa de elevação digital (DEM) usando o alcance do laser, ângulo de varredura, dados de atitude da aeronave e posição da aeronave, e a partir dos quais o gradiente de gravidade da topografia pode ser calculado.
Uma segunda antena GPS baseada em terra e um receptor podem ser previstos em uma posição de referência para correção diferencial da posição do receptor GPS montado na aeronave.
Os dados de retomo de terra obtidos usando a invenção são obtidos através de uma faixa suficientemente ampla para que DEMs muito adequados através da inteira área de levantamento possam ser produzidos. Conseqüentemente, o scanner DEM será corretamente alinhado em relação à aeronave, especialmente na região próxima à aeronave quando os efeitos de gradiente de gravidade topográficos não são desprezíveis. Também os DEMs de scanner podem ser compostos em regiões remotas onde os DEMs existentes são inexatos, desatualizados ou indisponíveis - isto habilita a aeronave a recolher dados válidos sobre quase qualquer terreno. Outrossim, os DEMs de scanner genericamente serão mais exatos que outros DEMs comercialmente disponíveis.
Um perfilômetro a laser pode ser montado adjacente ao scanner, para fornecer dados independentes para monitorar a integridade do scanner através da totalidade de um levantamento.
De maneira a transformar dados de alcance de scanner em posições de retomo de terra, é necessário combinar os dados de alcance de scanner com uma medida da atitude da aeronave, isto é, balanceio, inclinação para cima ou para baixo e rumo disponíveis da plataforma inercial, e a posição de aeronave disponível da antena GPS. Para realizar isto os fluxos de dados brutos provenientes do scanner a laser e da plataforma inercial são exatamente temporizados com pulsos de sincronização derivados do GPS da aeronave. Os dados GPS brutos provenientes dos receptores GP da aeronave e de terra podem ser processados para proporcionar precisão submétrica.
Sob outro aspecto a invenção e um processo para criar levantamentos por gravidade aéreos utilizando dados de atitude medidos, dados de alcance de laser e dados de ângulo de varredura , e dados de posição de aeronave. O processo compreendendo as seguintes etapas: Remover dados tendo valores inválidos dos dados de alcance;
Interpolar os dados de atitude e posição de aeronave sobre as instâncias de tempo dos dados de distância.
Efetuar a rotação vetorial do vetor de distância e se requerido o vetor descentrado do scanner a laser da antena GPS em tomo da antena GPS para transformar os dados de distância em dados de posição em relação ao solo.
Descartar anomalias de um só ponto de varreduras ou varreduras selecionadas individuais.
Decimar as varreduras selecionando os pontos com a posição em relação à terra mais baixa em um número de compartimentos uniformemente espaçados através da faixa de varredura.
Manufaturar uma versão gradeada do conjunto de dados de posição em relação ao solo do scanner utilizando os dados de retomo de terra decimados.
Unir a versão gradeada com um DEM regional menos exato porém maior. O processo de união pode consistir das seguintes etapas.
Sobrepor o DEM de scanner sobre uma seção do DEM regional de modo que o DEM regional se estenda pelo menos 5 km alem do DEM' de scanner em cada direção* Inclinar e deslocar o DEM regional para casar com o DEM de scanner na área limite do DEM de scanner, E permitir que o DEM regional preencher quaisquer lacunas internas no DEM do scanner. Os DEMs de scanner e regional combinados são usados para calcular os gradientes de gravidade que resultarão da topografia, O DEM de scanner é usado na área por ele coberta, ao passo que o DEM regional é usado fora desta área. Existem métodos de domínio público para esta conversão de topografia em gradiente de gravidade.
Descrição Sucinta dos Desenhos Um exemplo da invenção passa a ser descrito a seguir com referência aos desenhos apettsos de acordo com os quais: A fig, 1 é um diagrama esquemáiico da aeronave; A fig. 2 é um íluxograma para a produção do DEM do scanner: Modalidades Preferenciais da Invenção Uma aeronave Cessna Grand Caravan 10 é equipada com uma plataforma inércia] 11 na qual se assenta um gradiômetro de gravidade 12. Um scanner a laser Riegl 15 é montado sob a cauda da aeronave. Um perfilôntetro a laser 16 é também montado sob a cauda da aeronave para proporcionar uma verificação sobre a precisão de retorno de terra do scanner. A aeronave é também equipada com antenas GPS Dorne-Margolin de frequência dual 20 e receptores NovAtel Millennium 21, Assim equipada a aeronave é capaz de empreender levantamentos aéreos do campo de gravidade local. A plataforma inercial 11 proporciona medições muito exatas da atitude (balanceio, inclinação para cima ou para baixo e rumo) da aeronave, a urna frequência de 16 Hz, para correção de posição de distância. O gradiômetro de gravidade 12 fornece um sinal a partir do qual o gradiente de gravidade instantâneo pode ser derivado. O scanner a laser 15 fornece dados de retomo de terra 31 na forma de medições de distância e ângulo de varredura.
As antenas GPS 20 recebem dados GPS brutos que são processados para achar os dados de posição da aeronave 32. Vôo de Levantamento De maneira a maximizar a sensibilidade do gradiômetro a sinais de alvo um plano de vôo de levantamento por gravidade usualmente especifica alturas em relação ao solo nominais de entre 50 e 120 metros» subordinadas ao relevo topográfico. Estas baixas alturas em relação ao solo habilitam os instrumentos scanner a laser montados na aeronave a proporcionar dados de retorno de terra compactos e de boa qualidade. O alcance de laser, ângulo de varredura» atitude de aeronave e dados de posição da aeronave são então usados para gerar dados de posição do mapa de elevação digital (DEM). O DEM é usado para calcular o gradiente de gravidade ao longo do rastro de levantamento do gradiômetro de gravidade para que este possa ser subtraído dos gradientes de gravidade medidos para revelar anomalias de gradiente de gravidade que não são devido à topografia. O Scanner a Laser O Scartrter a Laser tem uma faixa de ± 40 graus para dar uma cobertura próxima a 100% a um espaçamento de linha de 200 m e 100 m de altitude e um alcance de laser de pelo menos 200 m para compensar ângulo de inclinação e altitude aumentada em relação à topografia. Os pulsos de laser a 12kHz com um ciclo de serviço de 33% e retorna 276 leituras por linha de varredura a uma taxa de linhas de 20Hz para dar uma separação de menos de 3 m ao longo da rola e de menos de 1 m no sentido transversal da rota.
As especificações nominais do scanner são fornecidas abaixo. Parâmetro_________________________________________________Valor Nominal Taxa de Varredura (por segundo) 20 Retornos por Varredura________________________________________________276_________ Velocidade em Relação ao Solo da Aeronave (m/s)_______________________50__________ Limites do Angulo de Varredura (graus) (±40) Altura em relação ao solo (m)_________________________________________[00_________ Separação de Varredura ao longo da rota da aeronave(m)________________13__________ Separação de Varredura Média no sentido transversal da rota da 0,60 aeronave (m)______________________________________________________________________ Faixa de Varredura da rota transversal (m)____________________________167_________ Na prática» o desempenho do scanner pode variar» com a densidade de retorno de varredura válida dependendo de fatores tais como: A altura da aeronave em relação ao solo (acima de 200m a densidade de retomo de altura pode ser desprezível), A cobertura do solo, por exemplo a densidade de retorno sobre massas de água lisas ou cobertas de gelo é usualmente baixa e pode variar larga mente de acordo com a distribuição de folhagem e características, lima limpeza regular da janela do scanner é requerida. Calibracão do Scanner Tanto o scanner como o perfílômetro são cuidadosamente ajustados quando instalados para que o perfílômetro e o centro da varredura estejam aproximadamente no nadir na atitude de aeronave de vôo de levantamento. Isto é, a inclinação para cima ou para baixo zero e balanceamento zero. Adicionalmente, a direção de rotação de varredura tem de ser colinear com o eixo geométrico principal da aeronave. Na prática» este perfeito alinhamento é impossível de realizar, e é necessário efetuar vôos de calibraçao para determinar o desvio de indicação de cada instrumento.
Os dados de alcance de scanner e de atitude da aeronave são recolhidos enquanto um conjunto de manobras de balanceio e inclinação para cima ou para baixo é realizado acima de uma superfície plana. Uma massa de água plana com pequenas ondulações induzidas pelo vento tem preferência. Uma máquina de otimização de quadrados mínimos é usada para determinar o melhor conjunto de desvios de indicação pelo scanner de tal maneira que o desvio da planura da superfície lacustre estimada seja minimizado. A mesma abordagem é usada para calibrar o perfílômetro. Os desvios de indicação para a aeronave equipada tanto com o scanner como perfilômetro são fornecidos abaixo: instrumento (balanceio, inclinação para Desvio padrão de Calibração da planura da cirna ou para baixo, rumo] superfície lacustre estimada (m) Desvio de indicação (graus) Scanner__________-0.2, 2,8; 2.0 *______________________02___________________ .Perfiiãmêirõ......0,6,.-0,27,.NÃ........................0,2...............~ O desvio padrão de 02 m da planura da superfície lacustre estimada reportado tanto para o scanner como para o perfilo metro é a melhor exatidão possível realizável com estes instrumentos, levando em conta todas as fontes de erro possíveis a partir da medição bruta através da transformação geométrica para a posição em relação ao solo final. Erros adicionais são experimentados nos levantamentos devido à inadequada penetração na folhagem, ambiente construído e erros de posição horizontal Para transformar os dados de alcance de scanner em posições de retorno do solo, é necessário combinar os dados de alcance com uma medida de atitude da aeronave que é o balanceio, inclinação para cima ou para baixo e proa (rumo) disponíveis pela plataforma inercial, e a posição da aeronave em relação aos receptores GPS. A sincronização destes fluxos de dados é realizada pela utilização de pulsos de temporização que são trocados entre os instrumentos separados e são exaiamente sincronizado pelo receptor GPS. Cálculo da Posição da Aeronave A aeronave e as antenas GPS baseadas em terra recebem dados GPS brutos, que são gravados a 2 Hz. As técnicas que utilizam, estes dados para gerar a posição instantânea da aeronave com uma precisão de menos de um metro são bem conhecidas. Um exemplo é o produto de software GrafNav (disponível da Wayponnt Consulting Inc.).
Uma vez que a precisão intrínseca do scanner a baixos ângulos de varredura é excelente, explicando um erro de altura em relação ao solo de menos de 0,1 m de desvio padrão. Considerando-se que erros de altura de DGPS são de cerca de 0,15 m,o erro de altura em relação ao solo resultante é estimado como desvio padrão de 0,2 m. Isto foi confirmado por uma análise de diferenças de altura em áreas superpostas entre linhas adjacentes. Esta estimação é característica de um terreno ligeiramente coberto de vegetação. Este nível de erro topográfico tem um impacto desprezível sobre a capacidade para identificar anomalias de gravidade alvos decorrentes de variações geológicas. Cálculo de Posição em Relação ao Solo A fig, 2 ilustra as etapas de processamento requeridas para um construir um mapa de elevação digital (DEM) a partir dos dados de atitude medidos 30, o alcance de dados de laser de scanner e dados de ângulo de varredura 31, e a posição de aeronave calculada 32. Este processo passa a ser descrito a seguir.
Remover Valores de Distância Inválidos (35) Os dados de distância brutos usual mente contém um número de retornos de distância inválidos que são gravados como valores de menos de 20 metros, Estes são removidos do fluxo de dados.
Registro de Tempo e Sincronização com Dados de Distância Os dados de posição de aeronave e atitude de frequência mais baixa são linearmente interpolados sobre as instâncias de tempo de dados de distância. O processamento de dados de calibração de scanner demonstrou que a interpelação de dados de baixa frequência 2Hz pode resultar em erros de estimação de posição em relação ao solo de até 0,2 m de desvio padrão durante períodos de extrema alteração de atitude da aeronave. Todavia, sob condições de levantamento normais, estes extremos dc variação de atitude são raramente encontrados. Cálculo das Posições em Relação ao Solo (41) A transformação de dados de alcance em posição em relação ao solo é obtida efetuando uma série de rotações vetoriais do vetor de distância em tomo da antena GPS. Estas rotações explicam rum (proa), inclinação para cima ou para baixo e balanceio, compensados para seus respectivos desvios de indicação, desvio de indicação de guinada e ângulo de varredura assim como o efeito de braço de alavanca associado com a montagem traseira do scanner sob a barriga da aeronave. O vetor de alcance transformado é então adicionado à posição da aeronave, dando a posição de retorno do solo.
Anomalias de Distância (42) e Decimação (43) Os dados de scanner a laser têm muito mais retornos do que são requeridos para gerar um DEM suficientemente exato. Também contêm muitos valores de distância que são distâncias para vegetação que pode estar vários metros acima do nível do solo. O processo de decimação tanto reduz o número de valores de distância a ser usado na geração do DEM, e elimina o efeito das distâncias para a vegetação. A característica dos valores de distância do solo válidas que são usadas para distinguir os mesmos do retorno proveniente de vegetação, é que em uma área localizada os retornos de solo serão provenientes de pontos mais baixos que os retornos provenientes de vegetação. O processo de decimação é dividir os dados do scanner em áreas localizadas, quer como seções de uma única varredura, quer combinações das ditas seções sobre varreduras adjacentes, perfazendo uma área. A altura mais baixa em cada área localizada é selecionada como um retomo de solo verdadeiro a ser usado na geração de DEM.
Após o processo de decimação automatizado, podem permanecer alguns dados de altura anômala associados com vegetação densa ou presença de edifícios por exemplo. Uma etapa manual 44 de remover estas anomalias pode então ser empregada.
Criação de DEM (45) Os dados de retomo de solo decimados são então usados para manufaturar uma versão gradeada do conjunto de dados em relação ao solo do scanner, o DEM do scanner. Esta é unida com um DEM regional menos exato porém maior. O processo de união consiste das seguintes etapas. Superpondo o DEM de scanner sobre uma seção do DEM regional de modo que o DEM regional se estenda pelo menos 5 km mais que o DEM do scanner em cada direção. Inclinando e deslocando o DEM regional para corresponder ao DEM de scanner no limite do DEM de scanner. E permitindo que o D EM regional preencha quaisquer lacunas internas no DEM de scanner. Os DEMs combinados de scanner e regional são usados para calcular os gradientes de gravidade que resultam da topografia. O DEM de scanner é usado na área por ele coberta, ao passo que o DEM regional é usado fora desta área. Existem métodos de domínio público para esta conversão de topografia em gradiente de gravidade. Isto produz medições de gradiente conectadas para efeitos topográficos.
Será apreciado por aqueles versados na técnica que numerosas variações e/ou modificações podem ser introduzidas na invenção como mostrado nas modalidades específicas sem se afastar do espírito ou âmbito da invenção conforme genericamente descrita. As presentes modalidades, por conseguinte, devem ser consideradas em todos os respeitos como ilustrativas e não limitativas.
REIVINDICAÇÕES
Claims (6)
1. Sistema para levantamentos por gravidade conduzido por aeronave, caracterizada pelo fato de compreender: uma plataforma inercial, na qual se assenta um gradiômetro de gravidade, que opera para proporcionar medições de atitude; um gradiômetro de gravidade para fornecer medições do gradiente de gravidade; um scanner a laser para retomar medições de distância e ângulo de inclinação em relação ao solo; uma antena GPS para receber dados GPS a partir dos quais dados de temporização e de posição podem ser recuperados; e, um processador para gerar um mapa de elevação digital (DEM) utilizando o alcance do laser, o ângulo de varredura, os dados de atitude da aeronave e de posição da aeronave, a partir dos quais o gradiente de gravidade da topografia pode ser calculado.
2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o scanner a laser tem um alcance de pelo menos 200 m, um ângulo de varredura de ± 30 graus gravado a urna precisão de pelo menos 0,5 graus, e uma taxa de varredura de pelo menos 10 varreduras por segundo com uma taxa de pulsos de laser de pelo menos 10 kHz.
3. Sistema de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de compreender ainda um perfilômetro a laser montado adjacente ao scanner, para proporcionar dados independentes para monitorar a integridade do scanner através da totalidade de um levantamento.
4. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizada pelo fato de que os dados GPS brutos são processados para proporcionar precisão sub métrica,
5. Processo para criar levantamentos por gravidade aéreos, utilizando dados de atitude medidos, dados de alcance de laser e dados de ângulo de varredura, e dados de posição da aeronave, caracterizado pelo fato de compreender as seguintes etapas de: remover dados tendo valores inválidos dos dados de alcance; interpolar os dados de atitude e de posição da aeronave sobre as ocorrências de tempo de dados de alcance; efetuar a rotação vetorial do vetor de alcance, definido pelo alcance de laser e pelo ângulo de varredura, através da atitude medida para transformar os dados de alcance em dados de posição em relação ao solo; descartar anomalias de um só ponto das varreduras selecionadas individuais; decimar as varreduras selecionando os pontos com a posição mais baixa em relação ao solo em um número de compartimentos uniformemente espaçados através da faixa de varredura; manufaturar um DEM de scanner como uma versão gradeada do conjunto de dados de posição em relação ao solo de varredura utilizando os dados de retomo de solo decimados; e, unir a versão gradeada com um DEM regional menos exato porém maior, onde a etapa de unir consiste nas seguintes etapas: inserir o DEM de scanner no regional, permitindo que o "quadro" regional seja de pelo menos 5000 m; inclinar e deslocar do DEM regional para casar com as condições limite do DEM do scanner; e, permitir que o DEM regional preencha quaisquer lacunas internas no DEM do scanner.
6. Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que após os dados do alcance serem transformados nos dados da posição no solo, os dados da posição da aeronave são então adicionados.
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