Особенности активного зондирования покрытых снегом поверхностей в коротковолновом инфракрасном диапазоне

Активное зондирование в оптическом диапазоне электромагнитного спектра широко используется для получения информации о состоянии и изменчивости природных образований и техногенных систем. Лидарные станции наземного, авиационного и космического базирования применяются для мониторинга атмосферы и сбора исходных данных для построения высокодетальных цифровых моделей местности. Зондирование объектов с целью оценки их геометрии во временные периоды, когда исследуемые поверхности оказываются покрыты снегом, сопряжено с рядом трудностей, особенно при использовании лазерных сканеров с длиной волны излучения около 1550 нм (т.е. относящегося к коротковолновому инфракрасному диапазону). В последнем случае малая отражательная способность снежного покрова накладывается на существенную изменчивость его физических свойств [1].
Настоящая работа направлена на получение данных о влиянии геометрии сканирования на возможность оценки положения и размеров объектов, покрытых снегом, при использовании распространенных наземных лазерных сканеров коротковолнового инфракрасного диапазона. В ходе исследования решались задачи планирования и организации натурного эксперимента, предполагающего применение ранее созданной экспериментальной установки для исследования отражательной способности поверхностей разных типов [2], проведения полевых опытов и обработки полученных данных с их интерпретацией.
Экспериментальная установка представляет собой систему пластин из поливинилхлорида, закрепленных на силовом каркасе и ориентируемых под разными углами по отношению к горизонтали, и предназначена для использования совместно с устройствами сканирования и фотофиксации. В опытах задействован сканер Trimble X7, полевой контроллер Trimble T100x и комплект дополнительного оборудования (вехи, мишени и т.п.). Эксперимент поставлен под открытым небом на территории Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения 19.04.2024 г. В каждом из 20 опытов осуществлялось сканирование фрагментов пластин, покрытых и не покрытых снегом. Обработка данных проводилась с помощью свободно распространяемого программного обеспечение Cloud Compare и R.
В результате анализа полученных облаков точек были подтверждены выводы, сделанные ранее на основе выборки экспериментальных данных меньшего объема [2]. Для свежевыпавшего снега (покрова естественного сложения) зарегистрирована малая отражательная способность на длине волны 1550 нм (нормированная интенсивность отраженного сигнала составляет не более 0,14 при расстоянии от сканера до сканируемой поверхности 3 м), а также форма индикатрисы, указывающая на преобладание диффузного рассеяния. Последнее дает возможность сканировать заснеженные поверхности под разными углами (существенное отклонение угла падения лазерного луча на участок поверхности снега от нормали практически не затрудняет координирование). Как было выявлено, сканирование с помощью указанного прибора в режиме высокой чувствительности и максимального разрешения позволяет надежно оценивать расстояние до фрагментов поверхности снега на дистанциях до 20 м.