Я геодезист, коллеги из КРОК попросили меня рассказать про то, как мы переделываем дроны, как программируем полёт и как всё потом обрабатываем, превращая снимки, полученные с беспилотника, в детальные ортофотопланы, высокоточные трёхмерные модели местности и топографические планы масштабов 1:500–1:10 000.
Мы с командой попробовали несколько разных дронов и в итоге остановились на «рабочей лошадке» DJI Phantom 4 PRO с несколькими модификациями. Первое и главное, что мы с ним сделали, - это оснастили его геодезическим GNSS-приёмником, который позволяет определять центры фотографирования с сантиметровой точностью.
Стандартный его GPS обеспечивал точность порядка 15–20 метров. Для решения геодезических задач при такой точности нужны либо специальные кресты на земле, либо ещё какое-нибудь извращение вроде раскладывания бумажных тарелок по известным координатам.
Мы делаем и проще, и сложнее: ставим наземную базовую станцию с точно известными координатами, и интегрируем в дрон дополнительный GNSS-приемник и устанавливаем внешнюю антенну. Например, начинали мы с MATRICE 600 c установленной на борту D-RTK системой фирмы DJI, которая была очень громоздкой, дорогой и не удобной для решения геодезических задач.
Потом мы переделали более компактный DJI PHANTOM 4 PRO: удалось интегрировать дополнительное GNSS-оборудование в стандартный корпус. Общая масса беспилотника увеличилась примерно на 100 граммов. Время полёта немного пострадало, но некритично: набора из четырёх батарей хватает для выполнения съемки площадью 200–300 Га.
Фантом дал одну важную возможность - основной набор стал умещаться в ручную кладь пассажирского самолёта. То есть мы можем теперь возить весь комплект оборудования с собой куда угодно очень и очень просто.
Минимальный набор - модифицированный дрон (весь его комплект), геодезический GNSS -приёмник в качестве наземной базовой станции, ноутбук с программой планирования полётов, скачанной картой (для работы без Интернета) и прописанным под точку планом полётов, если была такая возможность заранее. Ещё нужны дополнительные батареи, зарядное устройство (или несколько) и генератор. Мы берём бензиновый генератор, который выполнен в виде кейса, он очень удобен для наших нужд. Либо инвертор для питания от двигателя автомобиля. Для некоторых регионов надо брать ещё обогрев (в частности, для аккумуляторов и рук).
С одного аккумулятора можно отснять 50 Га с разрешением 2–5 сантиметров на пиксель.
Работаем так: приезжаем на место с подробно прописанным заранее (в офисе) заданием для дрона. Мы используем UgCS (это профессиональный довольно дорогой софт для планирования полётов дронов, который в России продаёт и консультирует по интеграции и доработкам КРОК. Конечно, такой софт применим не только в геодезии, им могут пользоваться спасатели, агрономы, строители и т. п., но в этих областях я не силён, поэтому все вопросы - к коллегам из КРОК). В нём мы указываем границы района работ, поперечное перекрытие, высоту фотографирования, и дальше ПО само рассчитает маршрут полёта дрона с учетом особенностей рельефа местности. То есть UgCS нарезает всё как надо: с промежуточными посадками для замены батарей и остальным.
Смотрим, нет ли каких-то неучтённых препятствий, затем ставим базовую станцию GNSS. Координаты наземных точек уточняются приёмником Topcon GR-5.
Чтобы подключить автопилот из GNSS, мы соединяем дрон с пультом, пульт - с планшетом с управляющей программой DJI, а затем планшет - с ноутбуком. Настроить эту связку с ходу непросто. Тут мне существенно помогли коллеги из КРОК: установить, подогнать, протестить до запуска.
Следующий момент в том, что примерно каждый третий объект находится там, где нет стабильного доступа в Интернет. С этим софт справляется. Но бывают и сложные участки, например, горы, где уже начинаются проблемы с распространением сигнала. Именно поэтому мы используем Фантомы: у них есть множество встроенных датчиков для обхода препятствий. Когда он теряет связь, то возвращается назад. Когда не может вернуться назад, то начинает садиться. И эти датчики помогают летать в сложных условиях, таких, как горная местность или в городе. У нас было несколько случаев, когда датчики препятствий помогли избежать аварийной ситуации. Например, в горах эмирата Фуджейра (ОАЭ) мы потеряли связь с дроном, и из-за ветра беспилотник не смог вернуться на точку взлёта. Тогда автопилот принял решение о посадке и по датчикам препятствия посадил дрон в расщелину между двумя склонами горного массива на сравнительно ровную площадку.
Итог полёта дрона - фотографии вот в этих точках (это софт для обработки уже выделяет их центры):
Данные GNSS-измерений скачиваются по Wi-Fi отдельно после завершения полёта, они хранятся на дроне и не транслируются на землю в реальном времени.
Вот облако точек после классификации. Цветом выделены растительность, опоры, провода ЛЭП, здания и сооружения:
А это уже 3D-модель по этому облаку:
На этом коттеджном посёлке задание было простым: 5 см на пиксель, простой ландшафт, минимум деревьев, нет наводок. Мы получили ортофотоплан и совместили его с кадастровым планом:
Он может использоваться для межевания, инвентаризации и кадастровой оценки земельных участков, оценки эффективности использования земельных ресурсов, проектирования развития территорий, проектно-изыскательских работ, реконструкции и развития дорожных сетей, мониторинга состояния наземных и подземных коммуникаций, трубопроводов, ЛЭП и т. п., мониторинга земель с целью охраны, экологического мониторинга границ и площадей земель, подверженных изменению, создания трехмерных моделей местности для ГИС.
Почему UgCS? Потому что других вариантов на рынке особо и нет, всё остальное - любительского уровня. Очень удобно, что любой дрон можно выставить на задание, и он просто полетит: поддерживается вся линейка DJI включая Мавики и ещё с десяток популярных в геодезии дронов. Нет привязки к железу вообще. Очень хорошее планирование - из офиса. Нормальное управление с ноутбука джойстиком или CLICK&GO, хорошее геокодирование изображений для Photoscan или Pix4D. На рынке есть альтернативное ПО без необходимости таскать ноутбук, но с куда меньшим количеством возможностей. Ноутбук - это огромное преимущество, но одновременно и проклятие системы: он сильно усложняет командировки. Зимой всё это становится ещё сложнее из-за того, что батареи всей связки мёрзнут, и приходится работать в перчатках (что не очень точно). Но других вариантов пока нет: либо такие неудобства, либо ограниченные возможности.
Вот пример результата трехмерной модели города:
Вот ещё один объект - трехмерная модель карьера:
Вот такая история.
- Какими бывают беспилотники?
- Какой БПЛА подойдет для решения ваших задач?
- Чем отличаются разные типы БПЛА друг от друга?
Возможности применения БПЛА сейчас очень широки: от видеонаблюдения с воздуха и художественных съемок, до инспектирования индустриальных объектов и картографирования. Кроме того, беспилотники часто находят применение при решении нетривиальных задач, таких как наблюдение за дикими животными в естественной среде обитания, исследования вулканов или ледников, проведение поисково-спасательных операций и многих других. БПЛА классифицируются в зависимости от конструкции, которая в свою очередь влияет на их летные характеристики.
На какие характеристики БПЛА стоит обратить внимание при выборе
При выборе наиболее подходящего типа БПЛА, главное определиться какие задачи вы собираетесь решать с помощью беспилотника, что вам нужно: скорость и большой радиус действия или маневренность и точность. Когда принято решение о том, какой тип БПЛА вам подходит, остальные критерии выбора зависят от вида работ, для которых вы приобретаете беспилотник. Давайте рассмотрим несколько основных характеристик, на которые следует обратить внимание если вы планируете купить БПЛА.
Это одна из ключевых характеристик беспилотных летательных аппаратов, именно от нее зависит, какую площадь Вы сможете отснять за один вылет, а значит и экономическая эффективность работ. У моделей одного класса часто указана примерно одинаковая продолжительность полета. Важно понимать, как выполнена данная оценка. Обычно, указывается максимальное время полета при наиболее благоприятных условиях (полный штиль, температура +20 °C). Некоторые компании, чтобы привлечь клиентов, публикуют время полета без полезной нагрузки (камеры). После установки полезной нагрузки, время полета таких БПЛА может сократиться до 50%. Поэтому перед покупкой лучше всего запросить у производителя демонстрацию беспилотника, чтобы точно убедиться, сколько он может находиться в воздухе. Время полета стоит рассматривать вместе с грузоподъемностью и взлетной массой. От грузоподъемности зависит возможность установки различной полезной нагрузки и дополнительного оборудования. Масса аппарата влияет на стабильность БПЛА в воздухе, поэтому, чем он тяжелее, тем стабильнее его траектория и выше качество получаемых снимков.
БПЛА Геоскан летают долго
При создании беспилотников Геоскан наши инженеры стремятся к достижению рекордной длительности полета. Так, квадрокоптер Геоскан 401, не имеющий аналогов в России, может находиться в воздухе до 60 минут. Геоскан 201 – беспилотник самолетного типа, способен летать до 180 минут, снимая до 22 км2 за один вылет.
На беспилотник можно устанавливать разные типы полезной нагрузки: фото или видео камеру, тепловизор, магнитометр, газоанализатор или лазерный сканер. Тип полезной нагрузки, как и тип БПЛА следует выбирать исходя из задач и того, какие данные вы хотите получить. Для топографических, геодезических и землеустроительных работ материалы съемки должны соответствовать нормативной документации. Чтобы достичь нужного качества, необходимо использовать высокоточные ГНСС приемники, снимать на камеры с большой матрицей и центральным затвором. Если не требуется высокая точность, можно использовать менее дорогие модели камер и обойтись без высокоточного навигационного оборудования.
Многие БПЛА могут поставляться с разной полезной нагрузкой, но не все они поддерживают её смену оператором. Если Вы выбираете БПЛА со сменной полезной нагрузкой, убедитесь, что для замены не требуются дополнительные инструменты, а электроника автоматически определяет тип полезной нагрузки и может ей управлять без дополнительной настройки или перепрошивки.
Если Вы выбираете беспилотник для сельского хозяйства, то Вам потребуется камера, способная снимать в ближнем инфракрасном диапазоне. Это нужно для расчета индексов состояния растительности, например NDVI. Еще один популярный тип полезной нагрузки это тепловизор. Он позволяет получать фото и видео изображение в тепловом диапазоне. Это может быть полезно для поиска утечек на теплосетях, определения неисправностей высоковольтных линий или выявления точек сброса сточных вод.
Полезные нагрузки для БПЛА Геоскан
Для БПЛА Геоскан представлен ряд полезных нагрузок, способных решать множество задач. Это и камеры для съемки в видимом диапазоне, и мультиспектральные камеры, и гиростабилизированные платформы с видеокамерой или тепловизором, и специальные решения для съемки панорам, и даже FullHD видеоканал. Если вы не найдете у нас подходящей полезной нагрузки, то мы всегда готовы сконструировать и изготовить её специально для вас.
Очень важно, чтобы БПЛА был надежен, портативен и не требовал длительной подготовки к старту. Надежность прежде всего определяется используемыми материалами. Они должны быть легкими и достаточно прочными, чтобы выдержать полетные нагрузки и, что важнее - нагрузки во время приземления.
Композитные материалы обеспечивают необходимую жесткость и прочность, но могут быть недостаточно гибкими и устойчивыми к ударным нагрузкам. Полимерные материалы способны выдерживать удары, не ломаться при деформации и сохранять форму, но не способны обеспечить жесткость конструкции.Поэтому наиболее оптимальным является совместное использование полимеров и композитных материалов.
Портативность БПЛА достигается такими решениями, как складная рама или модульная конструкция. Удобнее всего те беспилотники, которые можно поместить в прочный транспортировочный кейс и перевозить в багажнике автомобиля. Время подготовки беспилотника к полету одним оператором не должно превышать нескольких минут.
БПЛА Геоскан надежны
Мы первыми в России создали серию со съемными крыльями из вспененного полипропилена. Это делает их ударостойкими при посадках и упрощает ремонт в полевых условиях. Легкая и жесткая рама квадрокоптера сделана из углепластика. Она способна выдержать серьезные нагрузки и жесткие условия эксплуатации. При этом особый механизм сложения позволяет достичь максимальной компактности при транспортировке.
У БПЛА самолетного типа существует два способа старта - с рук и с катапульты, и два способа посадки - с парашютом и на корпус. Запуск с катапульты справедливо считается самым безопасным для оператора, а посадка на парашюте самой щадящей для беспилотника. У БПЛА мультироторного типа главной особенностью является вертикальный взлет и посадка. Это позволяет им взлетать и садиться, используя любую относительно ровную поверхность.
Безопасность оператора, людей и имущества, над которыми выполняются полеты, должна учитываться при выборе БПЛА. Лучше всего выбирать беспилотники с продуманным руководством по применению и встроенными функциями обеспечения безопасности. Среди таких функций можно назвать систему оповещения об уровне заряда батареи и качестве радиосвязи, автоматическую проверку полетного задания на выполнимость и автоматический возврат в точку старта при потере связи или критическом разряде батареи.
Еще одна важная функция, это возможность задать максимальное удаление от точки старта. Она позволяет создать виртуальный периметр, за который БПЛА не сможет вылететь. Это обеспечит безопасность имущества и людей на территориях, прилегающих к месту съемок. Наличие функций обеспечения безопасности позволит значительно снизить риски при эксплуатации беспилотных летательных аппаратов.
БПЛА Геоскан безопасны и удобны
Все самолетные беспилотники Геоскан взлетают с катапульты и садятся на парашюте, обеспечивая безопасность оператора и сохранность БПЛА. Наш автопилот и наземная станция управления поддерживают перечисленные выше функции обеспечения отказоустойчивости. Это все делает БПЛА Геоскан одними из самых безопасных и удобных для использования.
Еще одна важная характеристика БПЛА это погодные условия, при которых можно выполнять полеты, а также, получать качественные результаты съемки. Скорость ветра, осадки и температура воздуха могут значительно ограничить ваши возможности, если купленный беспилотник рассчитан только на полеты в условиях близких к идеальным.
Для серьезной работы следует выбирать профессиональную технику, предназначенную для применения в широком диапазоне температур и способную выдерживать значительную скорость ветра.
А если вы планируете использовать беспилотник в суровых условиях, например, высоко в горах, при очень низких или высоких температурах, то, скорее всего вам понадобится специально адаптированная под эти условия модель БПЛА.
Где могут летать БПЛА Геоскан
Наша техника рассчитана на работу при температуре от -20 °С до +40 °С. Максимальная скорость ветра, при которой можно летать: 12м/с. Именно поэтому, у нас за плечами по всей России, а также в Монголии, Казахстане, Греции и Мексике.
Важнейшей частью БПЛА является наземная станция управления (НСУ). Её функциональность во многом определяет возможности самого беспилотника.
В первую очередь НСУ должна предоставлять удобные инструменты для создания полетного задания. Маршрут полета для аэрофотосъемки должен создаваться автоматически, для указанной пользователем области съемки. Кроме того, должна быть возможность задать требуемое разрешение и процент перекрытия снимков, скорость полета и точку посадки. Если НСУ не обладает таким функционалом, нормально выполнить аэрофотосъемку будет практически невозможно.
Между тем, наземная станция управления нужна не только для создания полетного задания, но и для контроля БПЛА во время полета. С помощью НСУ оператор может следить за выполнением полетного задания, воспользоваться возможностью полета по заданным точкам или управлять полезной нагрузкой, а при необходимости отменить миссию. Кроме того, многие БПЛА для видеонаблюдения транслируют изображение камеры на экран НСУ в реальном времени.
НСУ Геоскан
С НСУ Геоскан вы сможете контролировать пространственное разрешение снимков, процент перекрытия, скорость полета и другие важные параметры съемки. Система автоматически проверит созданный план полета на выполнимость, и если нужно, предложит разделить его на несколько частей. Также, вы сможете видеть положение, траекторию и телеметрию БПЛА в реальном времени и полностью контролировать его на всех стадиях полета.
Даже самые детальные и качественные аэрофотоснимки останутся всего лишь красивыми изображениями без фотограмметрической обработки. Чтобы получить цифровую модель рельефа, 3D облако точек и ортофотоплан, вам понадобится специализированное программное обеспечение. Существуют различные программные продукты для работы с материалами съемки с БПЛА, все они предоставляют примерно одинаковый набор выходных данных. Однако скорость обработки и качество результатов может значительно отличаться. Чтобы избежать разочарования от ортофотоплана неудовлетворительного вида и грубой 3D модели, лучше использовать проверенное, хорошо зарекомендовавшее себя программное обеспечение.
Для точного определения пространственного положения снимков, используются координаты центров фотографирования, записанные навигационным оборудованием БПЛА. Поэтому стоит обратить внимание, поддерживает ли фотограмметрическое ПО импорт этих данных с вашего беспилотника. Идеальный вариант, это когда БПЛА и ПО для фотограмметрической обработки изначально создавались для совместной работы и интегрированы в единый рабочий процесс.
ПО Геоскан
В комплект поставки БПЛА Геоскан входит программа профессиональной фотограмметрической обработки снимков и создания 3D моделей . Кроме того, мы предлагаем трехмерную для анализа и визуализации полученных данных. Не нужно быть экспертом в ГИС и фотограмметрии, чтобы пользоваться комплексами Геоскан. Наш софт возьмет все сложности обработки на себя, предоставив вам удобные инструменты измерения и анализа.
Немаловажным фактором при выборе БПЛА является его цена. Естественно, что более привлекательными кажутся модели, цена которых ниже. Но не стоит рассматривать стоимость беспилотника отдельно от перечисленных выше характеристик.
Следует обратить особое внимание на то, что именно вы получаете за ваши деньги. Предлагает ли производитель обучение, техническую поддержку и гарантию? Входит ли фотограмметрическое ПО в комплект, или его придется покупать отдельно?
Помните также и о затратах на эксплуатацию и ремонт. С этой точки зрения выгоднее приобретать модульные аппараты, поскольку заменить или отремонтировать отдельную его часть достаточно просто и недорого. В случае цельнокорпусного решения придется отправлять на ремонт весь БПЛА, что повлечет за собой дополнительные расходы.
Сравнивая цены на беспилотники, стоит сравнить их ремонтопригодность, наличие запчастей и заявленный ресурс комплектующих. Если невозможно выполнить мелкий ремонт своими силами прямо в поле, то небольшая поломка может сорвать съемочный день. А это невыполненная работа и потеря денег из-за простоя оборудования.
Что входит в стоимость комплексов Геоскан
Покупая у нас съемочный комплекс, вы получаете все, что нужно для аэросъемки: БПЛА, НСУ, кейсы, зарядное устройство, набор ЗИП, ПО. В стоимость комплекса также входит индивидуальное обучение работе с БПЛА и софтом фотограмметрической обработки, после которого сотрудник сможет сразу приступать к работе. На все поставки действует гарантия
Заключение
Для того чтобы выбрать беспилотник, который окупится и принесет прибыль, убедитесь в качестве получаемых результатов, надежности и производительности. Идеальный БПЛА должен быть простым в использовании, портативным и обеспечивать быструю подготовку к старту. Он должен предлагать выбор нескольких видов полезных нагрузок, обладать интуитивно понятным управлением и обеспечивать интеграцию с профессиональным фотограмметрическим программным обеспечением.
УДК: 528.71 А.С. Костюк
Западно-Сибирскй филиал «Госземкадастрсъемка» - ВИСХАГИ, Омск
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ОЦЕНКА КАЧЕСТВА АЭРОФОТОСЪЕМКИ С БПЛА
В статье рассмотрены особенности расчета параметров аэрофотосъемки с малых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Изложен способ оперативной оценки качества аэрофотосъемки с БПЛА.
West-Siberian branch «Goszemkadastrsyomka» - VISHAGI 4 Prospect Mira, Omsk, 644080, Russian Federation
CALCULATION OF THE PARAMETERS AND EVALUATION OF QUALITY WITH UAV AERIAL PHOTOGRAPHY
The article describes the features of calculation of parameters from aerial surveys of small unmanned aerial vehicles (UAVs). Described method for rapid assessment of the quality of aerial photography from unmanned aircraft.
Проведение работ по инвентаризации земель и объектов недвижимости, подготовка документов для постановки на государственный кадастровый учёт и государственная регистрация прав подразумевает выполнение комплекса картографо-геодезических, землеустроительных и кадастровых работ. Для поддержания информации на современном уровне необходим системный мониторинг. Для локального обновления картографического материала интенсивно используемых земель целесообразно использовать беспилотно-пилотируемые летательные аппараты. В Западно-Сибирском филиале предприятия “Госземкадастрсъемка” - ВИСХАГИ разработано несколько летательных аппаратов и все они попадают в весовую категорию до 3,5 кг.
Несмотря на всю простоту любительской съемки с БПЛА, при проведении аэрофотосъемочных работ для целей картографирования возникает ряд проблем, связанных с выбором фотокамеры, устанавливаемой на летательный аппарат, расчетом параметров аэрофотосъемки и оперативной оценке качества материалов аэрофотосъемки.
Выбор фотокамер для целей аэрофотосъемки основан на анализе следующих характеристик: разрешающей способности снимков, физическом размере матрицы, величине угла захвата, веса камеры и её стоимости. Нами была разработана методика присвоения оценочных баллов по каждой характеристике фотоаппарата. Лучшим фотоаппаратом считался фотоаппарат, набравший большую сумму балов. Было исследовано более десяти цифровых камер подходящих для установки на БПЛА из модельного ряда весовой категории до 3,5 кг.
По результатам исследования, наилучшими для целей аэрофотосъемки признаны камеры Canon IXUS-980IS, Pentax Optio-A30 и Sony DSC-W300, их основные характеристики представлены в табл. 1.
Таблица 1 Основные характеристики выбранных фотокамер
Название фотокамеры Длина матрицы, пкс Ширина матрицы, пкс Размер матрицы, " f экв 35 мм кадру, мм Вес, г
Canon IXUS-980IS 4416 3312 1/1.7 36.0 160
Sony DSC-W300 4224 3168 1/1.7 35.0 156
Pentax OptioA30 3648 2736 1/1.8 38.0 150
В настоящее время на беспилотных летательных аппаратах ЗападноСибирского филиала “Госземкадастрсъемка” - ВИСХАГИ установлена фотокамера Pentax Optio-A30. Камера хорошо показала себя во время производственной и экспериментальной аэрофотосъемки. Постоянно развивающаяся технология аэрофотосъемки с БПЛА требует приобретения новых фотокамер и совершенствования методики их выбора.
Расчет параметров аэрофотосъемки изложен в соответствующих нормативных документах. Аэрофотосъемка с малых беспилотных летательных аппаратов имеет ряд особенностей. Превышение допустимых углов наклона снимков, несоблюдение прямолинейности траектории полета, для обеспечения необходимого перекрытия между снимками высокая частота фотографирования и как следствие избыток кадров. Нами была разработана методика расчета следующих параметров аэрофотосъемки с БПЛА: высоты фотографирования, расстояния между маршрутами и между центрами фотографирования на маршруте.
Высота аэрофотосъемки зависит от масштаба создаваемого фотоплана. Величина крайнего пикселя снимка на местности не должна превышать 0.07 мм в масштабе создаваемого фотоплана. Например при создании фотоплана
масштаба 1: 2000 величина пикселя на местности d не должна превышать 0.14 м. Расчет разрешающей способности снимка следует производить для пикселей наиболее удаленных от центра кадра. Схема связи размера крайнего пикселя снимка с местностью показана на рисунке.
На рисунке: f - фокусное расстояние камеры в эквиваленте для 35 мм кадра;
L - длина половины диагонали матрицы, для 35 мм кадра она составит 21.6 мм;
H - высота фотографирования во время АФС;
Рис. 1. Связь размера пикселя снимка с местностью
D - длина половины диагонали снимка на местности.
Из рисунка следует:
d ■ cos(у-Р)
S = ; ; (1) sin у
Hmx = S ■ cos Р; (2)
Расчет максимально допустимой высоты аэрофотосъемки выполняется по формуле (2), где угол в зависит от индивидуальных параметров используемой фотокамеры и может быть рассчитан исходя из величины фокусного расстояния эквивалентного 35 мм кадру.
В зависимости от точности GPS навигации и особенностей пилотирования БПЛА могут быть достигнуты следующие параметры выдерживания самолета на маршруте:
Поперечное смещение от оси маршрута ± 10 м;
Удержание БПЛА на запроектированной высоте ± 15 м;
Расстояние от запроектированного центра фотографирования до точки срабатывания затвора фотоаппарата ± 5 м;
Изменение угла крена БПЛА на маршруте между двумя снимками
Изменение угла тангажа БПЛА на маршруте между двумя снимками
Приведенные параметры полета БПЛА были получены в результате постобработки множества материалов производственной и экспериментальной аэрофотосъемки.
Для расчета расстояния между маршрутами обеспечивающего 30 % поперечное перекрытие при идеальных условиях по формуле (3) вычисляется половина поперечного угла захвата камеры, где Ln^epen - половина ширины 35 мм пленки и составляет 12 мм:
р" = arcctg (------); (3)
Высота полета с учетом погрешности барометрического датчика рассчитывается по формуле (4):
H = H - 20 м (4)
пол max ? V /
Половина ширины захвата местности камерой вычисляется по формуле (5):
D = Hпол ■ tgP"; (5)
Расстояние между маршрутами в идеальных условиях рассчитывается по формуле (6):
где к = 0,7, для обеспечения 30 % поперечного перекрытия снимков.
Для обеспечения надежного сплошного покрытия земной поверхности снимками необходимо учесть максимальные отклонения БПЛА от запроектированного маршрута. Минимальное значение половины ширины захвата местности во время аэрофотосъемки с учетом совокупности погрешностей навигационных данных и пилотирования летательного аппарата вычисляется по формуле (7):
Рш1п = (Нпоп -15м) щ(0- 5°) -10м; (7)
Предельное отклонение между двумя маршрутами составит:
8Р = 2 (Р - Этп); (8)
Расстояние между маршрутами с учетом поперечного смешения БПЛА относительно оси маршрута, удерживания высоты полета и углов наклона камеры, вычисляется по формуле (9):
К = К - §Р ■ (9)
попереч ид? V /
По формулам (1)-(9) вычисляется высота полета БПЛА для выбранных фотоаппаратов и расстояние между маршрутами при создании фотопланов масштаба 1: 2 000. Полученные данные представлены в табл. 2.
Таблица 2 Расчет высоты фотографирования и расстояния между
маршрутами
Название фотокамеры Hmax, м ^ м м Dmin, м м o" Ô Rпопереч, м
Canon IXUS-980IS 520 500 233 106 122 112
Sony DSC-W300 484 464 223 101 116 107
Pentax 0ptio-A30 467 447 198 86 110 87
Расстояние между центрами фотографирования на маршруте рассчитывается по аналогии с расстоянием между маршрутами. По формуле (3) вычисляется половина продольного угла захвата камеры, где L - половина длины 35 мм пленки и составляет 18 мм. Расстояние между центрами фотографирования в идеальных условиях рассчитывается по формуле (6), для обеспечения 60% продольного перекрытия снимков коэффициент к будет равен 0,4. По формуле (7) вычисляется минимальное значение половины длины захвата местности во время АФС. Предельное отклонение расстояния между снимками от рассчитанного вычисляется по формуле (8). Расстояние между центрами фотографирования с учетом погрешности навигационных координат, удерживания высоты полета и углов наклона камеры, рассчитывается по формуле (10):
Результаты полученные в ходе вычисления расстояния между центрами фотографирования вдоль маршрута приведены в табл. 3.
Таблица 3 Расчет расстояния между центрами фотографирования
Название фотокамеры ^ м Dmin, м SD, м Rпрод, м
Canon IXUS-980IS 200 207 87 113
Pentax 0ptio-A30 191 197 83 108
Sony DSC-W300 169 173 78 91
По данным табл. 2 и 3 на примере фотоаппарата Сапоп 1ХШ-98018 составлена карточка параметров аэрофотосъемки с БПЛА для целей получения фотоплана масштаба 1: 2 000._________________________________
Карточка параметров АФС с БПЛА для целей картографирования
Фотокамера: Canon IXUS-980IS
Масштаб АФС: 1: 2 000
Высота полета при АФС: 500 м
Расстояние между маршрутам: ll0 м
Расстояние между центрами фотографирования на маршруте: ll0 м
Допустимое отклонение от оси маршрута: ± l0 м
Допустимое отклонение от запроектированной высоты АФС: ± l5 м
Расстояние срабатывания затвора фотоаппарата от намеченных центров фотографирования вдоль оси маршрута: ± 5 м
Допустимое изменение угла крена БПЛА на маршруте между двумя снимками: 10о
Допустимое изменение угла тангажа БПЛА на маршруте между двумя снимками: 60
Расчет параметров аэрофотосъемки очень важный этап подготовительных работ. Правильно рассчитанные параметры полета позволяют увеличить площадь покрываемую аэрофотосъемкой за один полет и повысить качество материалов аэрофотосъемки.
Для оперативной оценки качества выполнения аэрофотосъемки на нашем предприятии было разработано и внедрено в производство программное обеспечение в виде приложения *.тЬх на базе Маріпіо. Программа позволяет проектировать маршруты согласно рассчитанным параметрам аэрофотосъемки. По полученным данным с борта летательного аппарата в реальном времени строится фактическая траектория полета. В момент прохождения БПЛА над точкой запроектированного центра фотографирования в автоматическом, либо ручном режиме подается команда на срабатывание затвора камеры. По высоте летательного аппарата и его
ориентации в пространстве в момент фотографирования строится условная рамка снимка, по которым можно оперативно оценить покрытие заданной территории аэрофотосъемкой, и, при необходимости, принять решение о повторном прохождении над проблемными участками.
Разработанная методика проектирования аэрофотосъемки с БПЛА позволила существенно сократить время выполнения аэрофотосъемочных работ и повысить качество материалов.
Если у вас стоит задача по оперативному картографированию, съемке газопроводов, нефтепроводов или ЛЭП для определения их состояния - наши специалисты быстро и в оговоренный срок выполнят для вас эту работу в любом месте Российской Федерации. На наших беспилотных самолетах установлена высококачественная зеркальная фотокамера с разрешением 24 мегапикселей, тепловизор с разрешением 640*480 пикселей и видеокамера с HD разрешением с десятикратным зумом, которые позволяют выполнять плановую и перспективную аэрофотосъемку. Для выполнения работ наша организация заключает с Заказчиком договор на оказание услуг по аэрофотосъемке. Для работ высокой точности на БПЛА установлен двухчастотный GPS/ГЛОНАСС - приёмник, использующий большинство передовых GPS/ГЛОНАСС - технологий, и способный следить за спутниками даже при затрудненных условиях окружающей среды.
И, конечно же, мы готовы обработать полученные материалы для подготовки фотоплана, фотосхемы или выполнить дешифрование.
Пример ортофотоплана площадью 14км*14км, снято с высоты 1.5 км с БПЛА Supercam-350 за один день
Сущность аэрофотосъемки
Аэрофотосъемка местности - это комплекс работ, включающий различные процессы от фотографирования земной поверхности с летящего самолета до получения аэрофотоснимков, фотосхем или фотопланов снятой местности. В него входят:
1. подготовительные мероприятия, заключающиеся в изучении местности, которая подлежит фотографированию, подготовке карт, проектировании маршрутов полетов самолета и в производстве расчета элементов аэрофотосъемки;
2. собственно летно-съемочные работы или фотографирование земной поверхности при помощи аэрофотоаппаратов;
3. фотолабораторные работы по проявлению снятой пленки и изготовлению позитивов;
4. геодезические работы по созданию на местности геодезической основы, которая необходима для исправления искажений аэроснимков, возникших в процессе аэрофотосъемки, привязки аэроснимков и для составления фотосхем и фотопланов;
5. фотограмметрические работы, которые проводятся как в полевом, так и камеральном периодах, и связаны с обработкой аэрофотоснимков для составления планов и карт снятой местности.
Все эти процессы тесно связаны один с другим и отчасти взаимно перекрываются. Аэрофотосъемка каждого объекта должна выполняться одной и той же организацией от начала до сдачи окончательной продукции. В результате проведения этих работ изготовляются контактные отпечатки, репродукции с накидного монтажа аэрофотоснимков, фотосхемы или фотопланы, составленные по данным геодезической основы. Все эти аэрофотосъемочные материалы используются в дальнейшем для решения целого ряда вопросов в области лесного хозяйства и лесной промышленности.
История аэрофотосъемки местности
Беспилотная аэрофотосъемка, как, впрочем, и сама история, развивается по спирали: в 1858 выполняя полет на воздушном шаре над Парижем, Гаспар Феликс Турнашон сделал первый в мире аэрофотоснимок, а уже в 1887 году французский фотограф Артур Батут разработал и выполнил первую беспилотную аэрофотосъёмку с помощью воздушного змея. Затем в аэрофотосъемке бурно развились идеи беспилотной авиации, что вылилось в запатентованный «Способ и средства для фотографирования пейзажей сверху» с помощью почтовых голубей немецкого аптекаря Юлиуса Нойброннера. Причем этот метод действительно широко применялся во время Первой Мировой войны. И только 24 апреля 1909 г. случилось "Первое использование кинокамеры, вмонтированной в летательный аппарат тяжелее воздуха" при съёмках короткометражного немого киноролика «Уилбур Райт и его самолёт». В настоящее время аэрофотосъемка делает очередной виток своей истории, становясь опять беспилотной.
Плановая и перспективная беспилотная аэрофотосъемка местности
При плановой съемке камера направлена вертикально вниз, под прямым углом к поверхности земли. На снимках мы видим плоскую картину (ортогональная проекция), напоминающую изображение на географических картах. При этом виде аэрофотосъемки мы можем определить взаиморасположение объектов на плоскости без учета их высот. При фотографировании объектов недвижимости мы можем видеть те части сооружений, которые направлены вверх (крыши). Такой вид съемки в основном используется для создания фотопланов. Аналогичный продукт может быть получен с использованием спутниковой и традиционной аэрофотосъемки.
При перспективной (обзорной) съемке камера направлена под углом к горизонту. Такой вид съемки невозможен для спутников и традиционной "большой авиации". При перспективной аэрофотосъемке на снимках мы видим объемную картину (аксонометрическая проекция): не только крыши сооружений, но и боковые поверхности (стены). Таким образом, мы можем судить не только о взаиморасположении объектов на плоскости, но и об их форме. Кроме того, при перспективной съемке мы можем определить высоту объектов относительно друг друга. При определенных углах перспективной съемки в кадре может присутствовать линия горизонта. В этом случае мы получаем возможность увидеть на одном снимке то, как участок или сооружение вписаны в окружающий ландшафт и их взаиморасположение с отдаленными объектами (дальние объекты, леса, водоемы, населенные пункты). На основе нескольких перспективных снимков, сделанных с поворотом камеры вокруг вертикальной оси, могут быть собраны панорамные снимки, включая полные 360-градусные круговые панорамы. Создание аэрофотопанорам возможно только при использовании специально оборудованного дистанционно управляемого вертолета, способного надолго зависать на определенной высоте, пока проводится съемка смежных кадров.
Этапы аэрофотосъемочных работ
Опыт, накопленный в области применения аэрометодов при изысканиях, показывает их исключительную эффективность по сравнению с традиционными методами сбора информации как в части значительного снижения трудоёмкости и сокращения сроков изысканий, так и в части широты охвата различных видов информации, необходимой для проектирования. Аэроизыскания выполняют в три этапа: подготовительный, полевой и камеральный.
В подготовительный период осуществляется сбор имеющейся на район изысканий топографической информации и материалов аэросъёмок прошлых лет, на основании которых обосновывают полосу варьирования конкурентоспособных вариантов трассы и составляют проект производства аэросъёмочных, полевых и камеральных аэрофотогеодезических работ.
В полевой период производят: наземные геодезические работы по созданию планово-высотного обоснования аэросъёмок; закрепление и маркировку точек опорной сети; различные виды аэросъёмочных работ, привязку и дешифрирование аэрофотоснимков. Важным видом аэрогеодезических изысканий является дешифрирование - выявление (обнаружение и опознавание) и раскрытие содержания (познания) различных объектов и элементов местности по их изображениям на снимках, их качественных и количественных характеристик, своеобразных свойств и особенностей.
В камеральный период выполняют полную обработку результатов геодезических измерений, фотограмметрическое сгущение геодезического съёмочного обоснования методами аналитической фототриангуляции, стереофотограмметрические работы по получению информации о рельефе и изготовлению топографических планов и цифровых моделей местности (ЦММ) в единой системе координат.
Оборудование для беспилотной аэрофотосъемки
Как правило, современные операторы беспилотных самолетов используют в своей ежедневной работе небольшой, размахом до 3 м, беспилотный самолет с обычной, бытовой или студийной, фотокамерой на основе ПЗС матрицы. Наиболее популярны "мыльницы" Samsung, Sony, Pentax. Фотографии с таких устройств годятся в целом для составления планов и схем. Аэрофотоснимки значительно более высокого качества дают зеркальные фотоаппараты - здесь лидерами и стандартом являются Canon 550D и его старший товарищ Canon 5D Mark II. При этом, конечно же, находят применение и большие многообъективные системы.
Летно-съемочные работы, выполняемые фотоаппаратом на основе матричного сенсора (ПЗС - матрица), больше напоминают традиционный аналоговый метод аэрофотосъёмки, когда все элементы матрицы одновременно экспонируются. В этом методе внутрипиксельная геометрия известна и строго определена. В матричной технологии в настоящее время проблема в том, что большие матричные решётки сложны в изготовлении. Поэтому комбинируют: делают большие по площади решётки из нескольких маленьких по площади. Например, из четырёх. Четырех-линзовый объектив формирует четыре отдельных изображения, которые трансформируют в центральную проекцию и автоматически стыкуют. Такие снимки обрабатываются по существующим программам аналитической обработки.
Второй главной частью, причем не менее важной, является система определения положения БПЛА/фотокамеры в пространстве. В простейшем случае это обычный малогабаритный GPS приемник с антенной, например Ublox. В настоящее время Российские производители комплексов с БЛА практически повсеместно переходят на приемники сигналов систем спутникового позиционирования совмещенного типа GPS/Глонасс. К сожалению, и они не могут обеспечить требуемую точность. Поэтому в более дорогих и серьезных аппаратах устанавливается дополнительный высокоточный приемник GPS, который позволяет при постобработке сырых данных определить координаты центра снимка с точностью до 5-10 см.
А если этот приемник использовать вместе с наземными базовыми GPS станциями, то точность привязки кадров к координатам вырастет до ошеломляющих!!! 5 см. Для выполнения съемки создаются базовые GPS-станции, данные которых используются для вычисления дифференциальных поправок при определении траектории летательного аппарата. Для определения траектории летательного аппарата и уточнения угловых данных инерциальной системы применяется метод совместной обработки GPS-данных и данных инерциальной системы. Привязка снимков к координатам, как правило, выполняется при помощи программ, написанных специально под конкретный тип приемника и БЛА. Применение такого метода расчета повышает точность определения как угловых параметров, так и местоположения.
Точность GPS/Глонасс навигации и особенности систем автоматического управления БПЛА позволяют достигать следующих параметров при полете по маршруту аэрофотосъемки:
Поперечное смещение от оси маршрута — ± 10 м;
удержание БПЛА на заданной высоте — ± 15 м;
расстояние от запроектированного центра фотографирования до точки срабатывания затвора фотоаппарата — ± 5 м;
изменение угла крена БПЛА на маршруте между двумя снимками — 10°;
изменение угла тангажа БПЛА на маршруте между двумя снимками — 6°.
Технология
Результатом цифровой аэрофотосъёмки местности являются цифровые аэрофотоснимки, а также зафиксированные в полете элементы внешнего ориентирования (линейные - Xs, Ys, Zs - координаты центра фотографирования; угловые - α, β, γ - ориентирование камеры относительно осей координат).
В соответствии с законами центрального проектирования, по которым строится изображение местности, аэронегатив (аэроснимок) содержит ряд искажений, величины которых определяются углом наклона оптической оси аэрофотоаппарата и колебанием рельефа местности. Устранение этих искажений осуществляется в процессе их компьютерной фотограмметрической обработки, и в частности - фотографического или цифрового преобразования, называемого трансформированием. В связи с этим использование аэроснимков без их предварительного трансформирования для картографического (топографического) обеспечения выполняемых работ, в том числе в качестве основы ГИС, ограничивается влиянием указанных искажений.
Показания специальных приборов и оборудования, зафиксированные в процессе аэрофотосъемки, обеспечивают стабилизацию съемочной камеры в полете или последующее определение по ним пространственного положения аэроснимков в абсолютной или относительной системе координат с целью последующего их использования при выполнении фотограмметрических работ и преобразовании аэроснимков в планы и карты. К числу таких приборов относят гироскопы, системы глобального позиционирования, оборудование для определения высоты полета, превышений между центрами фотографирования, а также аэронавигационные системы и др. Наличие указанных данных во многом определяет технологию камеральной обработки материалов аэрофотосъемки, существенно влияет на оперативность, точность фотограмметрических построений и объемы полевых работ по их обеспечению.
Прокладка маршрута
Аэрофотосъемка бывает площадная и линейная, в площадной съемке кроме продольного перекрытия снимков еще необходимо соблюдать и поперечное перекрытие. Исходными параметрами фотосъемки при помощи беспилотника являются требуемое разрешение снимка, разрешение аэрофотоаппарата, угол зрения объектива камеры, величина перекрытия кадров. Из этих данных рассчитывается высота полета, скорость беспилотника и частота срабатывания затвора фотокамеры.
Полет и фотографирование
Во время полета беспилотник в автоматическом режиме рассчитывает свою скорость и частоту срабатывания затвора (скорость кадров) так, чтобы обеспечить заданное перекрытие кадров. Перекрытие снимков с БПЛА отвечает обычным требованиям для аэрофотосъемки и составляет, как правило, 60% кадра. Снимки с БПЛА перекрываются на 60% в продольном перекрытии и на 30% в поперечном перекрытии.
Оперативный просмотр результатов аэрофотосъемки местности. В результате полета формируются набор фотографий и данные телеметрии, которые включают в себя координаты центра фотографирования, а также углы крена, тангажа и курса.
Этапы обработки аэрофотоснимков в фотограмметрическом ПО
1) Создание проекта (имя, система координат, диапазон высот объекта, размещение в системе ресурсов);
3) Импорт ориентирования из метаданных;
4) Внутренне ориентирование (Создание паспорта камеры);
5) Импорт внешнего ориентирования;
6) Формирование накидного монтажа по внешнему ориентированию;
7) Измерение сети (Автомат триангуляции БПЛА, автомат связующих точек с заданными параметрами, измерение опорного обоснования), контроль;
8) Уравнивание сети (вычисление систематики, самокалибровка, контрольные измерения), контроль;
9) Создание ЦМР (облако точек, TIN, структурные линии, матрица высот, горизонтали), контроль;
10) Трансформирование по изображениям, контроль;
11) Работа с ортофотоснимками (порезы, выравнивание яркости, нарезка на листы), контроль;
12) (Опционально) Стереовекторизация для создания 3D карт и 3D моделей;
13) (Опционально) Создание 2D карт.
Существует три вида обработки данных: аффинное преобразование кадров для создания ортофотосхемы равнинных территорий, полное ортотрансформирование кадров для создания ортофотосхемы территорий с выраженным рельефом, полное ортотрансформирование кадров для создания ортофотоплана с выполнением геодезических требований по масштабу.
Аффинное преобразование кадров для создания ортофотосхемы равнинных территорий
Программой определяются общие точки (от 50 до 1200) между каждой парой снимков. После этого решается уравнение, включающее в себя информацию по всем снимкам, для поиска минимума СКО (среднеквадратичного отклонения) между всеми векторами, соединяющими общие точки. Проще говоря, между каждой парой точек натягивается резинка, и все кадры выстраиваются так, чтобы общее натяжение резинок было минимальным. При этом кадр может преобразовываться только афинно, т.е. любая прямая отображается только в прямую.
Ортофотосхемы с беспилотного самолета
Программой определяются общие точки (от 50 до 1200) между каждой парой снимков. После этого решается полное фотограмметрическое уравнение с определением рельефа местности с точностью до 10 пикселей. При этом уточняются координаты центра фотографирования и параметры ориентирования (крен, тангаж, курс).
В соответствии с вычисленными данными проводится ортотрансформирование всех кадров и проецирование результата на плоскость. Привязка к реальным данным проводится по существующим в общедоступных картографических ресурсах данным. Например, по GoogleEarth. Точность этих данных на территории России составляет порядка 6 метров.
Ортофотопланы с БПЛА
Программой определяются общие точки (от 100 до 3000) между каждой парой снимков. После этого решается полное фотограмметрическое уравнение с определением рельефа местности с точностью до 2 пикселей. При этом уточняются координаты центра фотографирования и параметры ориентирования (крен, тангаж, курс) с высокой точностью.
В соответствии с вычисленными данными проводится ортотрансформирование всех кадров и проецирование результата на плоскость. Привязка к реальным данным проводится по результатам наземного обоснования, включающего в себя не менее одной точки на каждые 10 кадров или не менее 10 точек на один ортофотоплан. Половина этих точек используется для привязки, вторая половина для подтверждения требований точности. Точность формирования рельефа при этом соответствует требованиям соответствующего масштаба.
Результатом работы являются файлы формата geotiff с точностью, соответствующей заданному масштабу. Формат geotiff включает в себя два файла - ортотрансформированную аэрофотосъемку и цифровую модель рельефа (DEM - digital elevation model), которые можно открыть в любой ГИС программе, например ArcGis или GlobalMapper. По включенной DEM можно сформировать изолинии рельефа с любым перепадом высот.
3D модель рельефа местности
По результатам аэрофотосъемки выполняется восстановление рельефа по фотографиям с БПЛА. Совместно с DEM возможно выдать рельеф по изолиниям с требуемой точностью. Стандартный формат - векторные линии формата ArcGis, которые импортируются в любую картографическую систему.
Специалисты компании могут выдать результат практически в любом требуемом формате. Для этого нужно указать программу, в которой предполагается использовать результат.
Также возможно осуществить переход в местную систему координат из WGS. При выполнении наземного обоснования мы можем выполнить съемку координат на опознаках ГГС (государственной геодезической сети), тогда работа может сразу выполняться в местной системе координат без преобразования и соответствующей потери точности.
Данные съёмки с БПЛА, показанные на этой странице, предоставлены . Технология обработки материалов съемки в ПО Agisoft PhotoScan предоставлена ООО "Плаз" .
Применение беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) позволяет существенно снизить затраты на производство аэрофотосъемочных работ. С точки зрения традиционной фотограмметрии качество подобной съемки вероятнее всего будет оценено, как неприемлемое, поскольку на БПЛА, как правило, устанавливаются камеры бытового сегмента, не используется гиростабилизирующая аппаратура, при съемке нередки отклонения оптических осей от вертикали в несколько градусов, что значительно усложняет процесс первичной обработки снимков. Однако для современного фотограмметрического программного обеспечения эти недостатки не представляют значительных проблем. Более того, развитие цифровых методов фотограмметрической обработки уже привело к появлению программ и программных комплексов, способных обрабатывать даже такие "некачественные" данные аэрофотосъемки в высокоавтоматизированном режиме, при минимальном участии оператора.
Рассмотрим технологическую цепочку получения топографической карты с использованием следующих компонентов:
- БПЛА для выполнения аэрофотосъемки;
- ПО Agisoft PhotoScan в качестве инструмента обработки материалов съемки;
- инструментарий ГИС Панорама для векторизации ортофотопланов и получения топокарт.
Аэрофотосъемка с использованием БПЛА
В техническом плане процесс аэрофотосъемки с использованием БПЛА состоит из трех этапов: подготовительного, собственно съемки, и постобработки полученных данных.
Подготовительный этап
На данном этапе производится:
- изучение имеющихся материалов; формирование или сбор требований к материалам, которые нужно получить по результатам съемки – тип и масштаб карты, границы объекта съемки; приведение их в технические требования к съемочным материалам: разрешение, координаты контура участка съемки, перекрытие снимков, точность определения координат центров фотографирования, требования к наземной опорной сети (при комбинированной съемке, например, когда привязка фотоплана производится по точкам наземной опорной сети, требования к точности определения КЦФ вообще не предъявляются);
- формирование полетного задания для БПЛА. Выполняется программой – планировщиком полета, входящей в состав комплекса. Оператор должен выбрать используемый комплекс БПЛА (в случае, если программа позволяет работать с несколькими конфигурациями БПЛА и фотоаппаратуры), задать на карте контур участка съемки и примерное положение стартовой площадки, установить требуемое разрешение и перекрытие, после чего программа рассчитывает план полета и проверяет его выполнимость.
Выполнение аэрофотосъемки
По прибытии на стартовую площадку производится:
- уточнение положения стартовой площадки, задание точки возвращения и ввод данных о скорости и направлении ветра на рабочей высоте, если таковые известны;
- автоматическое уточнение плана полета и повторная проверка его выполнимости;
- старт БПЛА с пускового устройства;
- выполнение съемки в автоматическом режиме;
- посадка.
Выполнение съемки местности с использованием БПЛА
При использовании комбинированного способа выполняется определение координат опорных точек, выбранных для привязки.
Постобработка данных
Заключается в:
- снятии данных (фотоснимки и журнал полета) с бортовых носителей информации;
- визуальной оценке качества фотографий и отбраковке "технических" кадров, если такие записаны. Под техническими кадрами понимаются снимки, сделанные вне пределов участка съемки - при подлете к участку, на дугах разворота и т.п.;
- генерация файла привязки центров фотографирования. В ходе полета аппаратура управления ведет запись различных параметров, среди которых – координаты, скорость и параметры ориентирования летательного аппарата. После окончания съемки из файла журнала полета необходимо выбрать координаты, соответствующие моментам фотографирования, и приписать их конкретным снимкам. Такая обработка, как правило, выполняется в той же программе – планировщике полетного задания.
В соответствии с требованиями отраслевых инструкций , для получения топокарт масштаба 1:2000 необходима фотооснова, имеющая разрешение 15 см/пикс и имеющая погрешность определения координат в каждой точке не выше 60 см. Такое разрешение легко обеспечивается при съемке с БПЛА с использованием компактных фотоаппаратов. Например, съемка камерами типа Canon S-95 или Sony NEX-5 (с объективом SEL30M35) с высоты порядка 200-300 м дает снимки, имеющие разрешение 5 см/пикс.
Привязка требуемой точности достигается измерением координат центров фотографирования с использованием высокоточных GNSS-приемников в пределах референцной сети, или задействованием наземной опорной сети, точки которой привязаны с погрешностью не выше 30 см.
Обработка аэрофотоснимков в ПО Agisoft PhotoScan
Программа Agisoft PhotoScan - универсальный инструмент для генерации трехмерных моделей поверхностей объектов съемки по фотоизображениям этих объектов. PhotoScan с успехом применяется как для построения моделей предметов и объектов разных масштабов – от миниатюрных археологических артефактов до крупных зданий и сооружений, так и для построения моделей местности по данным аэрофотосъемки и генерации матриц высот и ортофотопланов, построенных на основе этих моделей. Обработка данных в PhotoScan предельно автоматизирована – на оператора возложены лишь функции контроля и управления режимами работы программы.
Построение и привязка модели местности в программе состоит из трех основных этапов:
- построение грубой модели. На этом этапе производится автоматическое определение общих точек на перекрывающихся снимках, восстановление проектирующих лучей, определение координат центров фотографирования и элементов взаимного ориентирования снимков, расчет параметров, описывающих оптическую систему (дисторсия, коэффициент ассиметрии, положение центральной точки). Все эти расчеты выполняются в программе за одну операцию;
- привязка полученной модели к внешней (геодезической, географической) системе координат и уравнивание всех параметров системы – координат центров фотографирования и наземных опорных точек, углов ориентирования снимков, параметров оптической системы с использованием параметрического метода уравнивания. В качестве весовых коэффициентов для уравнивания выступают погрешности определения координат точек съемки (центров фотографирования), определения координат точек наземной опорной сети, дешифрирования и маркирования опорных точек на снимках;
- построение полигональной модели поверхности местности на основе определенных на предыдущем этапе параметров. В программе реализован экспресс-способ, заключающийся в триангуляции только общих точек, полученных на первом этапе, и более точные способы обработки, заключающиеся в определении пространственного положения для каждого пиксела изображения (в зависимости от заданной степени детализации обрабатывается каждый первый, каждый четвертый, каждый шестнадцатый, и т. д. – всего пять возможных уровней).
Затем полученная модель используется для генерации ортофотопланов и матриц высот.
С точки зрения оператора процесс работы с программой выглядит следующим образом:
Приведенные скриншоты окна программы наглядно иллюстрируют процесс обработки материалов аэрофотосъемки на примере съемки полигона "Заокский", материалы которой предоставлены ОАО "Газпром космические системы" . Обработка данных материалов на ПК, оснащенном 4-хядерным процессором Intel Core i7 2600K и имеющем 16 Гб оперативной памяти, заняла порядка трех-четырех часов – от загрузки фотографий до экспорта ортофотоплана и цифровой модели местности в формате GeoTiff. Из этого времени около одного часа ушло на дешифирование и маркирование опорных точек – ручной труд оператора, а остальное время заняло выполнение расчетов.
Имеется возможность формирования пакетного задания на обработку. Загрузив исходные снимки, можно сразу указать параметры для каждого из этапов, и программа самостоятельно выполнит весь цикл обработки.
Непосредственно в графическом интерфейсе программы можно производить базовые измерения на полученной модели - измерять расстояния, площадь поверхности и объем модели.
Развитый API позволяет создавать скрипты на языке Python, управляющие обработкой и отображением данных, что позволяет еще более автоматизировать решение типовых задач.
1) Фотографии загружены. В свойствах проекта видно, что проект состоит из блоков (chunks) – обрабатываемых независимо частей проекта со своими фотографиями, моделью, СК, параметрами калибровки оптики и т.п. В данном проекте - один блок, состоящий из 415 фотографий. Метки NA (not aligned) рядом с фотографиями показывают, что положение этих снимков в пространстве модели еще не известно.
2) Выбор системы координат
4) Метки в форме синих шариков отображают взаимное расположение точек съемки (КЦФ), после уравнивания они будут заменены метками другого вида, соответствующим положению плоскостей кадров
5) После выполнения первого этапа обработки – первичного уравнивания и построения точечной модели, формируется облако точек, описывающее модель, и набор параметров взаимного ориентирования фотоснимков. Положение выбранного снимка отображается в области просмотра модели. Снимки, которые не удалось уравнять, по-прежнему отображаются сферами/шариками, и в списке фотографий отмечены меткой NA (not aligned). В данном проекте таких нет
6) Установка маркеров (меток опорных точек). Если известно положение маркеров на снимках (в системе координат снимка), можно просто импортировать эти данные в PhotoScan. Если маркеры еще не дешифрированы, придется задавать их расположение прямо в программе. Для каждого маркера достаточно отметить их положение на одном-двух снимках, и PhotoScan автоматически определяет их положение на других снимках, выделяя снимки, на которых присутствует выбранный маркер, специальными метками. На каждом снимке можно подтвердить итли уточнить автоматически выбранное положение маркера
7) Маркеры расставлены. Можно выполнять построение модели местности
8) Модель готова. Ее можно экспортировать как матрицу высот (цифровую модель местности) и сформировать на основе этой модели ортофотоплан местности.
9) В завершение можно построить текстуру модели и рассматривать ее прямо в программе.
10) Внутреннее представление модели поверхности Землки в PhotoScan - сеть триангуляции Делоне, TIN модель
11) Ортофотоплан всего участка съемки.
12) Цифровая модель местности всего участка съемки
Получение карт на основе ортофотопланов в ГИС Панорама
Комплекс автоматизированного дешифрирования и векторизации по данным ДЗЗ, разработанный на базе ГИС "Панорама" , предназначен для автоматической векторизации линейных и площадных объектов по цветным растровым изображениям земной поверхности.
Процесс автоматической векторизации состоит из следующих основных этапов:
- предварительная обработка растра;
- классификация;
- обработка растра классификации;
- преобразование растра в вектор;
- векторная обработка.
Предварительная обработка является необязательным этапом, включает масштабирование и фильтрацию растра. Масштабирование позволяет значительно ускорить обработку при избыточном разрешении снимка. Фильтрация уменьшает шумы изображения, что положительно влияет на результаты распознавания.
Классификация – процесс определения принадлежности отдельных пикселей исходного растра тому или иному распознаваемому объекту. Классификация состоит из трех основных этапов. На первом этапе пользователь определяет обучающие выборки – указывает области на снимке, однозначно принадлежащие распознаваемым объектам. Затем происходит обучение классификатора – процесс выявления и запоминания статистических дешифровочных характеристик, присущих распознаваемым объектам. Эти данные используются собственно в классификации - определения принадлежности отдельных пикселей исходного растра распознаваемому объекту.
Вычисление статистических дешифровочных характеристик при обучении и классификации выполняется для скользящего окна. При обучении окно перемещается в пределах обучающих выборок, при классификации на всем остальном снимке. В качестве статистических дешифровочных характеристик используется спектральные (средний цвет) и текстурные характеристики (контраст, энергия, корреляция).
К загруженному ортофотоплану в формате GeoTiff применяется технология классификации и распознования
Результатом классификации является растр классификации – растр принадлежности пикселей исходного растра тому или иному распознаваемому объекту. Растр классификации содержит много шумов – неправильно классифицированных пикселей. Их можно отфильтровать исходя из предположения, что плотность расположения неправильно классифицированных пикселей меньше правильно классифицированных.
На следующем этапе производиться фильтрация лишней информации, ее сглаживание и перевод с в линейный и площадной вид
Для этого используются морфологические операции - изменение бинарного состояния пикселя на основе анализа состояния его соседей. К таким операциям относятся:
- эрозия – замена на ноль единичных пикселей, если рядом есть хоть один нулевой пиксель;
- наращивание – замена на единицу нулевого пикселя, если рядом есть хоть один единичный пиксель;
- удаление небольших областей – замена восьмисвязных локальных групп единичных пикселей на нули, если количество пикселей меньше допуска;
- заливка небольших дырок – замена восьмисвязных локальных групп нулевых пикселей на единицы, если количество пикселей меньше допуска;
После обработки растр классификации преобразуется в набор векторных объектов – линий или площадей. В процессе преобразования в линии создаются непересекающиеся линейные объекты. При преобразовании в площади создаются площадные объекты, имеющие общие части контура. На окончательном этапе распознанные объекты объединяются или удаляются на основе анализа их взаимного расположения. Объединенная сеть объектов совместно сглаживается и фильтруется перед сохранением в создаваемую карту.
Результат автоматизированного дешифрирования и векторизации ортофотопланов можно посмотреть и отредактировать в ГИС "Панорама"
При обновлении цифровых карт имеющиеся контура объектов используются для автоматического обучения программы дешифрирования и векторизации. При необходимости оператор может выбрать отдельные участки, которые попадают на наиболее характерные изображения дешифрируемых объектов.
Программа сопоставляет контура объектов и соответствующие им области снимков, запоминает свойства изображения и выполняет уточнение контуров объектов по реальным границам областей с подобными свойствами изображения. При этом создаются и новые объекты в тех местах снимка, где будут найдены близкие по изобразительным свойствам области.
Литература
1. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов ГКИНП (ГНТА)-02-036-02. Москва, ЦНИИГАиК, 2002