БАС как механизмы будущего для успешного получения и моделирования аэрофотоснимков
БАС (Беспилотные авиационные системы) стремительно превращаются в механизмы получения ценных данных для проектов по инспектированию, наблюдению, картированию и 3D-моделированию. Инвестиции в коммерческую БАС-индустрию, которые, согласно оценкам, к 2024 году увеличатся на 3,5 млрд. долл. США, указывают на то, что БАС могут в скором времени улучшить или заменить традиционные методы сбора данных.
Стимулом для активного использования БАС являются, прежде всего, технологические разработки в механизмах микропроцессоров и снижение стоимости производственного процесса. Даже беспилотники потребительского уровня, которые можно купить менее чем за 1000 фунтов стерлингов, теперь оснащены новейшими инерционными блоками измерения (ИБИ), GNSS приемниками с GPS и ГЛОНАСС, стабилизирующими подвесами, и способны передавать видео высокой четкости в режиме реального времени.
Объединяя в себе многочисленные функции обеспечения безопасности полетов, усовершенствованную технологию аккумуляторов LiPo и более удобные аппаратные и программные интерфейсы эти небольшие летательные аппараты пришлись по душе и любителям, и коммерческим предприятиям, и исследователям.
Беспилотники сегодня
Традиционно для охвата больших площадей используются беспилотники с фиксированным крылом, поскольку они могут оставаться в воздухе с одной батареей дольше, чем мультикоптер (например, Parrot Disco), продолжительность их полета составляет приблизительно 55 минут. Однако, с улучшением технологии батарей LiPo, продолжительность полета мультикоптеров стремительно увеличивается, теперь они могут оставаться в воздухе вплоть до 40 минут. По разным причинам, включая простоту использования, СВВП (систему вертикального взлета и посадки) и возможность зависания в воздухе, мультикоптеры постепенно завоевали значительно большую долю рынка, чем более традиционные беспилотники с фиксированным крылом. В будущем, с развитием БАС, которые сочетают в себе преимущества беспилотников с фиксированным крылом (длительность полета) и мультикоптеров (зависание) (например, Wingtra), тенденции могут измениться.
Программное обеспечение Structure from Motion (SfM)
В то время как в некоторых приложениях БАС, таких как точная агротехника, используются мульти / гиперспектральные датчики и датчики LiDAR, в большинстве приложений БАС для сбора данных все еще применяются камеры RGB. Параллельно с разработками в области БАС технологий фотограмметрические программные пакеты Structure from Motion (SfM) теперь оптимизированы для работы с изображениями RGB, полученными с помощью датчиков БАС. SfM предлагает современную альтернативу традиционной фотограмметрии, которая быстро стала очень популярной среди пользователей многороторных БАС. Программное обеспечение SfM использует новое поколение алгоритмов сопоставления изображений для создания 3D-моделей. Сопоставление объектов из нескольких изображений происходит благодаря многоракурсному подходу и способности распознавать множество объектов на снимках.
«Облачный» принцип обработки
Программное обеспечение SfM, как правило, рассчитано на компьютеры с мощными и дорогими микропроцессорами. Совсем недавно поставщики программного обеспечения SfM, такие как Pix4D, предоставили пользователям возможность загружать изображения с гео-тегами в свой центр облачной обработки, избавив их от необходимости вкладывать средства в высокопроизводительные ПК. Облачный интерфейс разрешает пользователю загружать обработанные форматы изображений и открывать результаты в различных ГИС-пакетах для выполнения любого дальнейшего анализа.
Генерация пользовательских наборов данных
Ряд продуктов теперь может быть легко получен благодаря рабочему процессу SfM, позволяющему проводить многочисленные виды анализа, визуализации и обмена данными. Гибкость платформы и датчиков БАС, а также программное обеспечение SfM позволили пользователям БАС собирать и генерировать множество различных изображений и векторных данных с помощью пользовательских пространственных и временных разрешений, подобранных специально для приложения.
Точность
Наряду со всеми разработками в области платформ, датчиков, аккумуляторов, аппаратного и программного обеспечения сегодня возможно получать изображения с высоким разрешением для построения точных трехмерных моделей земной поверхности и объектов. Пользователь БАС теперь может настраивать параметры планирования полета, необходимые для сбора данных. Выбор расстояния наземного пробоотбора (РНП) (или наземного размера пикселя в изображении) определяет уровень точности, которого можно достичь. Другие параметры, включая настройки наложения изображений, могут быть установлены в зависимости от типа местности и требуемого содержимого изображения. Наземные контрольные точки (НКТ) в настоящее время являются необходимостью, поскольку большинство БАС все еще оснащены только одночастотными приемниками GNSS, способными достигать точности в 2 м, вместо точности в см, необходимой для геодезической съемки. RTK GNSS также необходим для определения центральной точки НКТ, чтоб обеспечить высокую точность результатов. Сегодня внедрение встроенных решений RTK и PPK для БАС постепенно отменяет необходимость наличия НКТ на местах, что значительно расширит возможности геодезической съемки БАС в будущем.
Некоторые показательные примеры
В статьях 2, 3 и 4 приведено три примера, которые демонстрируют, как с помощью недорогого беспилотника и GIS анализа можно получить полезную информацию для различных областей, связанных с окружающей средой, таких как археология, топография и управление прибрежными районами.
Археология
Орто-съемку с очень высоким разрешением, сделанную с помощью недорогого беспилотника (например, DJI Phantom 3 / DJI Inspire 1) с наземным разрешением <5 см на пиксель, можно использовать для получения орто-изображений с высоким разрешением, ЦММ и облаков точек для больших археологических памяток (> 1 км2), благодаря которым возможно составление подробных планов участков и определение систем землепользования, которые нельзя увидеть с земли. Такие снимки сложно получить с помощью наземных лазерных сканирований, спутниковых изображений или изображений RGB, полученных с пилотируемых самолетов. Преимущества использования снимков БАС - это низкая стоимость по сравнению со стоимостью традиционной аэрофотосъемки, а также не такие значительные временные затраты, как затраты для традиционных методов наземной съемки. Недорогие БАС могут заполнить пробел в рабочем процессе сбора археологических данных, когда нужно охватить большие площади с очень высокой детализацией за короткий промежуток времени. Данные, полученные с помощью БАС, могут быть проанализированы в программном обеспечении GIS, чтобы обеспечить запись условий местности, которые легко можно обновить, а также предоставить возможность показать результаты в визуальной форме для повышения осведомленности и участия сообщества в освещении значимости археологических памятников.
Топографическая съемка
Над небольшой строительной площадкой совершил полёт стандартный квадракоптер с камерой DJI Phantom 3. Затем было проведено сравнение с традиционной наземной съемкой GNSS RTK, которая была организована, чтобы определить, может ли недорогой многороторный беспилотник соответствовать стандартам точности картографирования 1: 200, установленными руководящими принципами Королевского института дипломированных оценщиков Великобритании (КИДО). На практике недорогие БАС могут использоваться для обследования площадки и показывать ту же точность, что и при проведении наземного обследования. Более высокая плотность данных, собранных в ходе съемки БАС, также означала, что полученная цифровая модель местности была более сглаженной, а контурные линии имели более реалистичную геометрию по сравнению с контурными линиями интерполированной поверхности TIN / Raster, полученными с помощью наземной съемки. Основываясь на проделанной работе, было определено, что недорогие БАС обладают высокой способностью сбора данных, и что плотность данных, полученная с помощью таких систем, превосходит плотность данных, полученную благодаря наземной съемке RTK. Однако БАС, протестированным в этом примере, скорее всего, будет трудно идентифицировать объекты, на которых присутствует поверхностная растительность, некоторые объекты городской среды, а также объекты, для съемки которых приложениям требуется определенная топографическая высота (например, вершины объектов, скрытые из-за навесов).
Управление прибрежными районами
Данные съемки БАС, собранные в прибрежной зоне на восточном побережье Великобритании, были успешно интегрированы с данными LiDAR Агентства по охране окружающей среды и проанализированы с помощью инструмента DSAS, чтобы помочь определить текущее положение береговой линии и темпы эрозии. Данные облака точек сканирования БАС с очень высоким разрешением позволили легко изобразить 3D модель берегового обрыва и использовать эту информацию для расчета темпов береговой эрозии. Данные высокого разрешения, включая уклон, высоту обрыва и районы, покрытые растительностью, можно легко получить с помощью стандартной камеры RGB. Хотя маловероятно, что одного беспилотника будет достаточно для съемки больших участков береговой линии, используемая методология может обеспечить значительные преимущества для мониторинга «горячих точек» вдоль береговой линии. БАС может быть особенно полезной для работы в прибрежных зонах, включая сферы, где важным критерием является качество данных, например, в зонах приливов или после шторма. Практически немедленное введение БАС в работу и быстрый сбор данных - преимущества, недоступные для пилотируемых и спутниковых систем. Учитывая это, является очевидным, что БАС можно использовать в области управления особо уязвимыми участками береговой линии, где информация, полученная с помощью дронов, может быть легко добавлена в базу данных, содержащую пространственную информацию.
Выводы и заключения
Таким образом, приведенные выше примеры демонстрируют, что БАС действительно может создавать высококачественные орто-изображения и ЦММ. Тем не менее, есть несколько условий, которые в настоящее время должны соблюдаться. Что наиболее важно, необходимо учитывать параметры полета БАС и придерживаться процедур сбора данных для достижения желаемых результатов. Как правило, эти параметры включают обеспечение использования соответствующего GSD, высоты полета и необходимой настройки наложения кадров / поперечного перекрытия аэроснимков. Кроме того, для БАС, не поддерживающих RTK, необходимы высококачественные опорные и контрольные точки.
На всех этапах сбора и обработки данных в этих примерах оборудование работало безотказно. Изображения, полученные во время каждого из полетов, были правильно откалиброваны благодаря программному обеспечению SfM для фотограмметрии, несмотря на неоптимальные настройки наложения кадров и не самые лучшие условия освещения для охвата больших площадей.
Можно сделать вывод, что недорогие БАС могут использоваться в качестве эффективного инструмента сбора данных изображений в различных географических средах. В сочетании с GIS-анализом эти платформы могут предоставить уникальную информацию о таких средах с беспрецедентной детализацией и в более широких масштабах, чем это было возможно ранее. Быстрое усовершенствование технологии БАС в сочетании со снижением затрат, вероятно, приведет к тому, что БАС будет становиться все более полезным инструментом для сбора данных в сферах археологии, топографии и управления прибрежной зоной.
БАС - универсальный инструмент для сбора данных?
Несомненно, существует несколько ограничений, которые нужно учитывать при работе с недорогими БАС, в том числе невозможность создания точных цифровых моделей местности (ЦММ) в районах с сильным растительным покровом, а также невозможность эксплуатации при очень сильном ветре и сильном дожде. Маловероятно, что БАС полностью заменят существующие методы сбора данных топографической съемки. Более вероятно, что в ближайшем будущем они дополнят традиционные методы съемки и заполнят пробел на рынке благодаря высокому качеству данных. Будущие технологические разработки, в том числе использование гео-тегов изображений RTK / PPK, увеличение времени работы от батарей и развитие алгоритмов обработки данных SfM на основе облачных технологий, вероятно, будут способствовать более активному использованию БАС преимущественно в средах, где требуются неинвазивные методы сбора данных.
