Существует два основным способа съёмки с беспилотника для получения высокоточных результатов. Специалисты компании Pix4d, профессионального фотограмметрического программного обеспечения, решили проверить на практике точность съёмки.

При проведении аэрофотосъёмки без геодезических плат для получения координат центров фотографирования используется GPS самого БПЛА или приёмника внутри камеры. Определение местоположения во время получения кадра производится путём трилатерации (trilateration) спутников и несколькими измерениями расстояний. Как правило, координаты, полученные таким образом имеют ошибку до нескольких метров, особенно по координате Z (высота) и зависят от качества вашего оборудования, количества пойманных спутников и их геометрии.

При работе в режиме RTK, беспилотник обменивается данными с базовой станцией или виртуальной опорной станцией с помощью ноутбука, контролирующего полёт дрона. Обмен данными происходит через Wi-Fi или GSM канал связи. Положение камеры рассчитывается в режиме реального времени, получая поправки от наземной станции. Её координаты должны быть заранее максимально точно определены. Средняя ошибка определения позиции для кадра при таком методе – 2-3 см как в плане, так и по высоте. 

Однако, не всегда оборудование работает стабильно. Операторы БПЛА часто сталкиваются с плохим каналом связи, мешающем вносить поправки в режиме реального времени. Также система может давать только плавающую позицию (float) или вообще возвращать в автономный режим. В итоге ошибка может достигать десятка сантиметров или даже метра. Такие результаты можно было бы получить и без применения геодезических приёмников. Чтобы избежать таких погрешностей используют пост обработку. 

RTK/PPK без опорных точек, или же только опорные метки?

Не всегда есть возможность использовать наземные марки при АФС с БПЛА. Это может быть связано со сложностью измерения координат ОТ или непростым рельефом. В такой ситуации точность привязки ортофотопланов на местности будет на порядок точнее, если использовать БПЛА с ГНСС платами на борту. Однако, для использования геодезических приёмников внутри дрона нужно специальное программное обеспечения для уравнивания и наземное спутниковое оборудование. Вся система должна иметь стабильное соединение с базовой или виртуальной станцией и возможность работы в пост обработке. Также важно программное обеспечения для обработки снимков, учитывающее положение камеры во время съёмки, например, Pix4Dmapper.

Все эти хай тэк навороты делают беспилотные комплексы с GNSS приёмниками дорогим удовольствием. В этой статье мы предлагаем чёткое сравнение результатов съёмки с БПЛА + RTK/PPK без наземных меток и БПЛА + опорные точки без геодезических приёмников. Этот текст может стать предпосылкой или рекомендацией для тех, кто на данный момент находится в выборе: продолжить снимать с наземными марками или же купить геодезическое оборудование для дрона.

Чтобы лучше оценить эффективность, мы выполнили по два полёта - с RTK и с опорными метками - на двух разных типах территории – сельскохозяйственное поле и городская застройка.

Полёты выполнялись на БПЛА самолётного типа senseFly eBee Plus, а измерения координат ОТ выполнялись геодезическим приёмником Javad Triumph-ls. Аэрофотосъёмка с применением RTK и без него выполнялись при одинаковых конфигурациях полёта. Одни и те же наземные контрольные точки использовались для анализа точности в разных режимах; для привязки съёмки во время полётов без ГНСС приёмников использовались опорные метки отличные от контрольных. Все проекты обрабатывались в программном обеспечении Pix4Dmapper, использовался шаблон по умолчанию 3D map.

Один пролёт, высота полёта – 102 метра, перекрытия 80%, Размер пикселя на местности (GSD) - 2.5 см.

При полётах над полями связь между наземной станицей и бортовым RTK приёмником была стабильной, практически без помех. 99% съёмки были произведены при зафиксированной позиции камеры дрона, поэтому пост обработка не нужна вообще.

Оценка точности обработки с GNSS приёмников и без него. Привязка ОТ отсутствует

В таблице выше мы сравнили результаты на контрольных точках для съёмки с геодезическим приёмником и для обычной АФС с привязкой к хорошо распределённым опорным меткам. 

Результаты полётов для RTK дронов впечатляющие. По всем 3 координатам для АФС с ГНСС платой получилась точность порядка 1 пикселя (2.5 см). Для АФС с привязкой к наземным точкам ошибки по высоте получились почти 3.6 см, что вполне ожидаемо для отсутствия корректировки положения камеры и использования дополнительных опорных точек.

Как только был добавлен дополнительный набор ОТ, ошибка по высоте значительно сократилась. Для этого проекта мы обнаружили, что распределение наземных меток играет очень важную роль. Ниже сравнение полученной точности при разном распределении меток.

Опорные точки на границах: большая ошибка по высоте и при большом удалении от самих меток

В таблице выше мы видим, что добавление 1 наземной точки в центр поля увеличивает точность привязки по высоте с 65 см до 6,5 см. Ошибка увеличивается при отдалении от опорных меток и в участках со сложным рельефом.

К участкам с «сложным рельефом» относятся территории с однообразным покрытием. В таких ситуациях программе обработке снимков сложно сопоставлять изображения между собой, что приводит к большей ошибке привязки координат и уменьшению точности. Сельскохозяйственные поля относятся к таким участкам. 

При съёмке с/х полей с использованием геодезических приёмников каждый получаемый снимок используется как ОТ. А так как 99% наших снимков были произведены при фиксированном состоянии приёмника, мы получили проект с плотно распределёнными точками по всей территории.

Два пролёта, высота полёта – 102 метра, перекрытия 80%, размер пикселя на местности (GSD) - 2.5 см.

Выполнение аэрофотосъёмки над городской территорию с помощью дронов самолётного типа может оказаться сложнее, чем над загородными полями. Помимо вопросов получения разрешений на полёты, вам необходимо найти место для взлёта и посадки. Это сделать не всегда просто в густо заселённых районах.

В этом проекте для взлёта и посадки мы нашли спортивный стадион недалеко от центра. Однако, здания, деревья и различные Wi-Fi сети мешали стабильному соединению ГНСС платы с наземной станицей. В итоге только 71% снимков были произведены с фиксированной позицией камеры (RTK-fixed).

Неравномерное распределение кадров с незафиксированной позицией (RTK-float) привели к снижению точности всего проекта. Из результатов можно было заметить недостатки полётов с GNSS приёмником, связанные с потерей сигнала из-за различных препятствий. В таких ситуациях для уменьшения ошибки используют пост обработку (PPK). Гарантировать, что такой метод будет лучше, чем использование только опорных точек нельзя, хотя в нашем эксперименте получились сопоставимые результаты.

В результате обработки мы закономерно обнаружили точность ниже в местах, которые были снять без точно зафиксированной позиции (RTK-float). Но в пост обработке ошибка стала более равномерной по всему проекту.

Для сельскохозяйственных полей или местностей с плоским рельефом, где отсутствуют большие препятствия и можно ожидать стабильного соединения, дроны с геодезическими приборами на борту могут дать высокую точность и хорошо описать ландшафт территории без использования наземных точек.

Поле, размер пикселя на местности: 2.5 см. Контрольные точки отмечены зелёным цветом, размер круга соответствует величине ошибки. Ошибки по высоте с ГНСС приёмником: 2.7 см, с опорными метками: 6.6 см.

В городской среде результаты съёмки отличаются. Из-за особенностей территории не всегда получается сделать снимок с фиксированной позицией. Это приводит к неравномерному распределению кадров с незафиксированной позицией и ухудшению общей точности проекта. В нашем случае пост обработка дала результат намного лучше, чем только съёмка в RTK. Хотя оба результата оказались хуже, чем съёмка с хорошо распределёнными ОТ.

Город, размер пикселя на местности: 2.5 см. Контрольные точки отмечены зелёным цветом, размер круга соответствует величине ошибки. Ошибки по высоте в пост обработке: 6.7 см, с опорными метками: 4.8 см.

И так, мы сравнили точность для разных методов съёмки. Однако, есть дополнительные условия, которые также нужно учитывать при АФС: возможность выполнить наземные измерения, время, стоимость и местоположение.

Не всегда есть возможность расставить наземные точки на местности и произвести измерения координат. Причиной может служить особенности ландшафта, труднодоступные места и другие проблемы, в том числе связанные с безопасностью. Также планирование расстановки и выполнение измерений ОТ может отнимать часы работы при каждой съёмки, тогда как обработка измерений координат, полученных с геодезических приёмников, занимает около 10-20 минут. Относительно стоимости, опорные точки – это затраты, которые необходимо закладывать в каждый проект, в отличие от одноразовой покупки GNSS оборудования. Если оценивать стоимость в долгосрочной перспективе, приобретение БПЛА с высокоточным геодезическим приёмником будет отличным вложением капитала.

Уже хотите использовать дроны с RTK / PPK? Не забудьте о необходимости доступа к локальной или виртуальной базовой станции. Иначе вам придётся пользоваться собственной базовой станцией.

Источник: bespilotnik.org/info