Беспилотные летательные аппараты (БЛА) находят все большее применение для выполнения аэрофотосъемки, материалы которой используются для решения многих задач в различных областях жизнедеятельности человека, в частности, для создания карт и цифровых моделей местности, мониторинга природных явлений и результатов жизнедеятельности человека. Многообразие БЛА и устанавливаемой на них съемочной и навигационной аппаратуры вызывает необходимость разработки теоретически обоснованных рекомендаций по выбору параметров аэрофотосъемки в зависимости от масштаба создаваемых карт и точности создания цифровых моделей местности.

Разнообразие задач мониторинга природных явлений и результатов жизнедеятельности человека при проведении проектно- изыскательских работ и ведении кадастра требует разработки рекомендаций по технологии использования различных БЛА для решения этих задач. Очевидно, что достоверность разработанных рекомендаций должна быть подтверждена опытно-производственными работами.

Наиболее полно и объективно проверить и оценить технологии картографирования и мониторинга местности с использованием аэрофотосъемочной аппаратуры, установленной на БЛА, можно по материалам аэрофотосъемки тестового полигона, обеспечивающего возможность оценки качества создаваемой продукции по опорным и контрольным геодезическим опознакам и другой контрольной информации.

С этой целью в Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК) в 2011 г. начались работы по созданию специализированного исследовательского полигона на базе «Заокского геополигона» МИИГАиК (Тульская обл.) для разработки и оценки технологий картографирования и мониторинга местности с использованием аэрофотосъемочных комплексов, установленных на БЛА [1].

Для создания необходимой инфраструктуры испытательного полигона привлекаются студенты III курса МИИГАиК специальности «аэрофотогеодезия», проходящие комплексную практику по созданию цифровых карт, планов и моделей местности.

Программа практики включает выполнение следующих видов работ: создание и развитие локальных геодезических сетей, аэрофотосъемка с использованием БЛА, планово-высотная подготовка аэрофотоснимков, полевое дешифрирование, фотограмметрическая обработка материалов аэрофотосъемки, полевое обследование и досъемка создаваемых топографических карт и планов.

Летно-съемочные работы и результаты комплексной практики студентов в 2011–2012 гг.

В 2011 г. компания «АФМ Серверс» выполнила первые залеты на полигоне с использованием аэрофотосъемочного комплекса «ПТЕРО-Е4». Было получено два блока аэрофотоснимков: один (блок 1), с высоты 1100 м, состоял из 9 маршрутов, включающих 653 снимка (рис. 1),

а второй (блок 2), с высоты 400 м, — из 9 маршрутов, включающих 372 снимка (рис. 2).

Аэрофосъемка выполнялась зеркальной цифровой фотокамерой CANON EOS 5D Mark II с форматом матрицы 5616х3714 пикселей и размером пикселя 6,5 мкм. Фокусное расстояние объектива — 50 мм. Затвор — ламельный, позволяющий работать при низких температурах. Пространственное разрешение на местности в первом случае составило 14 см/пиксель, во втором — 5 см/пиксель.

Перед полетами в МИИГАиК, на кафедре фотограмметрии, в лабораторных условиях, была выполнена калибровка камеры: определены элементы внутреннего ориентирования и параметры дисторсии объектива.

На борту был установлен двухчастотный приемник ГНСС Topcon Euro-160T, который позволил определять координаты центров фотографирования во время полета.

На базовой станции работал многоканальный мультичастотный приемник ГНСС Trimble R7 с интервалом записи данных 1 с. Координаты центров фотографирования были вычислены в программе GrafNav сотрудниками компании «ГНСС плюс».

В качестве точек планово-высотной подготовки аэроснимков использовались закрепленные на местности опознаки (в виде пластиковых кругов диаметром 32 см) и естественные контурные точки. Координаты и высоты опознаков независимо определялись дважды с использованием приемников ГНСС. Максимальные расхождения плановых координат не превысили 2 см, а высот — 4 см. Построение и уравнивание сети фототриангуляции выполнялось в цифровой фотограмметрической системе (ЦФС) PHOTOMOD. Результаты уравнивания блоков по способу связок приведены в табл. 1.

Точность уравнивания блока 1 обеспечивает создание топографического плана масштаба 1:2000 с сечением рельефа 1 м, а блока 2 — топографического плана масштаба 1:500 с сечением рельефа 1 м, в соответствии с требованиями инструкции [2].

В пределах деревни Верхнее Романово в ходе учебной практики было выполнено сплошное полевое дешифрирование. Камеральные работы включали: фототриангуляцию, построение модели рельефа в виде триангуляции Делоне и матрицы высот, создание ортофотоплана, создание оригинала рельефа в режиме стереоредактирования горизонталей.

Векторизация контурной части плана осуществлялась комбинированно: здания и сооружения — в стереорежиме, остальные объекты — по ортофотоплану. Окончательное оформление топографического плана было выполнено в ГИС «Карта 2011» рис. 3.

Следует отметить, что интегрированная в ЦФС PHOTOMOD ГИС «Карта 2011 mini» позволяет достаточно эффективно создавать цифровые карты и планы, сохраняя целостность топологических связей и семантической информации.

Для создания топографического плана масштаба 1:500 с сечением рельефа 1 м были выбраны аэрофотоснимки блока 2 (рис. 4), покрывающие деревню Костино.

Обработка в ЦФС PHOTOMOD включала: — уравнивание сети фототриангуляции с использованием в качестве обоснования 15 наземных опорных точек и 21 опорного центра фотографирования; — построение цифровой модели рельефа (ЦМР) в виде матрицы высот и горизонталей с редактированием последних в стереорежиме (рис. 5);

 — создание ортофотоплана с последующим составлением топографического плана масштаба 1:500 с сечением рельефа 1 м (рис. 6).

Оценка точности уравнивания сети фототриангуляции на деревню Костино показала, что средние квадратические погрешности (СКП) на опорных точках составили 8 см в плане и 4 см по высоте, а на опорных центрах фотографирования, соответственно, 22 см и 12 см.

На время проведения летней практики студентов МИИГАиК в 2012 г. компания НАВГЕОКОМ предоставила электронный тахеометр и приемник ГНСС [3]. С помощью этого оборудования автономно, в режиме реального времени, был выполнен полевой контроль ортофотоплана на деревню Костино, созданного в 2011 г.

С автономной переходной точки были определены координаты 15 твердых контуров, хорошо опознаваемых на ортофотоплане. Расхождения между плановыми координатами контрольных точек, полученных электронным тахеометром и измеренных на ортофотоплане, находились в пределах 5–17 см, что удовлетворяет точности топографического плана масштаба 1:500 [2].

 Летно-съемочные работы и результаты комплексной практики студентов в 2013 г.

Летносъемочный этап практики студентов МИИГАиК в 2013 г. выполнялся с привлечением компаний, занимающихся разработкой и распространением беспилотных аэрофотосъемочных комплексов: «АФМ-Серверс» (БЛА Птеро-Е5), «Геоскан» (БЛА GeoScan 101) и «НоваНэт» (БЛА GateWing X100). В течение двух дней специалисты каждой из перечисленных организаций ознакомили студентов с конструкцией БЛА, обучили проектированию, подготовке и выполнению полетов. Это позволило студентам самостоятельно осуществить 8 запусков различных типов БЛА. Основные технические характеристики БЛА и параметры аэрофотосъемки приведены в табл. 2.

После аэросъемки каждым типом БЛА и предварительной обработки полученной информации, студенты проводили фотограмметрическую обработку данных в ЦФС PHOTOMOD (совместно с представителем компании «Ракурс») и в фотограмметрической системе PhotoScan (совместно с представителем компании «Геоскан») [4]. Камеральные работы включали построение сети фототриангуляции, цифровой модели местности, цифрового ортофотоплана и трехмерной модели местности. Схемы расположения опорных (точки черного цвета) и контрольных (точки желтого цвета) точек для каждого типа БЛА приведены на рис. 7–9.

 

Результаты построения и уравнивания фототриангуляции в системе PhotoScan приведены в табл.3,

а в ЦФС PHOTOMOD — в табл. 4.

В табл. 3 и 4 величины ожидаемых СКП в плане и по высоте для различных уравненных блоков вычислены по известным формулам: mx,y = z/f m и mz = z/b mp. Причем, точность измерения координат (m) и параллаксов (mp) на снимках была принята равной 0,5 пикселя.

Сравнивая полученные значения с остаточными средними погрешностями на контрольных точках после уравнивания в плане, видно, что они, как правило, в 2–4 раза больше рассчитанных по формулам. Это свидетельствует о том, что реальная измерительная точность изображений составляет 2–3 пикселя, и это следует учитывать при проектировании аэрофотосъемки.

Основными источниками погрешностей в изображениях, полученных с БЛА, на наш взгляд, являются «смазы», геометрические искажения, вызванные эффектом шторнощелевого затвора [5]. Согласно инструкции [2], остаточные средние погрешности высот на опорных точках не должны превышать 0,15hсеч (hсеч — высота сечения рельефа), а в плане — 0,2 мм в масштабе плана.

Для контрольных точек, соответственно, по высоте — 0,2 hсеч (при съемках с высотой сечения рельефа 1 м) и в плане — 0,3 мм в масштабе плана. Например, при создании плана масштаба 1:500 с сечением рельефа 1 м величина средних расхождений для опорных точек не должна превышать: в плане 10 см, а по высоте 15 см, а для контрольных точек, соответственно, 15 см и 20 см.

С этой точки зрения все обработанные материалы пригодны для создания планов масштаба 1:500 с сечением рельефа 1 м. Контроль планового положения опорных и контрольных точек на ортофотоплане был выполнен по разности плановых координат этих точек и их значений, выбранных из соответствующих каталогов. Результаты оценки точности в каждой фотограмметрической системе представлены в табл. 5.

Полученные результаты обработки данных аэрофотосъемки, выполненной с помощью БЛА, позволяют сделать вывод, что материалы пригодны для создания ортофотопланов, удовлетворяющих требованиям инструкции по созданию планов масштаба 1:500 [2], поскольку средние величины погрешностей планового положения опорных и контрольных точек не превышают 25 см.

При создании цифровых топографических карт и планов с использованием ортофотопланов как растровой основы необходимо учитывать два фактора: геометрический (разрешающая способность цифрового ортофотоплана и точность его построения) и радиометрический (фотографическое качество, определяющее возможность распознавания (дешифрирования) топографических объектов).

Пространственное разрешение цифрового ортофотоплана на местности не должно быть более 0,1 мм в масштабе создаваемого плана (карты), поэтому с учетом потери качества, вызванной преобразованием исходных изображений в ортофотоплан, следует проектировать аэрофотосъемку с «запасом» пространственного разрешения на местности не менее чем в два раза [6]. Например, для создания планов масштаба 1:500 не 5 см, а 2,5 см.

  

Рис. 10 Изображения в масштабе 1:1, полученные различными БЛА: а) GateWing X100 (разрешение на местности 5,2 см); б) GeoScan 101 (разрешение на местности 5,1 см); в) «ПтероЕ5» (разрешение на местности 2,3 см)

На рис. 10 приведены изображения в масштабе 1:1, полученные различными БЛА, которые показывают, что с учетом вышесказанного, БЛА GeoScan 101 и GateWing X100 целесообразно рекомендовать для создания топографических планов масштаба 1:1000. Фотографическое качество определяется выбором съемочной камеры и оптимальной экспозиции во время аэрофотосъемки [7].

На БЛА используются, как правило, любительские или профессиональные фотокамеры, изначально не предназначенные для аэрофотосъемки, поэтому качество изображений, полученных с подвижных носителей, кроме исходных функциональных возможностей камеры, объектива, размера и типа матрицы, зависит от правильно выбранной выдержки, диафрагмы и светочувствительности.

«Смаз» изображения, вызванный движением носителя, приводит к потере качества изображения и, как следствие, ухудшению дешифровочных свойств. Для минимизации этого эффекта необходимо стремиться к коротким выдержкам.

Опыт, полученный студентами при проведении учебной практики с использованием БЛА для выполнения аэрофотосъемки, и результаты последующей обработки материалов в различных фотограмметрических системах позволяют сделать некоторые выводы.

Первый из них — это польза для будущих специалистов, поскольку они не только осваивают новые технологии, но и сами участвуют в исследовательской работе.

Второй — тесное сотрудничество преподавателей университета с разработчиками БЛА и программных средств, предназначенных для обработки аэрофотосъемки, способствует совершенствованию данной технологии и, как следствие, более широкому их внедрению в производство топографогеодезических, кадастровых и проектно-изыскательских работ.

Авторы:
 

В.М. Курков (МИИГАиК) В 1978 г. окончил аэрофотогеодезический факультет МИИГАиК по специальности «аэрофотогеодезия». После окончания института поступил в аспирантуру. Затем работал на кафедре геодезии МИИГАиК. В настоящее время — доцент кафедры фотограмметрии МИИГАиК. Кандидат технических наук.

А.В. Смирнов («Ракурс») В 2010 г. окончил факультет прикладной космонавтики и фотограмметрии МИИГАиК по специальности «аэрофотогеодезия». C 2008 г. работал в ООО «Северная географическая компания», с 2010 г. — в ООО «Геострой» и ЗАО «Центр перспективных технологий». С 2012 г. работает в компании «Ракурс», в настоящее время — менеджер отдела технической поддержки. Аспирант кафедры фотограмметрии МИИГАиК.

Д.П. Иноземцев («Геоскан», Санкт-Петербург) В 1982 г. окончил аэрофотогеодезический факультет МИИГАиК по специальности «инженер-аэрофотогеодезист». После окончания института работал на предприятиях ГУГК при СМ СССР и Роскартографии. С 2013 г. работает в ООО «Геоскан», в настоящее время — инженер-геодезист/

Список литературы

1. Михайлов А.П., Курков В.М., Чибуничев А.Г. Испытательный полигон для тестирования беспилотных летательных аппаратов, используемых для картографирования и мониторинга территорий // Тезисы 11-й Международной научно-технической конференции «От снимка к карте: цифровые фотограмметрические технологии», Барселона, Испания, 2011 г.

2. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. — М.: ЦНИИГАиК, 2002.

3. Курков В.М., Капустина А.В. Комплексная учебная практика по созданию крупномасштабных карт и других документов о местности // Автоматизированные технологии изысканий и проектирования. — 2013. — № 3(50). — C. 62–64.

4. Иноземцев Д.П. Беспилотные летательные аппараты: Теория и практика // Автоматизированные технологии изысканий и проектирования. — 2013. — № 2(49), 3(50).

5. Михайлов А.П., Эдгар Рубен Монтьель Андраде, Перес Вальдез Мануель де Хесус. О применении цифровых фотокамер со шторнощелевым затвором для выполнения аэрофотосъемки с легкомоторных и беспилотных летательных аппаратов // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. — 2013. — № 4.

6. Смирнов А.В. Научноучебная практика с использованием БЛА в целях картографирования // Тезисы 13-й Международной научнотехнической конференции «От снимка к карте: цифровые фотограмметрические технологии», Фонтенбло, Франция, 2013 г.

7. Михайлов А.П. Еще раз о выборе цифровых фотокамер для выполнения аэрофотосъемки с беспилотных аппаратов // Тезисы 12-й Международной научнотехнической конференции «От снимка к карте: цифровые фотограмметрические технологии», Альгарве, Португалия, 2012 г.

Статья опубликована в журнале «Геопрофи» №4-2014, с. 55-61 – ссылка на http://www.geoprofi.ru/issues