Социально-экономические изменения, связанные с практическим ускорением выполнения функциональных задач (таких, как строительство, управление, доставка товаров и грузов, транспортировка нефти и газа по магистральным трубопроводам, обучение и др.), оперативностью обработки огромных массивов информации, расширением сферы использования компьютерных технологий, развитием Интернет-индустрии, определяют необходимость поиска и внедрения инновационных техноло гических решений. Развивается новая методология, основанная на интеграции космических, беспилотных, картографических, цифровых, геоинформационных, спутниковых, Интернет-решений и других технологий.

В данной статье рассматриваются теоретико-методологические аспекты и практические направления использования цифровых снимков, полученных с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), для географических исследований и крупномасштабного картографирования.

 Методы обработки цифровых снимков с БПЛА

Виды БПЛА весьма разнообразны. Обзор их тактикотехни ческих характеристик выполнен в ряде работ [1, 2], а возможности применения в целях картографирования рассмотрены в статьях [3, 4]. Как отмечается в работах [4, 5], плюсами БПЛА являются: рентабельность, возможность съемки с небольших высот, получение снимков высокого разрешения, оперативность выполнения съемки, возможность применения в зонах чрезвычайных си туаций без риска для жизни и здоровья пилотов.

Одна из характерных осо бенностей аэросъемки с БПЛА

— получение значительного числа кадров для ограниченного участка местности. Например, для территории площадью 4 км2 число цифровых снимков составляет более 1000. Вторая особенность — использование неметрических цифровых камер. В целях обеспечения строгой фотограмметрической обработки таких снимков и создания картографической продукции, удовлетворяющей нормативным документам для планов и карт заданных масштабов, не обходимо иметь следующие данные: результаты калибровки камер, информацию, получаемую системой телеметрии БПЛА (значения пространственных координатах (широта, долгота, высота батиметрическая и над средним уровнем моря), азимут, крен и тангаж), а также ре зультаты наземных геодезических измерений.

По уровню обработки и точности фотограмметрических построений можно различать следующие виды выходной продукции:

— исходные («сырые») снимки;

— снимки, ориентированные по сторонам света (по данным телеметрии);

— фотомозаики, ориентированные по сторонам света (по данным телеметрии);

— ортофотопланы, составленные по снимкам, трансформированным с учетом рельефа;

— цифровые модели рельефа (ЦМР);

— цифровые модели местности (ЦММ).

Методология цифровой фотограмметрической обработки должна предусматривать использование следующих материалов:

— исходных снимков с результатами телеметрии;

— координат опорных и контрольных точек;

— данных визуальных наблюдений (фотографии, абрисы, зарисовки);

— географических описаний (удаленность от антропогенных объектов, возможные связи эндогенных и экзогенных процессов, их местные проявления и др.).

Основная проблема при работе с данными, получаемыми БПЛА, — это ограниченные возможности аппаратных средств и программного обеспечения при создании фотомозаик из сотен и тысяч цифровых снимков. Для этих целей можно использовать фотограмметрические комплексы, такие как EnsoMosaic(Финляндия),

 TopoAxis, Agisoft Photoscan Pro, PCIGeomatica(Канада), PHOTOMOD, «Талка», PostflightTerra3D (Швейцария) и др. Следует подчеркнуть, что в настоящее время только ПК TopoAxis, разрабо танный ЗАО «Транзас», позволяет визуально оценивать степень перекрытия цифровых снимков с БПЛА на основе накидного монтажа.

Каждая из перечисленных программ имеет свои возможности и ограничения. Для получения ортофотопланов и ЦМР, удовлетворяющих нормативным документам [6–8], необходимо строгое соблюдение определенной последовательности действий при выполнении фотограмметрических и картографических работ. Особенности ЦМР, создаваемых названными выше фотограмметрическими комплексами, заключаются в том, что в числовых значениях высот моделей «присутствуют» высоты зданий, деревьев, кустов, валунов, растительности и т. п. Требуется дополнительная обработка оператором каждой горизонтали (горизонтали должны отображать рельеф местности, а не кустарников, леса, травы и т. п.). В свою очередь, применение методов создания стерео изображений по цифровым снимкам с БПЛА для построения ЦМР сопряжено с большими затратами ручного труда, что обусловлено необходимостью раздельной обработки значительного числа стереопар.

Одним из методологических решений построения рельефа по одиночной ортофотомозаике с использованием цифровой модели местности может служить алгоритм, разработанный одним из авторов статьи, А.К. Суворовым. В качестве исходной основы для построения рельефа используется ЦММ, полученная с помощью одного из фотограмметрических комплексов. В основу предлагаемого решения заложена предпосылка о том, что создаваемые ортофотомозаки и модели рельефа должны удовлетворять требованиям к топографическим планам масштаба 1:2000 с сечением рельефа 2 м, изложенным в документах [6–8].

По предварительно созданной в одном из фотограмметрических комплексов ЦММ, средствами ПК ENVI, выполняется автоматическое построение исходных векторов с дискретностью 2 м по высоте. Эти векторы будут служить основой для построения горизонта лей. Полученные векторы конвертируются в ГИС «Карта» и накладываются на ортофотомозаику. Далее, на ортофотомозаике выделяются участки местности, отвечающие определенным требованиям: застроенные, открытые, лесные, с отдельными деревьями или кустарниками, пологие или крутые и прочие. Наносятся орографические линии: таль веги, бровки, водоразделы и другие перегибы местности. В целях соблюдения географических принципов отображения рельефа на открытых участках ортофотомозаики на базе исходных векторов строятся так называемые опорные горизонтали. Опорные горизонтали в сочетании с орографическими линиями служат каркасной основой для интерполяции и построения других горизонталей. Согласование горизонталей проводится обычным способом с целью «подчеркивания» форм рельефа. Особое внимание уделяется возможности уточнения выделяемой формы рельефа каждой горизонталью.

                                                                                     

После редактирования и восстановления горизонталей средствами ГИС «Карта» строится ЦМР. При этом опорные и контрольные точки, береговая линия, уклон реки используются в качестве дополнительных географических признаков для уточнения местоположения горизонталей и форм рельефа. Возможны следующие методологические решения при построении рельефа картографических материалов заданного масштаба: — с учетом высот опорных, контрольных и других точек геодезической сновы;

— в относительной системе высот по числовым значениям заданных превышений высот (определенных по карте или другим способом).

При использовании такой методологии сохраняется геог рафическое соответствие отоб раженных объектов, явлений и процессов.

По описанному выше алгоритму была выполнена обработка «сырых» цифровых снимков, полученных беспилотным комплексом Zala42112 специалистами ОАО «Газпром косми ческие системы»: В.А. Кузнецовым, А.А. Федоровым и И.А. Черкашениновым.

На рис. 1 и рис. 2 приведены примеры построения горизон талей с использованием алго ритма восстановления рельефа по ЦММ. На рис. 1 (внизу) рель еф драпирован фотоизображе нием и дан в перспективе.

  

Рис.3. Визуальные различия плоскостного смыва, промоин и оврагов на разновременных ортофотопланах 

Описание географических особенностей территорий по результатам анализа ЦМР и фотомозаик

Исследуемый участок расположен в окрестностях села Спас Дощатый (рис. 1), в Зарайском районе Московской области, на правом берегу реки Осетр, на высотах 164–180 м. Отметка уреза воды в районе села составляет 116 м.

Рельеф местности пересеченный, холмистый, с оврагами и балками. На рассматриваемом участке, площадью в 3,5 км2, наблюдается ряд про моин и оврагов. Перепад высот составляет 76 м. Пойма реки достаточно узкая: преобладающая ширина около 20 м, в самом широком месте не превышает 100 м. Надпойменная тер раса начинается с высоты 162 м, пойма — с высоты 126 м и ниже. Село Спас Дощатый за нимает территорию, площадью около 0,4 км2, из них 0,3 км2 сос тавляют крутые склоны с угла ми 300 и более. Визуальный анализ ортофотоизображения села Спас Дощатый (рис. 1, 3) позволяет в геоморфологическом отношении различать плоскостной смыв, формирование промоин и начало образования оврагов. Анализ рис. 3 показывает, что растительность не только влияет на возможность создания цифровых моделей рельефа, но и затушевывает важные геоморфологические особенности местности.  Следует отметить неудачное расположение домов между двумя промоинами (рис. 3). Поскольку эти строения подвержены воз действию интенсивной водной эрозии, в дальнейшем, возможно, их разрушение.

Другой участок расположен в окрестностях деревни Воронино, в Ферзиковском районе Калужской области. Его территория включает плоскую часть, пологоволнистые склоны, левый высокий берег реки Оки и ее пойму (рис. 2).

Как показывает анализ пост роенной цифровой модели, рельеф района пологоволнистый, местами переходящий в пологохолмистый с перепадом высот 92 м. Наивысшая точка рельефа, равная 200 м, расположена на севере участка, а минимальная (108 м) — это урез левого берега реки Оки.

По ландшафтноморфологи ческой структуре выделяется территория с плоским ландшафтом, с преобладающими углами наклона до 60, площадь которой составляет 64%. Вто рой тип местности — это крутые берега с углами наклона более 300, ее площадь составляет 8%. И третий тип — эрозионно-аккумулятивная долина ре ки Оки. Ширина низинной пойменной части реки изменяется в пределах от 30 до 100 м. В юго-западной части участка преобладают обвалочноо-сыпные процессы, в юго-восточной — смывные, возможно с элементами солифлюкции, которые определяют формирование конусов выноса. Таким образом, в окрестностях деревни Воронино преобладает местность с плоским ландшафтом и высокими поймами с прирусловыми валами и западинами. На этой территории наблюдается интенсивная водная эрозия геологической среды, которая имеет разрушительный характер.

На рис. 4 и 5 приведены другие примеры практического использования ориентированных фотомозаик, полученных по данным аэросъемки с БПЛА.

По фотоизображению состояния ландшафта на 11.06.2006 г. (рис. 4, слева, www.google.ru) и ориентированной фотомозаике, получен ной по материалам аэросъемки с БПЛА 10.10.2012 г. (рис. 4, справа), можно судить о степени завершенности ремонтных работ на магистральном газопроводе и изменениях ландшафтного слоя, а также спланировать противоэрозионные мероприятия.

 

На рис. 5 показаны ареалы нефтяных загрязнений для разных участков магистральных нефтепроводов Самотлорского месторождения в Нижневартовском районе, выделенные методом обучающей классификации в ПК ENVI, площади которых определены и оформлены в виде таблиц атрибутов средствами MapInfo. Такие построения и классификации используются для оперативного принятия решений и управления при ликвидации нефтяных загрязнений.

Полученные теоретические и практические результаты позволяют сделать вывод о возможности применения цифровых снимков с БПЛА при инженерно-геологических изысканиях, географических исследованиях и картографическом обеспечении устойчивого развития территорий.

Выполненный географо-геоморфологический анализ результатов построения по цифровым снимкам с БПЛА ортофо томозаик и цифровых моделей рельефа позволяет рекомендовать разработанную авторами методологию для решения, по крайней мере, следующих за дач:

— оценки форм рельефа и уточнения границ участков местности, в том числе при рекогносцировке и подготовке материалов для инженерно-геологических изысканий в целях строительства;

— изучения геоморфологических особенностей рельефа с точки зрения устойчивости рельефа при проектировании и строительстве;

— оценки рельефа с точки зрения рекреации и туризма;

— контроля этапов проведения работ (степени завершенности) на магистральных трубопроводах;

— контроля строительных работ на объектах недвижимости (для определения числа строящихся объектов, границ участка строительства, этажности зданий и т. п.);

— контроля площадей посевов, всхожести сельскохозяйственных культур и оценки запасов влаги на полях для предварительной оценки урожайности сельскохозяйственных культур;

—контроля запасов снега на гидрографических объектах и в поселениях с целью предварительной оценки границ участков затопления при наводнении;

— мониторинга нефтяных загрязнений, ущербов и других экологических нарушений природной среды;

— контроля проведения земляных работ и расчета объемов горных отвалов, хвостохранилищ, песчаных и других карьеров строительных материалов;

— контроля состояния лесных массивов, незаконных вырубок леса;

— оценки инженерной и транспортной инфраструктуры территорий;

—контроля и прогнозирования ряда чрезвычайных ситуаций;

— обновления крупномасштабных топографических планов сельских поселений и т. д.

                        Рис. 5   Ареалы нефтяных загрязнений на ориентированных

                         фотомозаиках

Авторы:

А.К. Суворов («Газпром космические системы»)

В 1979 г. окончил географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова по специальности «картография», а в 1986 г. — аспирантуру ЦНИИГАИК. После окончания университета работал в ПКО «Картография», Институте географии РАН, МГПИ им. В.И Ленина, Государственном институте прикладной экологии, ВНКЦ «Север» и ОАО «Мосэнерго». С 2006 г. работает в ОАО «Газпром космические системы», в настоящее время

— начальник отдела производства картографической продукции. Кандидат географических наук.

В.А. Лазутин («Газпром космические системы»)

В 1977 г. окончил Киевское высшее военное инженерное училище связи им. М.И. Калинина, а в 1985 г. — адъюнктуру Военной академии связи им. С.М. Буденного. После окончания училища проходил службу в кадрах ВС СССР. С 1985 г. работал в 16м ЦНИИИ МО РФ. C2006 г. работает в ОАО «Газпром космические системы», в настоящее время — первый заместитель генерального конструктора по геоинформационным системам. Кандидат технических наук.

А.С. Вахтанов («Газпром космические системы»)

В 2000 г. окончил картографический факультет МИИГАиК по специальности «картография», а в 2003 г. — аспирантуру МИИГАиК. После окончания аспирантуры работал в ФГУП Госцентр «Природа», МИИГАиК, ООО «Вашъ Землеустроитель» и ООО «СиАйЭс Навтек». С 2007 г. работает в ОАО «Газпром космические системы», в настоящее время — начальник отдела обработки аэрокосмической информации. Кандидат технических наук.

  Список литературы

1.Беспилотные летательные аппараты. Справочник UAVGuide/ Составители: В.Ю. Барковский, Л.Р. Милованова. Под редакцией

Н.Н.      Новичкова. — М.: Информационное агентство АРМСТАСС, 2009. — 436 с.

2.  Василин Н.Я. Беспилотные летательные аппараты. — Минск:

ООО «Попурри», 2003. — 272 с.

3.  Зинченко О.Н. Беспилотные летательные аппараты: применение в целях аэросъемки для картографирования (часть 1) // http://www.racurs.ru/?page=681.

4.Сечин А.Ю., Дракин М.А., Киселева А.С. Беспилотные летатель ные аппараты: применение в целях аэросъемки для картографирова ния (часть 2) // http://www.racurs.ru/?page=699.

5.Карманов Д.В., Матвеев Ю.Н. Технология создания ортофотопла нов по аэрофотоснимкам, полученным с помощью малых беспилотных летательных аппаратов // Информация и космос. — 2007. — № 4. — С. 61–64.

6.  ГКИНП0203379. Инструкция по топографической съемке в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000, 1:500. — М.: Недра, 1982. — 93 с.

7.    ГКИНП (ГНТА)0203602 Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. — М.: ЦНИИГАИК, 2002. — 48 с.

8.   ГКИНП (ОНТА)0226302. Инструкция по развитию съемочного обоснования и съемке ситуации и рельефа с применением глобаль ных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS. — М.: ЦНИИГАиК, 2002. — 46 с.

RESUME

There are considered the developed at the Center for Aerospace Monitoring of JSC «Gazprom Space Systems» theo retical and methodological aspects as well as the practical use of digital images from unmanned aerial vehicles for geo graphical research and largescale mapping. Technological solutions are given for largescale geo graphical research, studies of the geomorphological terrain processes and main pipe lines monitoring.

Статья опубликована в журнале «Геопрофи» №4-2013, с. 45-49 – ссылка на http://www.geoprofi.ru/issues