Применение перепиленных гражданских дронов для профессиональной геодезической аэрофотосъёмки местности. Аэрофотосъёмка бпла в геодезии Съемка с беспилотных летательных аппаратов

Расчет параметров аэрофотосъемки беспилотным летательным аппаратом

к. с.-х. н., доц.

(СПбГЛТА, г. Санкт-Петербург, Россия)

In article calculation of parameters for aerial photography planning by digital cameras with use of unmanned aerial vehicles is presented.

Аэрофотосъемка беспилотными летательными аппаратами получает все большее распространение, что обуславливает применение в комплексе с БЛА современных цифровых фотокамер, как специально спроектированных, так и стандартных. Снимки, сделанные на цифровую камеру, сразу же после съемки могут быть обработаны. Применение аэрофотоаппаратов (АФА) с БЛА, относящихся к классу Микро и Мини по международной классификации , невозможно, так как они имеют достаточно большой вес и размер, а также обладают рядом недостатков. Например, чтобы получить материалы аэросъемки, пленку нужно проявить и отсканировать. В то же время главным недостатком цифровых фотокамер является низкое разрешение получаемых снимков по сравнению со снимками, полученными АФА с размером кадра 23х23 см .

Для планирования аэрофотосъемки необходимо произвести расчет основных параметров . При расчете параметров аэрофотосъемки беспилотным летательным аппаратом, оснащенным цифровой камерой, потребуются следующие исходные данные, которые сведены в таблицу 1.

Таблица 1

Исходные данные для расчета параметров аэрофотосъемки

При проведении аэрофотосъемки цифровыми фотокамерами, чтобы получить снимки с требуемым размером пикселя на местности, необходимо выполнять съемку на определенной высоте . Разрешающую способность цифровых снимков принято характеризовать числом точек на дюйм - dpi (от англ. dots per inch) и размером пикселя на местности – GSD (от англ. Ground Sample Distance ). Рассчитывается высота полета по следующей формуле:

H пол - высота полета, м;

GSD - размер одного пикселя на местности, разрешение пикселя, м/пкс;

l х - размер снимка камеры, пкс.

Так как цифровые снимки имеют форму прямоугольника, рекомендуется во время съемки располагать камеру длинной стороной вдоль направления съемки, т. к. это позволит увеличить базис фотографирования, а, значит, и улучшить фотограмметрическую засечку (Рис.1).

Рис. 1. Взаимное расположение снимков в маршруте

На рис. 1 хорошо видно, что если соотношение сторон снимка составляет 2:3, то, расположение снимка длинной стороной вдоль направления съемки позволяет увеличить базис фотографирования (b ) в 1,5 раза. Соответственно в 1,5 раза увеличивается время TRF для записи информации с цифровой камеры на накопитель. Поэтому минимальное расстояние между кадрами Bmin для цифровой камеры в первую очередь зависит от ее технических характеристик и скорости беспилотного летательного аппарата V .

Перекрытия между соседними снимками одного маршрута называются продольными (Px ) . Как слишком малые, так и слишком большие перекрытия для производства непригодны. Для стереоскопического просматривания заснятой местности достаточно иметь продольное перекрытие в 50%. Но краевые части аэроснимков имеют ряд дефектов, поэтому просмотреть стереоскопически всю площадь аэроснимка не удается. Большие перекрытия также недопустимы, так как это резко снижает объемность изображения. При почти 100% перекрытии получаются два одинаковых аэроснимка, у которых нет стереоскопического эффекта. Перекрытия между соседними снимками в равнинных условиях съемки должны находиться в пределах 56-69%, в горных – до 80-90%. Таким образом, расстояние между снимками (B ) с учетом продольного перекрытия определяется по следующей формуле:

Но при проведении аэрофотосъемки с применением БЛА, для того чтобы обеспечить необходимое продольное перекрытие между соседними снимками одного маршрута (Рис.2), должно соблюдаться следующее ограничение:

Рис. 2. Схема аэрофотосъемки участка

Ширина маршрута на местности (LM ) зависит от высоты кадра (ly ) применяемой в комплексе с БЛА цифровой камеры.

Перекрытия между маршрутами называются поперечными (Py ). Величина их обычно задается в пределах 20-40%. Определить расстояние между смежными маршрутами можно по формуле:

Длина участка Dx равна длине среднего маршрута в продольном направлении от левого края первого аэрофотоснимка до правого края последнего аэрофотоснимка. Ширину участка Dy измеряют в поперечном направлении посередине от верхней стороны аэрофотоснимка первого маршрута до нижней стороны аэрофотоснимка последнего маршрута. Таким образом, количество снимков в маршруте N сн определяется как отношение длины участка к расстоянию между снимками с учетом продольного перекрытия.

Количество же маршрутов будет больше на единицу отношения ширины участка к расстоянию между смежными маршрутами.

Количество снимков на участок N уч определяют как общее количество снимков по всем маршрутам аэрофотосъемки.

При оценке эффективности и экономической целесообразности важно определить сколько времени потребуется на аэрофотосъемку участка t уч . Это также позволит оценить в какой период времени лучше проводить данные работы.

В результате можно сделать следующие выводы:

1. По сравнению с традиционными АФА цифровые камеры уступают по техническим показателям (в разрешении снимков), что повышает количество маршрутов и снимков в них при аэрофотосъемке, и как следствие усложняют дальнейшую обработку полученных материалов.

2. При проведении аэрофотосъемки БЛА для обеспечения перекрытия между снимками необходимо учитывать технические характеристики цифровых камер, а также желательно выбирать БЛА с аэродинамической схемой «планер», которая позволяет летать с достаточно малой скоростью.

3. БЛА очень эффективно могут быть использованы для съемки небольших площадей, например для составления кадастровых планов небольших участков и оперативного мониторинга ситуации на проблемных территориях.

Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации для молодых российских ученых МК-2617.2010.5.

Библиографический список

1. , Вавилов аэрофотосъемка и авиация. Оценка качества аэрофотосъемки: Методические указания к лабораторным занятиям. Л.:ЛТА, 1с.

2. Никифоров беспилотных летательных аппаратов для инвентаризации, картирования и управления объектами садово-паркового хозяйства.//Леса России в XXI веке. Материалы первой международной научно-практической интернет-конференции. - СПб.: СПбГЛТА, 2009. № 1, c. 248-251.

3. Никифоров фотоаппараты, применяемые для аэрофотосъемки беспилотными летательными аппаратами в лесном хозяйстве //Леса России в XXI веке. Материалы первой международной научно-практической интернет-конференции. - СПб.: СПбГЛТА, 2010. № 4, c. 65-70

4. , Кадегров летательные аппараты российского производства, применяемые в лесной отрасли // Леса России в XXI веке. Материалы третьей международной научно-практической интернет-конференции. - СПб.: СПбГЛТА, 2010. № 3, c. 144-149.

5. , Мунимаев зарубежных беспилотных летательных аппаратов // Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ. - Петрозаводск.: Изд-во ПетрГУ, 2010. № 8, с. 97-99.

6. Основные положения по аэрофотосъемке, выполненной для создания и обновления топографических карт и планов ГКИНП. –М.: Недра, 1982, -16 с.

7. Сухих методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве: Учебник. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 20с.

Технология аэрофотосъемки на основе БПЛА состоит из следующих этапов:

1) подготовительные работы;

2) полевые работы;

3) камеральные работы.

2.1 Подготовительные работы аэрофотосъемки с использованием бпла

Подготовительные работы включают:

получение и уточнение технического задания;

сбор и систематизацию данных – картографических или фотографических материалов, списков координат пунктов ГГС или межевой сети и т.п.;

анализ физико-географических характеристик района работ – лесной, горный, водный, средняя температура и т.п.;

разработку технического проекта и карты (схемы), в которой отображается граница участков работ, срок выполнения, намеченные к определению точки планово-высотной полевой подготовки снимков;

расчет и ввод данных на наземной станции управления: высоты съемки, продольного и поперечного перекрытия, границы съемки, положение стартовой позиции относительно максимально высотных объектов, выбор посадочной площадки;

выбор точек планово-высотной подготовки снимков (опорных и контрольных точек), а также выбор метода определения координат этих точек;

получение разрешения на проведение полета;

технический осмотр и подготовка приборов и техники к работе;

осмотр и зарядка аккумуляторных батарей.

2.2 Полевые работы аэрофотосъемки с использованием бпла

Полевые работы включают:

геодезические (планово-высотная подготовка) работы – определение координат временных базовых станций и точек ПВО;

аэрофотосъемочные работы – подготовка полетного задания, аэрофотосъемка, контроль качества АФС.

2.2.1 Планово-высотное обоснование аэросъемки

Требования к планово-высотному обоснованию (ПВО) для аэрофотосъемки с помощью БПЛА приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Требования к планово-высотному обоснованию для аэрофотосъемки с помощью БПЛА

2.2.2 Аэрофотосъемочные полевые работы

Оператор с помощью наземной станции управления (НСУ) задаёт территорию съёмки и требуемое пространственное разрешение. Программа рассчитывает полетное задание, проверяет его выполнимость. Пример расчета полетного задания в ПО Geoscan Planner 2.1 представлен на рисунке 2.1.

Программа управления полетом БПЛА позволяет выполнять следующие функции:

нанесение района проведения работ на пользовательскую карту;

расчет маршрутов полета БПЛА по исходным данным;

по масштабу создаваемого ЦТП и высоте сечения рельефа местности расчет высоты полета БПЛА;

по параметрам цифровой камеры, величине продольного и поперечного перекрытия аэрофотоснимков, максимальной и минимальной высоте рельефа в районе съемки, скорости и направление ветра – расчет времени выполнения полета, количества снимков на район съемки, скорость движения БПЛА, интервалы съемки;

в случае если для покрытия всего района съемки необходимо производить несколько полетов, а также, если старт и посадку БПЛА необходимо выполнять с разных стартовых позиций, - осуществить разбивку района съемки на отдельные участки.

Полётное задание загружается в автопилот беспилотника.

Рисунок 2.1– Пример расчета полетного задания в ПО Geoscan Planner 2.1

Порядок выбора точки старта и посадки БПЛА следующий:

точка старта должна находиться с минимальным удалением от исследуемых объектов;

определить направление маршрута относительно наземной станции управления и убедиться в отсутствии препятствий в этом направлении для обеспечения прямой радиовидимости;

определить направление запуска и убедится в отсутствии препятствий в этом направлении;

убедиться в отсутствии препятствий в зоне посадочной площадки; при этом следует учесть, что на посадку аппарат заходит против ветра, точка захвата координат является точкой открытия парашюта в режиме автоматической посадки и аварийной посадки в случае потери связи;

для безопасного запуска и посадки БПЛА необходимо отсутствие препятствий: строений, мачт, вышек, заводских труб высотой более 50 м на удалении 500 м;

площадка посадки выбирается вблизи точки старта из учета возможности визуального контроля оператором захода на посадку и посадки БПЛА;

для посадки БПЛА выбирается ровный участок местности диаметром не менее 50 м с травяным покрытием высотой не более 1 м; на площадке не должно быть предметов, при приземлении на которые возможно повреждение БП

Производится запуск беспилотного летательного аппарата с катапульты (рис. 2.2), и он в автоматическом режиме осуществляет взлёт, выход на заданную НСУ высоту и начинает выполнять полётное задание.

Во время полёта автоматически выполняется фотосъёмка и определение центров фотографирования с помощью GPS/ГЛОНАСС приёмника. Оператор на земле в режиме онлайн получает данные телеметрии (координаты, высота, крен, тангаж и др.). Все параметры отображаются на экране ноутбука, и оператор в онлайн режиме контролирует процесс выполнения работ, а также может в любой момент изменить поставленную задачу.

Рисунок 2.2 – Запуск БПЛА

По завершению выполнения полётного задания беспилотный летательный аппарат снижается до заданной НСУ высоты и выпускает парашют (рис. 2.3), происходит мягкая посадка. С технической точки зрения, использование парашюта является наиболее безопасным способом посадки на неподготовленную площадку, обеспечивая сохранность планера и бортового оборудования, позволяет значительно увеличить ресурс использования планера.

Рисунок 2.3– Посадка БПЛА

Непосредственно после приземления, есть возможность получить предварительный результат выполненной работы. Аэрофотоснимки загружаются в ноутбук с установленным программным обеспечением PhotoScan, и осуществляется предварительная обработка и построение 3D модели местности, ортофотоплана и цифровой модели местности (рис. 2.4).

Рисунок 2.4. Предварительная обработка полученных данных

При создании накидного монтажа каждый аэрофотоснимок отображается на цифровой карте. Расположение аэрофотоснимков на карте и их масштаб определяются координатами центральной точки аэрофотоснимка, углом азимута и высотой, полученными в момент фотографирования по данным бортового GPS-приемника.

По результатам накидного монтажа оцениваются следующие параметры:

наличие пропусков аэрофотоснимков в маршруте (пропущенным считается аэрофотоснимок, если продольное перекрытие смежных аэрофотоснимков меньше заданного);

отклонение масштаба аэрофотоснимков от заданного (не более 5 %);

продольное и поперечное перекрытие аэрофотоснимков;

прямолинейность маршрутов (для контроля прямолинейности маршрутов производится монтаж каждого маршрута по начальным направлениям; главные точки аэрофотоснимков, расположенных на концах маршрута, соединяются прямой, от которой измеряется стрелка прогиба (расстояние от прямой до наиболее удаленной от нее главной точки). Прямолинейность определяется в процентах отношением стрелки прогиба маршрута к его длине. Стрелка прогиба не должна превышать 2 % от длины маршрута.);

величина продольных углов наклона двух смежных кадров маршрута и взаимных поперечных углов наклона на перекрывающейся части двух смежных аэрофотоснимков соседних маршрутов следующие: углы наклона не должны превышать 3° (число аэрофотоснимков с углом наклона 3° допускается не более 10 % от общего количества аэрофотоснимков на съемочном участке);

ошибка установки цифровой камеры на угол сноса (не более 6°) .

Первая часть статьи «БЕСПИЛОТНЫЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ: ПРИМЕНЕНИЕ В ЦЕЛЯХ АЭРОФОТОСЪЕМКИ ДЛЯ КАРТОГРАФИРОВАНИЯ» касалась вопросов общейтеории: были рассмотрены существующие типы БПЛА, приведены пояснения основных терминов, связанных с их использованием, а также дан обзор нескольких моделей БПЛА, успешно применяемых при аэрофотосъемке в картографических целях.

Во второй части статьи будут рассмотрены особенности фотограмметрической обработки беспилотной аэросъемки, даны рекомендации по ее проведению и по установке основного и дополнительного оборудования на борт БПЛА для получения максимальной точности.

А.Ю. Сечин, М.А. Дракин, А.С. Киселева, «Ракурс», Москва, Россия, 2011.

Особенности данных аэросъемки с БПЛА

Аэрофотосъемка с БПЛА принципиально не отличается от съемки с «больших самолетов», но имеет определенные особенности, которые мы далее рассмотрим. Полет БПЛА, как правило, производится с крейсерской скоростью 70-110 км/ч (20-30 м/c) в диапазоне высот 300-1500 м. Для съемки обычно используются неметрические бытовые камеры с размером матрицы 10-20 мегапикселей. Фокусное расстояние камер обычно составляет около 50 мм (в 35 мм эквиваленте), что соответствует размеру пикселя на местности (GSD) от 7 до 35 см.

Часто снимки с БПЛА обрабатываются простыми нестрогими методами (аффинное преобразование снимков на плоскость). В результате, пользователь получает накидные монтажи, которые помимо низкой точности могут содержать разрывы контуров на стыках соседних снимков.

В данной статье при рассмотрении особенностей съемки с БПЛА и составлении рекомендаций по ее проведению мы будем исходить из строгой фотограмметрической обработки данных, в результате которой можно ожидать точность получаемых результатов (как правило, ортофотомозаики) порядка одного GSD. При значениях параметров съемки, указанных выше, результаты соответствуют по точности ортофотопланам масштабов от 1:500 до 1:2000 в зависимости от высоты съемки.

Для строгой фотограмметрической обработки данных аэросъемки и получения максимально точных результатов необходимо, чтобы снимки в одном маршруте имели тройное перекрытие, а перекрытие между снимками соседних маршрутов при площадной съемке составляло не менее 20%. На практике, при съемке с БПЛА эти параметры выдерживаются далеко не всегда. Полет БПЛА не устойчив, на него влияют порывы ветра, турбулентность и другие возмущающие факторы. Если съемку с обычных самолетов планируют с перекрытием вдоль маршрута 60%, а между маршрутами 20-30%, то проектировать съемку с БПЛА следует с перекрытием вдоль маршрутов 80%, а между маршрутами – 40%, чтобы, по возможности, исключить разрывы в фототриангуляционном блоке .

На БПЛА, как правило, устанавливаются цифровые камеры Canon. Это связано с легкостью электронного управления камерами этой фирмы. Использование бытовых камер имеет как преимущества (невысокая стоимость, легкость замены при «жесткой посадке»), так и недостатки.

Основным недостатком является то, что бытовые камеры изначально не откалиброваны – неизвестны их точные фокусные расстояния, главная точка, дисторсия. При этом нелинейные искажения оптики (дисторсия), допустимые при бытовой съемке, могут составлять до нескольких десятков пикселей, что на порядок снижает точность результатов обработки. Однако, такие камеры могут быть откалиброваны в лабораторных условиях, что позволяет получать точности обработки, практически такие же, как и для профессиональных малоформатных фотограмметрических камер.

Предпочтительней устанавливать на такие камеры объективы с фиксированным фокусным расстоянием. При съемке следует выставлять фокусировку на бесконечность и отключать функцию «автофокуса».

Второй недостаток используемых на БПЛА камер относится конкретно к камерам Canon– в них, в отличие от профессиональных фотограмметрических камер, используется щелевой затвор, в результате чего экспозиция разных частей изображения производится в разные моменты времени и соответствует разным положениям носителя. Так, если выдержка при съемке составляет 1/250 c, то при скорости БПЛА в 20 м/с смещение камеры при съемке кадра составляет 8 см, что сравнимо с разрешением съемки на малых высотах и вызывает дополнительную систематическую ошибку в снимке. Такие ошибки могут накапливаться в процессе фотограмметрического сгущения (уравнивании) при съемке протяженных территорий. Для того, чтобы уменьшить влияние этого эффекта и для ликвидации «смаза» снимков, следует осуществлять съемку с БПЛА с наименьшими возможными выдержками (не длиннее 1/250 c, максимальная выдержка зависит от высоты). Частично проблему щелевого затвора могли бы решить камеры с центральным затвором, имеющие сравнимое с камерами Canonкачество объектива и матриц. Тем не менее, чтобы избежать «смаза» выдержки все равно следует ограничивать.

Снимки цифровых камер, как любительских, так и профессиональных, имеют прямоугольную форму. «Выгоднее» располагать камеру так, чтобы длинная сторона снимка располагалась поперек полета – это позволяет снимать большую площадь при той же длине маршрута. Съемку следует производить с максимальным качеством – с наименьшим jpegсжатием или в RAW, если последнее возможно.

Современный уровень развития навигационных средств позволяет производить измерения элементов внешнего ориентирования (ЭВО) непосредственно в процессе съемки. Типичные точности таких измерений достигают единиц сантиметров по пространственным координатам X,Yи Zи 0.005 градуса по углам крена, тангажа и рысканья для самых точных систем ApplanixPOSAV, устанавливаемых на «большие самолеты». Часто этого достаточно, чтобы производить обработку без использования опорных точек. В любом случае, наличие таких данных значительно упрощает обработку и позволяет выполнять некоторые этапы обработки полностью в автоматическом режиме. Современные достижения микроэлектроники позволяют собрать механический (точнее MEMS– электронно-механический) гироскоп в корпусе размером в несколько мм, стоимостью от 250 $. Такие гироскопы не дают точность профессиональных, имеют значительный уход (порядка одного градуса за час) при эксплуатации, но существенно упрощают последующую обработку данных. При типовых поставках Птеро E4, Дозор 50 на борт могут быть установлены такие малогабаритные инерциальные системы - IMU(на Дозор-50 ставится IMUразработки ООО

«Транзаз Телематика») и высокоточные двухдиапазонные GPS (TOPCONeuro160 на Птеро-E4, встроенный ГЛОНАСС/GPS приемник на Дозор-50). Паспортная точность этих GPS приборов составляет 10 мм + 1,5 мм × B(B– удаление до базовой станции в км) в плане и 20 мм + 1,5 мм × Bпо высоте. К сожалению, обычно на борт БПЛА устанавливают болеедешевые GPSприемники и не устанавливают IMU датчики. Данные о центрах проекции снимков в телеметрической информации снимаются через протокол NMEAи имеют в таком случае точность до 20-30 м, а углы тангажа, крена и рысканья вычисляются через вектор скорости GPSизмерений. Точность угла рысканья в такой телеметрической информации невысокая и может превышать 10 градусов, а сами значения содержат систематические ошибки, что усложняет последующую обработку данных.

Если при съемке использовался двухдиапазонный GPSприемник в дифференциальном режиме (или PPPобработка данных GPS), то требуется минимальное число опорных точек для получения наиболее точных результатов обработки, обычно достаточно 1-2 точки на 100 снимков, в ряде случаев обработку можно проводить без опорных точек. В случае, когда нет точных центров проекции, требования к планово-высотному обоснованию стандартные: одна планово-высотная точка на 6-10 базисов съемки.

Специфика фотограмметрической обработки данных аэросъемки с БПЛА

Обработка аэрофотосъемки с БПЛА в цифровых фотограмметрических системах (ЦФС) в целом аналогична обработке аэрофотосъемки с «больших самолетов». Однако особенности данных с борта БПЛА часто не позволяют использовать автоматические процедуры стандартных пакетов – часть операций (например, расстановку связующих точек) приходится производить в ручном режиме. Ниже мы рассмотрим особенности обработки аэросъемки с БПЛА в ЦФС PHOTOMOD5.2. Именно в этой версии PHOTOMOD введены специальные функции для обработки таких данных, существенно упрощающие и автоматизирующие получение конечной продукции.

Как и при обработке других данных, сначала в ЦФС создается проект, в него вводятся снимки и телеметрическая информация. На основании данных о центрах проекции и углах производится создание накидного монтажа, разбивка по маршрутам. Снимки, попавшие на развороты БПЛА, удаляются в ручном режиме. Неточные угловые элементы внешнего ориентирования приводят к достаточно грубому накидному монтажу (Рис. 1):

Рис. 1. Накидной монтаж по телеметрической информации

Автоматический поиск связующих точек в таких случаях затруднен или требует значительного времени работы компьютера. Для уточнения накидного монтажа в таких случаях в ЦФС PHOTOMOD используется т.н. «автоматический накидной монтаж», который уточняет взаимное расположение снимков (Рис. 2).

Рис. 2. Накидной монтаж после автоматического уточнения

Как мы ранее отмечали, съемка с борта БПЛА производится с увеличенными перекрытиями. Нестабильность полета летательного аппарата иногда может привести к очень большим перекрытиям между соседними снимками, что вызывает сложности в стандартных фотограмметрических пакетах.

Рис. 3. «Перепутывание» снимков при маленьком базисе съемки

Разные углы и высоты съемки соседних кадров приводят к увеличению области поиска связующих точек и увеличению числа грубых ошибок по сравнению со стандартными аэрозалетами. После создания уточненного накидного монтажа выполняется процедура автоматического измерения связующих точек. На первых проходах накидной монтаж опять уточняется:

Рис. 4. Накидной монтаж после первых проходов автоматического измерения связующих точек

На следующих проходах производится доизмерение связующих точек. Несколько проходов необходимы в случае, когда телеметрическая информация не содержит всех углов ориентирования, или углы известны с точностью 10-30 градусов. Если же телеметрическая информация содержит угловые элементы ориентирования с точностью в несколько единиц градуса, то достаточно и одного прохода – надежность автоматических измерений в этом случае повышается. Для борьбы с возможными грубыми ошибками при автоматических измерениях в PHOTOMOD5.2 введено понятие т.н. «доверительной группы связующих точек», когда программа ищет наибольшее число связующих точек для стереопар с наименьшим поперечным параллаксом, остальные связующие точки, не попавшие в группу, считаются ошибочными.

После измерения связующих и опорных точек производится процедура уравнивания. В ЦФС PHOTOMODможно использовать начальное приближение для алгоритма уравнивания как по уточненной схеме блока, так и построенное другими методами. Начиная с версии 5.2 для уравнивания аэросъемки с БПЛА мы рекомендуем использовать новый режим – уравнивание 3D. При уравнивании в PHOTOMODи достаточном числе опорных точек можно использовать самокалибровку. Это дает возможность использования некалиброванных камер. Ожидаемая точность выходных результатов при строгой фотограмметрической обработке составляет приблизительно 1-2 GSDв плане и 2-4 GSDпо высоте. После фотограмметрического уравнивания, результаты которого и определяют точность выходных продуктов, производится построение рельефа (ЦМР) в автоматическом режиме. При необходимости, после уравнивания может быть сделана стереовекторизация – отрисовка в ручном режиме зданий, сооружений, мостов, дамб и других объектов. Построенный рельеф используется для ортотрансформирования снимков. На последнем этапе из ортотрансформированных снимков создается бесшовная мозаика – производится расчет линий порезов, выравнивание яркостей, стыковка контурных объектов. Самокалибровку можно включать и при отсутствии опорных точек, правда, в этом случае можно рассчитать только коэффициенты k1, k2 радиальной дисторсии. При использовании камер с щелевым затвором можно дополнительно включить расчет аффинных искажений. В случае стабильности углов ориентирования при съемке такая самокалибровка может повысить точность уравнивания.

Если используется некалиброванная камера и отсутствуют опорные точки, то можно говорить о точности в несколько десятков метров, которая будет определяться точностью

GPSцентров проекций и дисторсией объектива (до нескольких десятков пикселей). В таких случаях можно применять упрощенную автоматизированную последовательность обработки. Бесшовный накидной монтаж указанной точности при этом получается за счет трансформирования исходных снимков в модуле PHOTOMODGeoMosaic.В этом случае используются простейшие методы трансформирования, не учитывающие рельеф местности, а стыковка контуров осуществляется за счет автоматически рассчитываемых связующих точек вдоль автоматически построенных линий порезов.

Примеры фотограмметрической обработки данных аэросъемки с БПЛА

Рассмотрим несколько примеров обработки аэросъемки с БПЛА. Во всех примерах для обработки использовалась ЦФС PHOTOMOD. Отметим, что различными организациями в компанию «Ракурс» для тестирования было передано более 20 блоков аэросъемки с БПЛА. К сожалению, для многих блоков отсутствовали опорные точки и/или съемка была проведена неоткалиброванными камерами. В таких случаях было невозможно оценить точность конечных результатов обработки.

Первый блок, который мы рассмотрим, был снят с борта БПЛА ZALA421-04ф. Данные для исследований были любезно предоставлены ОАО «Газпром космические системы». Блок состоял из 26 маршрутов. Общее число снимков в блоке составило 595. Использовалась предварительно откалиброванная цифровая камера Canon EOS500D. Высота залета над местностью составила около 500 м, размер пиксела на местности приблизительно равен 8 см. На местности были измерены и промаркированы 25 опорных точек, точность координат опорных точек не превышала 10 см. Общий перепад высот местности протяженностью около 3-х километров достаточно большой ~ 70 метров.

Сначала этот же блок аэросъемки был обработан в автоматическом режиме по упрощенной схеме, без уравнивания и использования опорных точек. Привязка осуществлялась по центрам проекции, трансформирование снимков проводилось сразу в модуле GeoMosaicбез учета рельефа. Последующий контроль полученных «псевдо» ортофотопланов по опорным точкам показал расхождения на опорных точках, превышающие 17 м. Такая невысокая точность ортофотплана обусловлена как большим перепадом высот, так и неточностью измерений центров проекций в полете.

Затем блок был подвергнут строгой фотограмметрической обработке. При уравнивании три из измеренных опорных точек считались контрольными. Среднеквадратическая ошибка уравнивания составила по опорным точкам 15 см, 16 см, 12 см, по контрольным точкам 23 см, 29 см и 57 см. Расхождения на связующих точках составили 8 см, 14 см и 69 см. Общий вид блока представлен на следующем рисунке.

Рис. 5. Общий вид «блока 1»

В процессе уравнивания было обнаружено, что координаты центров проекций из телеметрической информации содержат систематическую ошибку, главная из компонент которой составляет 10,5 метра по высоте Z. Среднеквадратические ошибки на центрах проекции после вычитания систематической ошибки составили 84 см, 239 см и 75 см. Существенно большая ошибка по Y(вдоль полета), скорее всего, связана с неточным определением моментов съемки в телеметрии. Большие ошибки по Zна связующих точках возможно связаны с неточной калибровкой камеры и с накопленной ошибкой при съемке камерой с щелевым затвором. Наибольшие ошибки на связующих точках наблюдаются на краях и в углах снимков.

Рис. 6. Величины ошибок на связующих точках

Дальнейшая обработка блока проводилась по стандартной схеме. Был построен рельеф в автоматическом режиме и сделано ортотранформирование с учетом построенного рельефа. Фрагмент построенного ортофото приведен на следующем рисунке. При построении этого фрагмента специально не включалась функция выравнивания яркости для демонстрации совпадения контуров соседних снимков.

Рис. 7. Фрагмент ортофотоплана без выравнивания яркости

В апреле 2011 кафедрой фотограмметрии Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК) были проведены исследования материалов аэрофотосъёмки, полученных с помощью БПЛА Птеро, с целью оценки качества аэросъёмочных работ и фотограмметрической обработки . Съемка выполнялась с высоты около 900 м над средней плоскостью снимаемой местности с борта БПЛА Птеро цифровой фотокомерой CanonEOS5D. Камера была предварительно откалибрована. Для оценки качества материалов использовался фрагмент блока, состоящий из 2-х маршрутов по 6 снимков в каждом. В качестве опорных использовались 14 точек, плановые координаты XYкоторых были сняты с планов масштаба 1:1000, а высота Zопределялась по материалам воздушного лазерного сканирования, выполненного с точностью около 20-30 см. После фотограмметрического уравнивания среднеквадратические погрешности координат на опорных точках составили по X, Yи Zсоответственно 20 см, 21 см и 50 см. Среднеквадратические погрешности координат связующих точек составили 6 см, 6 см, 15 см. Размер пиксела на местности для этого блока GSDсоставляет около 12 см. Общая схема блока показана на следующем рисунке.

Рис. 8. Схема «блока 2» с опорными и связующими точками

Вопросы метрологического обеспечения

В целом, использование БПЛА для аэросъемки и для получения материалов картографической точности показывает экономическую эффективность и является оперативным. Для широкого внедрения такой аэросъемки требуется координация усилий как производителей БПЛА, так и пользователей их эксплуатирующих, а также разработчиков цифровых фотограмметрических систем.

Одним из сдерживающих факторов внедрения БПЛА для решения перечисленных выше задач является отсутствие у большинства организаций практического опыта их использования, а также отсутствие теоретически обоснованных рекомендаций по выбору съемочной аппаратуры для БПЛА и параметров выполняемой с их помощью аэрофотосъемки.

Отметим здесь интересный проект МИИГАиК – с целью отработки и исследования технологий мониторинга и картографирования местности по материалам беспилотной аэрофотосъемки, начаты работы по созданию специализированного исследовательского полигона. Этот полигон, площадью около 50 кв. км, создается в Заокском районе Тульской области, на базе учебного геополигона МИИГАиК, расположенного в 110 км от Москвы.

Территория полигона представляет собой уникальное многообразие картографических объектов. На этой территории расположены разнообразные населенные пункты: поселок городского типа, деревни, дачные и коттеджные поселки; дорожная сеть в виде железных, шоссейных, проселочных и полевых дорог; линии электропередачи различного напряжения; трубопроводы. На территории полигона имеются лесные массивы, различные гидрографические объекты, многообразные формы рельефа, сельскохозяйственные угодья и производственные объекты.

С целью обеспечения отработки и исследования технологий, основанных на применении БПЛА, на территории полигона начаты работы по созданию высокоточной сети планово-высотных опознаков (в виде естественных контуров местности и маркировочных знаков); ведется топографическая наземная съемка характерных участков местности в масштабе 1: 500 и 1: 2000. На эту же территорию по материалам аэрофотосъемки и космическим снимкам высокого разрешения созданы ортофотопланы и цифровые модели местности. По мере поступления новых съемочных материалов эти работы предполагается выполнять в дежурном режиме.

Для оценки изобразительных свойств снимков, полученных с помощь БПЛА, на полигоне будут развернуты радиальные миры.

Первые испытания планируется провести в середине июля 2011 г. Планируется провести тестовую аэрофотосъемку территории полигона в различных масштабах с помощью отечественного БПЛА «ПТЕРО» с целью отработки и исследования фотограмметрической технологии создания карт различного масштаба по полученным материалам аэрофотосъемки. Фотограмметрическую обработку полученных снимков предполагается выполнить на цифровой фотограмметрической системе PHOTOMOD. В сентябре предполагается провести испытания БПЛА «Х100» бельгийской фирмы Gatewing и БПЛА «МИИГАиК Х8», разработанного в МИИГАиК.

Созданием полигона и проведением на нем испытаний БПЛА и технологий, основанных на их использовании, МИИГАиК намерен помочь потенциальным пользователям освоить и внедрить новые технологии, а разработчикам летательных аппаратов и съемочных систем адаптировать их к решению актуальных задач производства.

Использование БПЛА в качестве аэросъемочной платформы имеет большие перспективы при съемке небольших по протяженности площадных объектов и при съемке линейных объектов. Данные с БПЛА позволяют получать качественные картографические материалы (пространственные данные) при следующих условиях:

· выполнении определенных (вполне посильных) требований к съемочной аппаратуре и процессу съемки (гарантия достаточности перекрытий);

· строгой фотограмметрической обработке. Точность при этом возрастает в десятки раз и может составлять около GSD, как и для обычной аэросъемки и космических снимков.

Наши рекомендации для получения максимальной точности результатов съемки предназначены как для пользователей, эксплуатирующих БПЛА, так и для конструкторов, устанавливающих оборудование на беспилотники, и состоят в следующем.

· Использовать на БПЛА калиброванные камеры.

· Производить съемку с выдержкой не длиннее 1/250с.

· Использовать объективы с фиксированным фокусным расстоянием. Если это невозможно, следует фиксировать увеличение (Zoom). Съемка должна производиться с фокусировкой на бесконечность и с отключенным режимом автофокусировки.

· Проектировать съемку с увеличенными перекрытиями (80% вдоль, 40% поперек маршрута).

· Желательно использовать камеры с центральным затвором.

· Желательно использовать двухдиапазонные GPS приемники на борту и дифференциальный режим измерений.

· Желательно использование на борту IMU, пусть и не имеющего высокой точности.

Благодарности

Благодарим компании: «Беспилотные системы ЗАЛА АЭРО», ОАО «Газпром космические системы», «АФМ-Серверс», ООО «Геометр-Центр», НПИ и КЦ «Земинформ», ЗАО «Транзас», ЗАО «Лимб» за помощь в подготовке материала, предоставление данных и полезные обсуждения.

Литература

1. Чибуничев А.Г., Михайлов А.П., Говоров А.В. Калибровка цифровых фотокамер: Вторая научно-практическая конференция РОФДЗ. Тезисы докладов. М., 2001 г. с38-39.

2. Скубиев С.И., Научно-производственный институт земельно-информационных технологий Государственного университета по землеустройству «Земинформ» (Россия), Использование беспилотных летательных аппаратов для целей картографии. Тезисы XЮбилейной международной научно-технической конференции «От снимка к карте: цифровые фотограмметрические технологии». Гаета, Италия, 2010.

3. Результаты полевых исследований БПЛА «Птеро»

БПЛА для аэрофотосъемки позволяет существенно снизить затраты на производство аэрофотосъемочных работ. Опыт работ показывает, что для проведения аэрофотосъемки с целью подсчёта объёмов горной породы на карьере площадью 2 км2, потребуется 1 час. Традиционная же методика работ, включающая наземную инструментальную съёмку, потребует не менее трёх дней

Описание:

БПЛА для аэрофотосъемки позволяет существенно снизить затраты на производство аэрофотосъемочных работ. БПЛА , специализированный для решения задач геодезии и картографии, представлен аппаратом DELTA-M, который по своим техническим характеристикам не имеет аналогов среди других лёгких российских БПЛА гражданского назначения и, по существу, представляет собой самостоятельный картографический инструмент.

Отличительной особенностью БПЛА для аэрофотосъемки DELTA-M является наличие высокоточного приёмника глобальной навигационной спутниковой системы и опорно-поворотного устройства с гиростабилизацией, стабилизирующего оптическую ось. Благодаря последнему при выполнении аэрофотосъемки отсутствует так называемая «ёлочка», которая образуется в случае применения БПЛА с жёстко прикрепленным к корпусу фотоаппаратом из-за колебания корпуса планера.

Отсутствие «ёлочки» позволяет увеличить расстояние между маршрутами, что ведет к увеличению площади аэрофотосъемки, выполняемой за один полет. Кроме того, существенно уменьшается количество фотографий, вовлекаемых в обработку, что существенно сокращает сроки обработки первичных материалов для получения качественного ортофотоплана.

Преимущества:

– снижение затрат на производство аэрофотосъемочных работ,

– высокая производительность. Опыт работ показывает, что для проведения аэрофотосъемки с целью подсчёта объёмов горной породы на карьере площадью 2 км2, потребуется 1 час. Получение ортофотоплана и ЦМР занимает не более 4-х часов автоматической обработки, которую возможно производить в ночное время без участия оператора. Традиционная же методика работ, включающая наземную инструментальную съёмку, потребует не менее трёх дней,

– применение беспилотных летательных аппаратов позволяет выполнять съёмку труднодоступных мест, исключая нахождение в них работников предприятия, и не подвергая их риску для жизни и здоровья.

Технические характеристики БПЛА для аэрофотосъемки DELTA-M:

Этапы аэрофотосъемки:

Технологически аэрофотосъёмка с БПЛА производится в несколько этапов: подготовительные камеральные работы и составление лётного задания; маркирование опорных точек на местности и выполнение лётного задания (полевые работы); камеральная обработка полученных материалов.

Для получения высокоточных данных необходима предварительная инструментальная привязка сети опорных точек и закрепление на них опознавательных знаков, которые в идеальном случае представляют собой кресты с обозначенным центром, маркированные на местности. Их количество может зависеть от типа рельефа, целей проведения и условий съёмки. Например, для получения качественного ортофотоплана масштаба 1:1000 с применением опорно-поворотного устройства с гиростабилизацией достаточно 8 опорных и 2 контрольных точек на 1 км2 местности.

Перед запуском БПЛА в интерфейсе наземной станции управления (НСУ) задаются: область съёмки, требуемые значения продольного и поперечного перекрытия и высота полета, от которой зависит пространственное разрешение снимков. По указанным параметрам наземная станция управления автоматически создает маршрут, следуя по которому, БПЛА совершает аэрофотосъёмку с фиксацией координат каждой точки фотографирования.

Получение качественных результатов фотосъёмки обеспечивается обработкой цифровых снимков в специализированных программных пакетах, таких как: Pix4Dmapper, Photoscan, PHOTOMOD, позволяющих существенно упростить и автоматизировать процесс обработки исходных материалов (определение связующих точек на соседних снимках и уравнивание по указанным опорным точкам). Обработка материалов аэрофотосъемки полностью автоматизирована, для этого необходимо загрузить в программное обеспечение полученные аэрофотоснимки, положение центров фотографирования и задать координаты опорных точек, после чего программное обеспечение создаст точную цифровую модель местности.

Беспилотники для воздушной съемки в гражданских целях решают следующие задачи:

• Съемка свадеб и корпоративов.
• Охрана личных вещей, домов, отдельно стоящих зданий на участке.
• Доставка и перевозка различных ценностей.
• Использование аппаратов для охоты и наблюдения.
• Помощь в разведке труднопроходимых дорог, в незнакомой местности.
• Интерьерная и экстерьерная съемка фасадов домов, коттеджей, зданий.
• Панорамная съемка городов, районов города.
• Аэросъемка спортивных соревнований (велогонок, заплывов, айронмен и т.д.

Купить БПЛА для аэрофотосъемки Вы можете с нужными целевыми нагрузками.

Стоимость беспилотника для аэрофотосъемки начинается от 80 000 рублей.

• Сам беспилотный аппарат.
• Наземная станция управления.
• Комплект запасных частей.
• Программное обеспечение (уже установлено).
• Инструкция, полетные формуляры.