Выводы по главе

Анализ литературных источников показал, что аэрофотосъемка с БПЛА может с успехом заменить традиционную аэрофотосъемку и наземные методы сбора пространственных данных с целью создания топографических планов и карт крупных масштабов.

Точность ортофотопланов и ЦММ, созданных в результате обработки материалов аэрофотосъемки с использованием БПЛА, не уступает точности материалов традиционных методов, которые требуют значительных затрат времени и средств.

2. Технология создания топографических планов по материалам аэросъемки с БПЛА "Геоксан"

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:

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

2) 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°) [17].

2.3 Камеральные работы

Камеральные работы состоят из:

1) фотограмметрической обработки материалов АФС в ПО PhotoScan Pro - получение цифровой модели местности и ортофотоплана;

2) картографических работ - создание цифрового топографического плана по ортофотопланам и рельефа в виде горизонталей с заданным сечением по цифровой модели поверхности.

Полученный в результате выполнения аэрофотосъемки массив данных подлежит фотограмметрической обработке с помощью автоматизированного программного обеспечения. Исходными материалами программы Agisoft PhotoScan являются цифровые растровые изображения, координаты центров фотографирования, материалы калибровки оптических систем фотоаппаратов, координаты опорных точек на местности, контрольные линейные измерения на объекте съёмки. В результате обработки материалов фотосъёмки могут быть получены:

· трёхмерные модели местности в TIN и DEM форматах (рис. 2.5а);

· трёхмерные модели местности с текстурой из исходных фотоизображений (рис. 2.5б);

· трёхмерные модели местности в виде облаков точек;

· ортофотопланы заданного пользователем разрешения в пользовательских границах и нарезке (рис. 2.6).

Рисунок 2.5 - Примеры итоговых 3D-моделей в форматах: а) TIN и б) 3D PhotoScan

Рисунок 2.6 - Пример получаемого ортофотоплана дорожной развязки

В качестве исходных данных программное средство Agisoft PhotoScan использует:

· растровые фотографии в форматах: JPEG, TIFF, PNG, BMP, PPM, CR2, MPO;

· координаты центров фотографирования и опорных точек в формате TXT, CSV.

В программе Agisoft PhotoScan нет ограничений на величину фотографий и число одновременно обрабатываемых изображений.

Координаты центров фотографирования и опорных точек могут быть представлены в любой из представленных в программе глобальных и зональных систем координат и картографических проекций. Также данные могут быть представлены в пользовательской прямоугольной системе координат.

Точность определения координат центров фотографирования и опорных пунктов напрямую влияет на точность построения модели. Соотношение точности координат центров снимков с точностью координат опорных точек (которые почти всегда определяются разными способами) регулируется весовыми коэффициентами. Наряду с наличием процедуры калибровки оптической системы фотокамеры программными средствами существует возможность применения данных калибровки, выполненной в лабораторных условиях.

Во время получения параметров взаимного ориентирования определяется наличие одинаковых точек на всех снимках, пересекающихся друг с другом. Количество соответствующих точек на одном снимке предварительно ограничивается, но не бывает меньше нескольких тысяч.

В результате обработки материалов аэрофотосъёмки могут быть получены следующие виды данных:

· облака точек в форматах: Wavefront OBJ, Stanford PLY, XYZ Point Cloud, ASPRS LAS;

· 3D-модели в форматах: Wavefront OBJ, 3DS models, VRML, Stanford PLY, Autodesk DXF, COLLADA, U3D, Adobe PDF;

· ортофотопланы в форматах: JPEG, PNG, TIFF, GeoTIFF, мозаика в формате Google Earth KML;

· матрица высот в форматах: GeoTIFF, Arc/Info ASCII Grid (ASC), Band interlieved file format (BIL).

3. Исследование точности построения ЦММ и ортофотоплана по материалам аэросъемки с БПЛА автодороги "Сосново-Дедушкино" Чайковского района Пермского края

3.1 Описание выполненных аэрофотосъемочных работ

В ноябре 2014 года была выполнена аэрофотосъемка автодороги "Сосново - Дедушкино" Чайковского района Пермского края с помощью комплекса "Геоскан 101". Географическое месторасположение объекта съемки показано на рисунке 3.1. Параметры АФС приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Параметры АФС

Рисунок 3.1 - Географическое месторасположение автодороги "Сосново - Дедушкино"

3.1.1 Планово-высотная подготовка

Перед началом аэросъемки были проведены полевые топографо-геодезические работы для планово-высотной подготовки (ПВП).

Была создана опорная геодезическая сеть на объекте, состоящая из 7 пунктов, закрепленных жестко на местности металлическими штырями. Исходными пунктами служили 2 пункта ГГС.

Координаты пунктов опорной геодезической сети определялись GPS-методом.

Схема сети приведена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Опорное геодезическое обоснование объекта

Пункт G2 был использован в качестве базовой станции для геодезической привязки точек фотографирования.

В качестве опознаков использовались одноразовые пластиковые или бумажные тарелки белого цвета размером 18 см и более. Применение одноразовых тарелок в качестве точек ПВП наиболее целесообразно, так как не требует составления абриса и описания. Такие точки хорошо дешифрируются на цифровом снимке и имеют размер 4-5 пикселей. Координаты и высоты опознаков были определены тахеометрическим методом от пунктов опорного геодезического обоснования. Всего было закреплено 105 опознаков, схема размещения которых показана на рисунке 3.3. Таблица координат и высот опознаков приведена в приложении А.

Рисунок 3.3 - Схема размещения опознаков на объекте

3.2 Результаты обработки, исходный материал для исследования

На борту БПЛА имеется геодезический приемник GPS, который во время аэросъемки фиксирует координаты центра каждого снимка в системе WGS-84. Для автоматической обработки результатов аэросъемки файлы с цифровыми снимками и результатами привязки их центров загружались в программный комплекс PhotoScan. После этого в автоматическом режиме выполнялась фотограмметрическая обработка и создавалась трехмерная цифровая модель территории, которая включала цифровой ортофотоплан , общий вид которого показан на рисунке 3.4 и в крупном масштабе на рисунке 3.5 (фрагмент); цифровую модель рельефа, графическое представление которой показано на рисунке 3.6; взаимные перекрытия снимков и местоположение камеры в момент фотографирования (рисунок 3.7) и др. Фрагменты ортофотоплана приведены в приложении Б.

Рисунок 3.4 - Общий вид ортофотоплана автодороги "Сосново - Дедушкино"

Рисунок 3.5 - Фрагмент ортофотоплана автодороги "Сосново - Дедушкино" с разрешением 2 см на пиксель

Рисунок 3.6 - Графическое представление ЦМР автодороги "Сосново - Дедушкино"

Рисунок 3.7 - Взаимные перекрытия снимков и местоположение камеры в момент фотографирования автодороги "Сосново - Дедушкино"

3.3 Оценка точности ЦМР

Исходным материалом для оценки точности служили разности высот ЦМР и отметок земной поверхности :

.

Отметки высот в точках с известными координатами пикетов, полученных из тахеометрической съемки объекта, рассчитывались путем интерполирования матрицы высот ЦМР двумерными полиномами нулевой, первой, второй и третьей степени, используя стандартные программу ip03r_c библиотеки численного анализа ВЦ МГУ [18]. Всего было использовано 1094 точки, из которых в обработку было взято 563 точки, которые не выходили за пределы границы ЦМР. Таблица координат и высот всех пикетных точек приведена в приложении В, символом * отмечены точки, взятые для оценки точности ЦМР.