Разработка метода применения беспилотной авиационной системы самолетного типа для получения цифровой модели рельефа и цифровой модели местности

Для выполнения полетов БВС в целях обороны, государственной и общественной безопасности, а также проведения поисково-спасательных мероприятий и оказания помощи при стихийных бедствиях и чрезвычайных ситуациях план полета подается не менее чем за 3 ч до начала деятельности.

План полета подается в ЗЦ ЕС ОрВД на бумажном носителе, включая факсимильное сообщение (факс (343) 205-80-68), по электронной почте (zc@ur.gkovd.ru) или через систему представления планов полетов по Интернету (СИПИ): сайт www.ivprf.ru или http://ural.ivprf. ru/ с последующим уточнением приема через 15 мин по тел. (343) 205-80-71.

В случае использования воздушного пространства над населенными пунктами одновременно с подачей плана полета в ЗЦ ЕС ОрВД направляется копия разрешения соответствующего органа местного самоуправления. (п. 40.5 ФАП № 6 от 16.01.2012 «Организация планирования ИВП РФ»).

Форма и содержание представленного плана должны соответствовать требованиям, изложенным в Табеле сообщений о движении воздушных судов в Российской Федерации, утвержденном приказом Минтранса России от 24 января 2013 г. № 13 (в ред. приказа Минтранса России от 22.12.2016 г. № 403).

2.1.5 Логистика

Помимо технических аспектов, необходимо учесть логистические моменты, такие как доступность места съемки, логистика перемещения оборудования и персонала, а также обеспечение безопасности работ.
Идея использовать БЛА (БЛА - беспилотный летательный аппарат) для доставки грузов технического назначения, применяемого в аэрофосъёмке, давно обсуждается. Доставка грузов с помощью беспилотных летательных аппаратов сегодня -- это одно из перспективных направлений применения беспилотников в гражданской сфере, а одна из главных особенностей данного вида транспорта в том, что груз можно доставить в труднодоступные районы за короткий срок. В качестве груза могут выступать: 1) Оборудование фотосъёмки [1]. 2) Доставка персонала к труднодоступным местам работ[1]. 3) Доставка различных хозяйственных продуктов и материалов (включая еду и напитки). На данный момент сразу разрабатывают беспилотные авиационные комплексы для доставки грузов. Сам же метод доставки при помощи БЛА заключается в том, что дрон получает информацию о доставке (например, информацию о грузе, информацию о местоположении груза и / или информацию о месте доставки), автономно или полуавтономно получает груз из места хранения и доставляет по воздуху (рис. 21). В некоторых реализациях БЛА будет связываться с другими БЛА, которые находятся относительно недалеко друг от друга для получения информации, используемой для планирования маршрута. Эта информация может храниться на сервере автономной базовой станции и/или динамически распределяться между ближайшими БЛА.



Рис. 21. Схема обработки заявки по доставке груза

Когда БЛА достигает места доставки, он исследует поверхность в месте доставки для безопасной посадки, производит посадку, затем отпускает груз, тем самым завершая доставку. В дальнейшем, если БЛА ранее успешно приземлился в месте доставки, он может использовать сохраненную информацию о месте доставки (например, безопасную зону посадки, географические координаты зоны посадки) для навигации при посадке в точке доставки. После завершения доставки БЛА может вернуться в базовый пункт обработки или в другое место для получения другого груза, зарядки батарей и т. д. Кроме того, пользователи смогут указать альтернативные места доставки, например дом, рабочее место и т.д. Для избегания столкновений дроны будут избегать препятствия в окружающей среде, таких как животные, люди, различные небольшие сооружения и т.д. при помощи машинного зрения. Далее более конкретно рассмотрим некоторые основные элементы системы доставки, такие как: веб-интерфейс (рис. 22) для осуществления заказа и выбора типа и места доставки, информационная сеть беспилотников (рис. 23) для осуществления обмена оперативной информацией и удаленного управления и сортировочная базовая станция рис. 24) для формирования и выдачи заказа, а также для зарядки и обслуживания дронов. На рисунке 22 изображен концепт графического пользовательского интерфейса с выбором варианта доставки заказа. В данном примере пользователь хочет сделать заказ «6 «Touch Screen Display», которое продается компанией ABC. В процессе покупки пользователь может выбрать один или несколько способов доставки, которые могут быть использованы для доставки выбранного товара. В этом примере пользователь выбрал «автоматизированную воздушную доставку» с оценкой времени доставки в 30 минут. Если пользователь не желает получать товар с помощью автоматической воздушной доставки, он может выбрать другой вариант доставки, нажав кнопку «Выбрать другой вариант доставки». В еще одной реализации пользователь может выбрать время доставки для воздушной доставки. Например, если пользователь не желает получить заказ, в данном примере через 30 минут он может выбрать другое время, в которое он хотел бы получить элемент.

Рис. 22. Концепт графического интерфейса сервиса доставки

В дополнение к выбору способа доставки, пользователь может выбрать место доставки. С помощью описанных здесь реализаций пользователь теперь имеет возможность выбрать “Доставь мне” (A). С помощью этой опции определяется фактическое местоположение пользователя, и БЛА доставляет элемент в текущее местоположение пользователя. Текущее местоположение пользователя может быть основано, например, на определенном местоположении портативного устройства (например, мобильного телефона), связанного с пользователем, местоположении сети, используемой пользователем при оформлении заказа, и т.д. Например, пользователь может определить свое текущее местоположение, разрешив предоставлять данные глобальной системы позиционирования («GPS») с помощью своего мобильного устройства. В качестве альтернативы, если пользователь подключен через беспроводную сеть (например, cellular, Wi-Fi, satellite), местоположение сети может быть определено и использовано в качестве текущего местоположения пользователя.

Рис. 23. Структура ячеистой сети обмена данными между БЛА и объектами инфраструктуры

На рисунке 23 изображена блок-схема среды БЛА, которая включает в себя БЛА, место безопасной доставки, ретранслятор, погрузо-разгрузочную базовую станцию и удаленные вычислительные центры. Каждый из БЛА, точки доставки, места ретрансляции, погрузо-разгрузочной базовой станции и / или удаленных вычислительных центров могут быть сконфигурированы для связи друг с другом. Например, БЛА могут быть сконфигурированы для формирования беспроводной ячеистой сети, которая использует Wi-Fi, мобильную сеть 5G или другое беспроводное средство связи, причем каждый БЛА связывается с другими БЛА в пределах диапазона беспроводной связи. Удаленные вычислительные центры образовывают вычислительную платформу, состоящую из серверов, которые доступны через ячеистую сеть и/или другую беспроводную или проводную сеть (например, Интернет). Как показано на рисунке 3, удаленные вычислительные центры могут включать в себя один или несколько серверов. Эти серверы могут быть расположены любым способов, например как серверные фермы, стеки, которые обычно используются в центрах обработки данных. Кроме того, серверы могут включать в себя систему управления БЛА. Беспроводная ячеистая сеть может использоваться для обеспечения связи между беспилотными летательными аппаратами (например, для обмена информацией о погоде, информацией о местоположении, зонах посадки), системой управления беспилотными летательными аппаратами, погрузо-разгрузочной базовой станцией, безопасными точками доставки. В некоторых случаях, если БЛА теряет связь с другими БЛА через беспроводную ячеистую сеть, он может активировать альтернативный метод беспроводной связи для восстановления соединения. Например, если БЛА не может связываться с любыми другими БЛА через ячеистую сеть, он может активировать канал сотовой и/или спутниковой связи для получения необходимой информации из системы управления БЛА. Если альтернативный метод связи не активировался, то дрон может автоматически и автономно перемещаться в указанное место (например, в ближайшую автономную базовую станцию).



2.2 Выполнение аэрофотосъемки с использованием беспилотных авиационных систем

В состав инженерных изысканий входят следующие основные виды: инженерно-геодезические, инженерно-геологические, инженерно-гидрометеорологические, инженерно-экологические изыскания и др. И почти для каждого из этих видов характерно внедрение беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). С их помощью выполняются рекогносцировочные наблюдения, построение цифровых 3d-моделей местности и инженерных сооружений, мониторинг за развитием опасных природных и техногенных процессов, загрязнением атмосферы и поверхностных вод. Но наиболее широко применение БПЛА при выполнении инженерно-геодезических изысканий. Получение геопространственных данных с помощью беспилотных систем - менее трудоемкий, более быстрый и достаточно точный способ в сравнении с традиционными наземными методами. С помощью БПЛА возможно создание цифровых ортофотопланов, топографических карт и планов, цифровых моделей рельефа и местности. Использование БПЛА позволяет существенно снизить сроки выполнения работ и максимально, насколько это возможно, автоматизировать труд геодезистов-изыскателей [1]. На сегодняшний день аэрофотосъемка активно развивается благодаря появлению легких недорогих беспилотных летательных аппаратов и позволяет получить предварительный результат уже на следующий день, а окончательный -- через некоторое время, гораздо меньшее по сравнению со временем, потраченным на выполнение геодезических изысканий только наземным способом [1].

Технология аэрофотосъемки на основе БПЛА состоит из следующих этапов: подготовительные работы (изучение местности, подлежащей фотографированию; подготовка карт, проектирование маршрутов полета и расчет элементов фотосъемки); полевые работы (закрепление и координирование опознаков, либо установка базовой станции, летно-съемочные); камеральные работы (обработка результатов геодезических измерений, фотограмметрическая обработка снимков) [2]. Опознаки закрепляются и координируются при помощи GPS оборудования методом спутниковых наблюдений. Количество опознаков зависит от размера области работы, требуемой точности и режима съемки. При использовании наземной базовой станции высокая точность получаемых центров фотографирования позволяет полностью отказаться от использования опорных точек, либо использовать несколько точек для контроля результатов. Процесс аэрофотосъемки и обработки материалов максимально автоматизирован. Полет выполняется полностью в автоматическом режиме - от взлета до посадки. Современное фотограмметрическое программное обеспечение способно работать на базе компьютерного зрения, благодаря чему процесс обработки снимков хорошо автоматизирован. Съемка и создание ортофотоплана на территорию площадью 2 км2 с разрешением от 2 см на пиксель может быть выполнена в течение 1 дня (при обработке в полевых условиях). Пользователь получает оперативную цифровую информацию для интерпретации ее в топографический план или подробную карту в масштабе 1:500-1:5000 [3]. При этом существует несколько подходов к выполнению инженерно-геодезических изысканий с использованием материалов аэрофотосъемки: 1. Создание инженерно-топографических планов только по материалам аэрофотосъемки. 2. Создание инженерно-топографических планов по материалам аэрофотосъемки и полевого дешифрирования. 3. Использование материалов аэрофотосъемки в качестве абрисов при наземной инструментальной съемке. Каждый из этих подходов имеет право на жизнь и может использоваться в зависимости от сложности снимаемых объектов. Создание инженерно-топографических планов только по материалам аэрофотосъемки возможно лишь на простых участках без древесно-кустарниковой и высокой травяной растительности, коммуникаций. Использование материалов аэрофотосъемки в качестве абрисов при наземной инструментальной съёмке может применяться на сложных объектах.

При таком подходе в значительной степени нивелируется одно из главных преимуществ использования БПЛА - оперативность. Наиболее рациональным является второй подход. Он подходит для объектов разного уровня сложности и способен в полной мере раскрыть потенциал использования БПЛА. Порядок работ при данном подходе, следующий: Выполнение аэрофотосъемки и фотограмметрической обработки. Оцифровка материалов аэрофотосъемки с выделением мест, требующих уточнения. Полевое дешифрирование и набор дополнительных необходимых данных. Финальная камеральная оцифровка данных. Таким образом, полностью заменить наземный метод съемки на аэрофотосъемку невозможно. Аэрофотосъемку с использованием БПЛА наиболее целесообразно применять в комплексе с наземными методами. Наиболее важным преимуществом данного подхода является его оперативность по сравнению с традиционной наземной съемкой. На примере типового линейного объекта (трасса 15 км шириной 100 м на незастроенной территории) можно сравнить трудозатраты на выполнение изысканий наземным методом и при использовании материалов аэрофотосъемки БПЛА совместно с данными полевого дешифрирования (таблица 1). Из таблицы видно, что инженерно-геодезические изыскания, проведенные наземным методом съемки на 30 человеко-дней дольше по срокам выполнения. С учетом того, что при инженерных изысканиях сроки зачастую имеют важнейшее значение, данные различия существенны. Если правильно выстроить процесс производства работ, то аэрофотосъемка с использованием БПЛА будет иметь еще большее преимущество, не только по скорости выполнения работ, но и значительно возрастет качество и содержательность топографических планов [1].



Таблица 1. Сравнительный анализ трудозатрат на выполнение изысканий

№	Состав работ	Кол-во чел.	Сроки работ, дней	Чел/дни
Аэрофотосъемка БПЛА в комплексе с наземным методом
1	Закладка опознавательных знаков	2	1	2
2	Аэрофотосъемка	2	2	4
3	Обработка данных Создание ортофотоплана и матрицы высот	1	3	3
4	Досъемка наземным методом выделенных участков	4	5	20
5	Обследование и съемка коммуникаций	4	1	4
6	Уравнивание съемочной геодезической сети	1	1	1
7	Создание топоплана	1	10	10
	ИТОГО		23	44
Только наземный метод
1	Создание съемочной геодезической сети	4	2	8
2	Тахеометрическая съемка	4	12	48
3	Обследование и съемка коммуникаций	4	1	4
4	Уравнивание съемочной геодезической сети	1	1	1
5	Создание топоплана	1	10	10
	ИТОГО		26	71

Целью выполнения аэрофотосъемки является получение фотоснимков высокого разрешения участков исследования и создание на их основе картографических материалов (ортофотопланов) при инженерно-геодезических изысканиях [10-12]. Также ортофотопланы могут служить основой для разработки мероприятий по оптимизации дорожного движения.

Аэрофотосъемка производится в строгом соответствии с утвержденным планом полета. Формат фото(видео)съемки (плановая или перспективная) определяется заданием на производство работ, а так- же с учетом технических особенностей, оказывающих влияние на создание ортофотопланов.

Маршрут БПЛА и точки фотосъ?мки должны быть определены на этапе планирования полета. Создание маршрута аэрофотосъемки может быть выполнено автоматизированным способом с помощью программы DroneDeploy (рис. 24). Это облачный сервис, предназна- чен для работы совместно с БПЛА: DJI Mavic Pro, Phantom 3 / 3 Adv / 3 Pro, Phantom 4 / 4 Pro, Inspire 1 / 1 Pro, Matrice 100 / 600. Указанное приложение разработано для iOS и Android и заменяет собой стандартное приложение DJI Go 4 для управления БЛА (дроном).

Рис. 24. Разработка маршрута полета БПЛА

Фотоснимки должны отвечать условиям:

- уверенное распознавание на снимках контуров сооружений и рельефа;

- уверенное распознавание опознавательных знаков и их центров;

- смежные снимки должны выполняться с перекрытием для их последующего совмещения (рис. 25, 26).



Рис. 25. Общий вид объекта исследования

Рис. 26. Фотоснимки участка транспортной развязки с перекрытием



3. Камеральные работы

3.1 Фотограмметрическая обработка

Фотограмметрия - это способ получения трехмерных данных из множества фотографий, снятых с разных точек.

Фотограмметрическая обработка начинается с определения положения камеры при съемке каждого изображения, что позволяет корректировать и установить геопривязку всех снимков.

Цифровые малоформатные фотокамеры получили широкое применение в фотограмметрии. По материалам аэросъемок такими камерами оперативно обновляются и создаются планы на локальные участки местности. В Западно-Сибирском филиале ВИСХАГИ в качестве носителя малоформатных фотокамер используется беспилотный аэрофотосъемочный комплекс. В состав комплекса входят: беспилотная авиамодель, цифровая малоформатная фотокамера, навигационная система и комплект телевизионно-телеметрического оборудования. Материалы аэрофотосъемки, выполняемой с беспилотной авиамодели, имеют следующие особенности: Аэрофотосъемочные маршруты не прямолинейны; Аэрофотоснимки могут иметь существенные взаимные углы наклона 10-15 градусов, разворота и значительную разномасштабность; Три последовательно полученных снимка могут не иметь зоны тройного продольного перекрытия или эта зона имеет «не правильную» форму. Обработка такой съемки с использованием цифровых фотограмметрических станций, ориентированных на обработку материалов классической аэрофотосъемки, не всегда эффективна. Разработана технология фотограмметрической обработки таких снимков [1, 2, 3]. Перед аэрофотосъемкой определяется фокусное расстояние фотокамеры и создается модель нелинейных искажений снимка. После аэрофотосъемки выполняется калибровка снимков и создание электронного накидного монтажа. На накидном монтаже указывается положение опорных точек, с учетом расположения которых формируется блок фототриангуляции. Затем выполняется измерение связующих точек блока. Приближенные значения элементов внешнего ориентирования снимков, необходимые для уравнивания сети, определяются в два этапа. Первый - это грубое определение элементов внешнего ориентирования на основе данных электронного накидного монтажа. На втором этапе вычисляются приближенные значения элементов внешнего ориентирования на основе обратной фотограмметрической засечки. При этом в качестве координат точек местности используются приближенные координаты связующих точек определенные с электронного накидного монтажа на средней высоте. Уравнивание блока фото триангуляции выполняется по методу связок [4]. При выполнении аэрофотосъемки с большого самолета определяют координаты центров фотографирования снимков и используют их в качестве опорных точек. Для определения их координат используют данные навигационного оборудования установленного на борту самолета. При выполнении аэрофотосъемки с БПЛА определение координат центров снимков по классической технологии не представляется возможным. Навигационное оборудование, установленное на БПЛА, позволяет получить траекторию полета, но из-за отсутствия системы синхронизации навигационной системы и фотокамеры нет возможности определить момент срабатывания затвора. Поэтому в качестве дополнительных опорных данных для внешнего ориентирования фотограмметрической сети предлагается использовать траекторию полета. Задача сводится к определению положения центра фотографирования снимка на траектории и последующего использования его в качестве опорных данных. Первоначально выполняем построение фотограмметрической сети с использованием наземных опорных точек. При этом для каждого снимка вычисляются координаты центров фотографирования и находятся по две ближайшие точки траектории. В общем случае, полученные центры фотографирования не попадут на траекторию полета (рис. 27).

Рис. 27

Si - центр фотографирования i-гор снимка

N. N|1 - точки траектории ближайшие к центру фотографирования

Для устранения этого несовпадения при построении фотограмметрической сети необходимо для каждого центра фотографирования задать дополнительные условия попадания его на траекторию (рис. 28).

Рис. 28

В координатной форме эти условия примут вид:

(1.1)

В результате уравнивания вычисленные координаты центров фотографирования совпадут с траекторией. Полученные координаты центров фотографирования можно использовать, с более низкими весами, в качестве дополнительных опорных данных при следующих циклах уравнивания. Совмещение уравненных координат центров фотографирования с траекторией позволит повысить точность построения фотограмметрической сети и соответственно повысить точность выпускаемой продукции. Кроме того, использование полученных координат центров фотографирования в качестве дополнительных опорных данных позволит уменьшить количество наземных опорных точек и сократить затраты на выполнение планово-высотной подготовки снимков.

3.1.1 Определение положения камер

Аэрофотосъемка и обработка данных с БПЛА принципиально не отличается от съемки с пилотируемых самолетов, но имеет определенные особенности, касающиеся величин продольного и поперечного перекрытия снимков, высоты и скорости полета БПЛА, необходимости и порядка выполнения самокалибровки камеры, понимания принципов получения исходных данных (аэроснимков), количества и размещения опорных и контрольных точек и т.п. Рассмотрим их подробнее. При планировании аэросъемочных работ с БПЛА, так же, как и в пилотируемой авиации необходимо выполнить расчет основных параметров аэрофотосъемки. Многие рассматривают это как простую задачу, выполняемую с помощью специального программного обеспечения, которое затем управляет БПЛА при аэросъемке, и не уделяют должного внимания выбору параметров аэросъемки. Однако есть ряд параметров, которые должен задавать оператор БПЛА, и от которых в конечном результате зависит качество аэроснимков и точность результатов фотограмметрической обработки. Среди них: высота полета - параметр, который в совокупности с параметрами камеры определяет линейный элемент разрешения аэрофотоснимка на местности и является одним из основных параметров, определяющих точность конечных результатов; скорость полета - параметр, который вместе с выдержкой и ISO (уровень светочувствительности) определяет величину смаза изображения. Если съемку с обычных самолетов планируют с перекрытием вдоль маршрута 60%, а между маршрутами 20-30% для строгой фотограмметрической обработки данных аэросъемки и получения максимально точных результатов, то проектировать съемку с БПЛА с этой же целью следует с перекрытием вдоль маршрутов 80%, а между маршрутами -- 50-60%, т.к. полет БПЛА неустойчив, на него влияют порывы ветра, турбулентность и другие возмущающие факторы. Таким образом, увеличенное перекрытие позволяет, по возможности, исключить разрывы в фототриангуляционном блоке и выполнить автоматическое измерение связующих точек. К аэрофотокамере, устанавливаемой на борту летательного аппарата предъявляют следующие требования: 1) наличие центрального затвора, или иного способа одновременного экспонирования всех элементов матрицы; 2) жесткая фиксация фокусировки на бесконечность; 3) цифровая аэрофотокамера должна иметь значения элементов внутреннего ориентирования и параметры дисторсии, определенные с необходимой точностью; 4) постоянство значений элементов внутреннего ориентирования. Для неметрических аэрофотокамер, применяемых на борту БПЛА, выполнение некоторых требований не всегда возможно. В таком случае необходимо программное средство фотограмметрической обработки с возможностью самокалибровки. Использование опции самокалибровки в фотограмметрических программных продуктах без достаточного количества опорных данных (точных центров проекции и наземного обоснования) может привести к искажению построенной фотограмметрической модели в силу корреляционных связей элементов внешнего ориентирования снимков и параметров внутреннего ориентирования, включая параметры фотограмметрической дисторсии. При выполнении самокалибровки в процессе фототриангуляции на реальных объектах могут получаться хорошие результаты по точности, однако могут быть случаи, когда самокалибровка не даст желаемого результата или вообще задача самокалибровки может не решаться в случае съемки плоскоравнинной местности. Преобразование координат между системами координат снимка и объекта выводят под условием, что изображение объекта на снимке получено в идеальной центральной проекции. Однако, под действием различных факторов изображение на реальном снимке отклоняется от центральной проекции. При выполнении съемки камерами, используемыми на БПЛА, к основным источникам ошибок, вызывающим искажение центральной проекции на реальных снимках, относится дисторсия объектива фотокамеры.

Оптическая система БПЛА характеризуется сильной дисторсией, что выражается в искажении изображений получаемых кадров. На (рис. 29) приведены изображения «сырого» снимка, полученного с Phantom 4.

Ниже, изображение этого же снимка, исправленное за дисторсию по коэффициентам радиальной дисторсии, приведенных в EXIF (Exchangeable Image File Format). Вид получаемых данных также может задаваться оператором.

Рис. 29. Влияние дисторсии объектива камеры БПЛА

а) - изображение сырого снимка

б) - изображение снимка, исправленное за дисторсию



Для ГНСС приемников также необходимо знать параметры редукции фазового центра антенны ГНСС приёмника к центру проекции камеры. Контроль качества полученных результатов при фотограмметрической обработке должен выполняться на каждом этапе. Результаты построения сетей фототриангуляции обычно контролируются по остаточным расхождениям фотограмметрических и геодезических координат на опорных и контрольных точках. Однако для аэросъемки с БПЛА нигде не определено количество и схема расположения опорных и контрольных точек.

При планировании, обработке результатов цифровой съемки с использованием БПЛА стоит внимательно подходить к выбору параметров съемки. Понимание их влияния на результаты съемки, выбор оптимальных величин способствуют получению результатов, удовлетворяющих требованиям фотографического, фотограмметрического качества, требованиям действующих нормативно-правовых документов. Выполнение обработки цифровой съемки с БПЛА, используя всего лишь одну опорную точку, позволяет получать устойчивое решение при построении фототриангуляции с самокалибровкой, а также значительно сократить время на размещение и измерение опорных точек при полевых работах, особенно для труднодоступных мест, сохранить при этом точность получаемых результатов. Однако следует отметить, что для получения надежных результатов кроме опорных точек проект должен включать контрольные точки.

3.1.2 Плотное облако точек

Плотное облако точек - это набор вершин в трехмерной системе координат для представления внешней поверхности объекта. Облака точек используются для 3D-моделирования, метрологии, визуализаций объектов, анимаций, рендерингов. И если для создания облака точек небольшого объекта можно использовать 3D-сканер, то для работы с большими объектами (архитектурными объектами, зданиями, жилищными комплексами или даже целым городом) используются другие способы, например, фотограмметрия. Получение облака точек осуществляется с помощью метода фотограмметрии.

Фотограмметрия позволяет по изображениям определять пространственное положение и некоторые характеристики объекта (координаты, размеры, форму и т.д.). Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) с установленной на нем камерой снимает заданный объект или территорию. Основываясь на информации о заданных положениях камеры, вычисляют карты глубин. Эти данные служат для построения плотного облака точек. Результат не уступает в плотности облака лазерному сканированию, и при этом позволяет работать с масштабными объектами. Цена на такую работу невысока, поскольку не требует дополнительного оборудования.

Основными компонентами системы генерации облака точек являются система формирования изображений с БПЛА, процесс сбора данных изображений с использованием изображений с большим перекрытием и постобработка с ориентацией изображения и формированием облака точек. Разработаны два подхода к последующей обработке: один из методов основан на классическом коммерческом фотограмметрическом программном обеспечении Bae Systems SOCET SET, а другой создан с использованием сервиса Photosynth™ Microsoft(®, доступного в Интернете. Эмпирическое тестирование проводилось в двух тестовых зонах. Обработка фотосинтеза показала, что можно ориентировать изображения и генерировать облака точек полностью автоматически без какой-либо априорной информации об ориентации или интерактивной работы. Линия фотограмметрической обработки обеспечивала плотные и точные облака точек, соответствующие теоретическим принципам фотограмметрии, но также были обнаружены некоторые артефакты. Облака точек в результате обработки фотосинтеза были более разреженными и шумными, что в значительной степени связано с тем, что метод не оптимизирован для генерации плотного облака точек. Для достижения высочайшей точности требуется тщательная фотограмметрическая обработка с самокалибровкой. Результаты демонстрируют высокий потенциал эффективности данного подхода и то, что при тщательной обработке можно достичь результатов, согласующихся с теорией. На основе теоретических и эмпирических результатов даются более точные данные по свойствам датчика изображения, сбору данных и обработке изображений с БПЛА для обеспечения точного формирования облака точек. Создание плотного облака точек производится в специализированных ППП. Наиболее популярные из них в настоящее время: Agisoft PhotoScan (Россия), Pix4D (Швейцария), Photomodeler (США), 3Dsurvey (Словения) и другие. В связи с импортозамещением, проводимым в Российской Федерации в настоящий момент [72], на основе первого из перечисленных ПП рассмотрена методика создания плотного облака точек, а также карты высот и ортофотоплана, которая практически полностью автоматизирована. Программа PhotoScan петербургской компании Agisoft имеет большую популярность не только в России, но и используется ведущими организациями во всем мире. Поддерживается на операционных системах Windows, Linux и MacOS. Блок-схема алгоритма создания плотного облака точек представлена на рисунке. Работы начинаются с настроек проекта: выбора параметров пользовательского интерфейса (язык, цвет фона), а также указания директории, в которую будет записываться журнал событий. Немаловажным является и выбор параметров компьютера. Предпочтение отдается графическим процессорам (ГП), обладающим более высокой производительностью по сравнению с центральным процессором (ЦП).



3.1.3 Построение цифровой модели местности и цифровой модели рельефа

Цифровые модели местности используются для анализа трехмерной поверхности земли, проектирования и визуализации территорий, для вычисления объемов на месторождениях открытого типа.

Цифровая модель местности (ЦММ) -- представление территории в 3D виде, информация о которой получена с помощью сканирования LIDAR-оборудованием или методом аэрофотосъемки. Модель местности в виде облака точек отображает рельеф, растительность, здания и другие объекты, находящиеся на участке в процессе съемки.

Создание цифровой модели местности (ЦММ) выполняется на основе опорных точек. В частности в пункте 12.14.3 инструкции [31] установлено, что опорные точки необходимо располагать по периметру и в середине блока, а также на свободных границах участка не реже чем через 4-5 базисов фотографирования. Аэрофотосъемка с беспилотного летательного аппарата (БЛА) является альтернативной и имеет ряд принципиальных отличий от классической. И поэтому, необходимо выполнять определение оптимального количества опорных точек. Определить минимальное количество опорных точек можно при помощи моделирования облака точек (рис.30), построенного на основе аэрофотосъемки с применением БЛА и точек съемочного обоснования. Для этого используется пакет прикладных программ (ППП) Agisoft PhotoScan [6].



Рис. 30. Схема расположения точек съемочного обоснования экспериментального полигона

Для ориентирования модели в пространстве необходимо определить семь элементов внешнего ориентирования (ЭВО), поэтому необходимы как минимум три опорные точки (9 значений координат) [66]. Однако из-за ошибок координат в облаке точек и опорных точках СКП значительна. Четыре опорные точки включают в себя одну избыточную, которая может послужить контролем, однако экспериментально показано, что ее может быть недостаточно в связи с непредсказуемостью получения ошибки.

В процессе использования беспилотных летательных аппаратов в географических исследованиях реализуется современная технология создания трехмерных моделей высокого качества на основе цифровых фотографий.

Для создания 3D модели объекта программа позволяет использовать фотографии, снятые любыми цифровыми фотокамерами с любых ракурсов, при условии, что каждый элемент реконструируемой сцены виден, хотя бы, с двух позиций съемки. Процесс создания трехмерной модели полностью автоматизирован.

Для моделей с заданным масштабом, технология использования беспилотных летательных аппаратов в географических исследованиях также позволяет измерять расстояния и рассчитывать площадь поверхности и объем. Масштабирование модели производится на основании предварительных измерений в пределах реконструируемой сцены [14].

Основная задача, решаемая пользователями при помощи беспилотных летательных аппаратов в географических исследованиях - восстановление 3D поверхности, построение ортофотоплана и ЦММ (цифровой модели местности). Работа создания ЦММ и ЦМР с проектом осуществляется в четыре этапа:

Определение параметров внешнего и внутреннего ориентирования камер. На этой стадии технология беспилотных летательных аппаратов в географических исследованиях находит соответственные точки снимков и по ним определяет все параметры камер: положение, ориентацию, внутреннюю геометрию (фокусное расстояние, координаты главной точки, параметры дисторсии и др.). Результатами этого этапа являются разреженное облако общих точек в 3D пространстве модели и данные о положении и ориентации камер.

В технологии беспилотных летательных аппаратов в географических исследованиях разреженное облако точек не используется на дальнейших стадиях обработки, кроме режима построения модели на основе разреженного облака точек, и служит только для визуальной оценки качества фото триангуляции (выравнивания фотографий). Разреженное облако точек может быть экспортировано для дальнейшего использования во внешних программах.

Данные о положении и ориентации камер используются на дальнейших стадиях обработки [13].

Построение плотного облака точек. На втором этапе технология беспилотных летательных аппаратов в географических исследованиях выполняет построение плотного облака точек на основании рассчитанных на первом этапе обработки положений камер и используемых фотографий. Перед переходом на следующий этап создания 3D модели или перед экспортом модели, плотное облако точек может быть отредактировано и классифицировано[15].

Технология беспилотных летательных аппаратов в географических исследованиях строит трехмерную поверхность: полигональную модель и карту высот. Трехмерная полигональная модель описывает форму объекта, на основании плотного облака точек. Также возможно быстрое построение модели на основании только разреженного облака точек. Поскольку полигональная модель часто бывает излишней, технология беспилотных летательных аппаратов в географических исследованиях позволяет сразу перейти к построению карты высот, отказавшись от построения полигональной модели. Пользователь может выбрать проекцию для построения карты высот из следующих вариантов: географическая, цилиндрическая и проекция на плоскость. Помимо этого, технология беспилотных летательных аппаратов в географических исследованиях позволяет указать классы точек, для которых будет строиться карта высот в случае, если плотное облако было классифицировано на предыдущем этапе [15].

На финальном этапе в технологии беспилотных летательных аппаратов в географических исследованиях доступно построение текстуры для полигональной модели в том случае, если она была построена, а также построение ортофотоплана. Ортофотоплан проецируется на поверхность, указанную пользователем, это может быть цифровая модель местности или полигональная модель [15].

Обработка изображений с помощью технологии беспилотных летательных аппаратов в географических исследованиях включает следующие основные шаги:

загрузка фотографий;

обзор загруженных изображений и удаление ненужных кадров;

выравнивание фотографий;

построение плотного облака точек;

построение трехмерной полигональной модели;

текстурирование объекта;

построение тайловой модели;

пстроение цифровой модели местности;

построение ортофотоплана;

экспорт результатов.

Одной из задач фотограмметрической обработки снимков, полученных с беспилотного летательного аппарата, является топографическое обеспечение территории, и в частности--определение пространственных координат (X, Y, Z) большого числа точек в системе координат местности, построение по ним цифровых нерегулярных (TIN) и регулярных (DEM) моделей поверхности, а на их основе -- текстурированных моделей местности и ортофотопланов [1].

Обработка снимков в целях топографического обеспечения включает ряд последовательно выполняемых операций, часть которых реализуется современными методами машинного зрения и базируется на использовании аппарата проективной геометрии, однородных координат и фотометрической обработки изображений:

выбор и отождествление на снимках соответственных точек;

построение фотограмметрических моделей;

уравнивание координат точек сети;

построение цифровых моделей рельефа и текстурированных моделей местности [7].

Все вычисления выполняются в автоматическом режиме, в соответствии с заданными параметрами и установками. В исключительных случаях допускается вмешательство оператора и выполнение некоторых действий в ручном режиме. Исходными данными для фотограмметрической обработки материалов аэрофотосъемки с БПЛА служат аэрофотоснимки в одном из принимаемых системой форматов, геодезические данные о местности и параметры съемочной камеры.

Загрузка аэрофотоснимков в систему осуществляется из папки, куда они предварительно помещены после завершения аэрофотосъемки, выполненной с использованием цифровой камеры. Единственное требование к таким аэроснимкам, чтобы разрешение изображения было более 5 Мп [15].

Важным объектом исследования современных геоинформационных систем является рельеф. Рельеф - это совокупность неровностей твёрдой земной поверхности и иных твёрдых планетных тел, разнообразных по очертаниям, размерам, происхождению, возрасту и истории развития [9]. Люди изначально пытались найти способы изображения рельефа на карту. На ранних этапах развития картографии крупные формы рельефа отображались как элемент ориентирования. Постепенно способы изображения усложнялись: сначала были перспективные знаки, показывающие возвышенности, далее шла штриховая прорисовка, немного позже стали применять цветовую пластику рельефа и наконец, современные способы способов, которые применяют в наше время на картах. С началом развития геоинформатики был разработан новый способ изображения рельефа - цифровая модель местности.

Цифровая модель местности - это средство цифрового представления трехмерных пространственных объектов (поверхностей, или рельефов) в виде трехмерных данных, образующих множество высотных отметок (отметок глубин) и иных значений аппликат (координаты Z) в узлах регулярной или нерегулярной сети или совокупность записей горизонталей (изогипс, изобат) или иных изолиний [4].

Одна из первых цифровых моделей рельефа местности была изготовлена в 1961 г. на кафедре картографии Военно-инженерной академии[8]. Впоследствии были разработаны методы и алгоритмы решения различных задач, созданы мощные программные средства моделирования, крупные национальные и глобальные массивы данных о рельефе, накоплен опыт решения с их помощью разнообразных научных и прикладных задач [8].

Практическое применение таких моделей оправдывает себя не только в географии. Так, например модель рельефа используется людьми при строительстве, военными, а также геологами, геоморфологами и другими специалистами в различных областях.

Цифровые модели рельефа позволяют производить следующие операции:

быстрое получение информации о морфометрических показателях (высота, угол наклона) в любой точке модели;

анализ крутизны и экспозиций склонов, построение «на лету» соответствующих карт;

генерация горизонталей;

построение профилей поперечного сечения рельефа по направлению прямой или ломаной линии;

анализ поверхностного стока;

генерация сети тальвегов и водоразделов;

расчёт объёмов;

расчёт площадей поверхности;

расчёт уровней и площадей затопления;

создание видеоизображения «пролёта» над поверхностью модели по заданному маршруту (системы виртуальной реальности);

анализ зон видимости с заданной точки или точек обзора и построение соответствующих карт или трёхмерных моделей;

трансформация исходной модели путём добавления новых данных [7].

Создание цифровой модели рельефа и пересчет их из одного вида в другой базируется на использовании математического аппарата. От правильного его применения зависит не только адекватность построенной модели, но и оптимальность затрат ресурсов машинной памяти и времени вычисления [2].

Построенное множество треугольных граней названо триангуляцией [7]. Множество треугольников аппроксимирует участки различных поверхностей (естественные и спланированные - поверхности земли, искусственные покрытия, поверхности отдельных геологических слоев и др.) (рис. 31).

Рис. 31. Составляющие триангуляции

Участок поверхности, аппроксимируемый множеством треугольных граней, ограничен контуром.

Контур поверхности - это замкнутая не пересекающаяся ломаная линия. В цифровой модели рельефа реальных объектов, как правило, может быть много контуров. В целях однозначности определения цифровой модели рельефа каждый выделенный участок поверхности может принадлежать только одному контуру [3].

На основе цифровой модели местности системами: Agisoft Metashape Professional Edition, версия 2.0.3, GeoScan Planner 2.8, Геоскан lite решаются задачи проектирования инженерных объектов, и при этом рельеф поверхности отображается на экране и в твердых копиях так же, как и на топографических картах и планах: горизонталями, условными знаками обрывов и откосов и т.д.

Алгоритм формирования цифровой модели рельефа использует информацию о Контурах рельефа, Точках, и Структурных линиях.

Точка цифровой модели рельефа имеет три координаты: X, Y, Z [4]. Точки могут быть рельефными или рельефно-ситуационными.

Структурная линия - линия, соединяющая существующие или вновь построенные точки цифровой модели рельефа и однозначно определяющая триангулирование участка поверхности [5].

Каждый отрезок структурной линии при формировании цифровой модели рельефа является ребром треугольника. Структурные линии позволяют однозначно определить характерные формы рельефа: лощины (тальвеги), хребты (водоразделы) и т.д. Следует создавать структурные линии в тех случаях, когда требуется изменить рельеф так, как видит его специалист. Для этого можно использовать дополнительную полевую информацию об особенностях рельефа, отраженную, например, в абрисах, кодами электронных регистраторов и т.д. (рис. 32).

Рис. 32. Построение модели рельефа

Контур рельефа - участок поверхности, имеющий однородный рельеф. Однородный рельеф следует понимать как совокупность неровностей, сходных по очертаниям, размерам, происхождению, возрасту и истории развития. Для удобства работы Пользователя даже однородный рельеф можно расчленять контурами на самостоятельные участки (рис. 33) [6].

Рис. 33. Контуры рельефа

Таким образом, всю поверхность участка местности, формируемую как цифровую модель рельефа, представляют в виде одного или нескольких контуров. Это позволяет выделять формы рельефа, на границах которых горизонтали ломаются, сдвигаются или обрываются:

Обрывы.

Ямы.

Откосы выемок и насыпей.

Водоемы.

Карьеры.

Поверхности с искусственным покрытием и т.д.

Система Geoscan позволяет отображать рельеф в пределах соответствующего контура различными видами горизонталей:

Аппроксимационными и линейно-интерполяционными сплайнами: естественные поверхности;

прямыми линейно-интерполированными: антропогенные формы рельефа.

В пределах контура можно проводить дополнительные горизонтали и менять шаг горизонталей. В некоторых случаях рельеф можно не отображать горизонталями, например, искусственные покрытия, водоемы и т.п. Обрывы и откосы отображаются в отдельном контуре соответствующим условным знаком. Система контуров рельефа при построении цифровой модели рельефа образует топологически корректное множество. Однозначность создания цифровой модели рельефа при построении контуров обеспечивается их различным взаиморасположением:

Пересекающиеся контуры.

Смежные контуры.

Внутренние контуры, касающиеся или не касающиеся внешнего контура.

Построенные в разных контурах поверхности, конечно, могут выглядеть по-разному. Но взаимосвязь контуров проявляется при определении системой параметров точек их пересечения и при использовании операций удаления, изменения и т.д. контуров. Это формат представления поверхности в виде матрицы равномерно распределенных точек, каждая из которых характеризуется своей высотой. В зависимости от способа вычисления высот поверхности в пространстве между точками различают "решеточную" и "ячеистую" модели. В первой из них такие значения интерполируются по значениям высот в нескольких соседних точках, вторая же модель рассматривает эти точки как центры ячеек с постоянным z значением. Использование "решеточной" регулярной сети имеет смысл в случае представления такой сетью рельефа, самой поверхности. В этом случае используемая интерполяция гарантирует непрерывность ее представления. В случае же, если в качестве z значений используются категорийные данные (например, степень озеленения данной местности и т.п.), которые необязательно должны быть непрерывными, разумнее использовать "ячеистую"[1].



Заключение

В данной работе были рассмотрены следующие задачи:

1.Выбор беспилотной авиационной системы для аэрофотосъемки.

2. Выбор полезной нагрузки для беспилотной авиационной системы.

3. Разработка программы полета беспилотной авиационной системы.

4. Построение цифровой модели местности.

5. Построение цифровой модели рельефа.

На основании проведенного анализа следует сделать вывод в том, что современное состояние БПЛА решать задачи, связанные с проведением кадастровых работ по созданию ЦММ и ЦМР, задачи мониторинга и в целом помогут способствовать развитию конкретного региона.

Используемое программное обеспечение для выполнения полетов БПЛА и обработки полученных материалов с БПЛА Geoscan очень активно внедряется в методы анализа и построения ЦММ и ЦМР. БПЛА самолетного типа применяются преимущественно для создания ортофотопланов территории, цифровых моделей местности, мониторинга протяженных объектов. В курсовом проекте была рассмотрена возможность применения беспилотных летательных аппаратов при выполнении кадастровых работ. Для этого был проведен анализ нормативно правовых актов, имеющих отношение к кадастровым работам и к применению беспилотных летательных аппаратов.

В целом проведенный анализ показывает, что применение технологии съемки с беспилотных летательных аппаратов самолетного типа необходимо внедрять на всех проектах геодезических и исследовательских работ. Целесообразным является применять данную технологию на целые кадастровые квартала, районы, населенные пункты площадью не более 2000 км².

Точность определения координат характерных точек для населенных пунктов укладывается в допустимую величину 10 см. В связи с этим, определение характерных точек объектов недвижимости фотограмметрическим и картометрическим методами для создания карты-плана территории является возможным.

Были выявлены следующие преимущества данной технологии перед традиционными методами полевых геодезических измерений и перед другими методами аэрофотосъемки. Аэрофотосъемка с БПЛА позволяет оперативно получить результаты съемки. Это достигается тем, что БПЛА несложны в эксплуатации и не требуют специальных навыков оператора, а обработка результатов, благодаря встроенному программному обеспечению, занимает очень короткий промежуток времени. Аэрофотосъемка с БПЛА обладает высокой точностью, поскольку GPS-приемник содержится на борту и контрольные опознавательные знаки позволяют точно определить координаты точек местности.

Аэрофотосъемка с БПЛА самолетного типа является самым экономичным способом по сравнению с АФС с пилотируемого летательного аппарата.

Также неоспоримым преимуществом БПЛА является то, что погодные условия оказывают слабое влияние на проведение съемки. Работы с БПЛА можно проводить на относительно небольших высотах, что уменьшает влияние дымки и других погодных факторов.

Съемку с БПЛА можно производить в любое время года.

Стоимость выполнения работ по сравнению с традиционными геодезическими методами совсем не велика и составляет около 35 тысяч рублей за 100 га, в то время как средняя стоимость выполнения съемки традиционными методами составляет около 10 тысяч рублей за 1 га.

Значительно сокращено время выполнения работ по сравнению с традиционными геодезическими измерениями.

Также были выявлены недостатки технологии:

Использование БПЛА невозможно без традиционных методов геодезических измерений.

Одним из сдерживающих факторов является отсутствие полноценной нормативно правовой базы в сфере БПЛА.

Для решения проблемы регулирования беспилотной авиации представляется целесообразным:

создание единого государственного документа - правил, регулирующих все аспекты в использовании БПЛА;

создание единой государственной классификации БПЛА;

создание единой государственной базы БПЛА.

Аэрофотосъемка с БПЛА самолетного типа является наилучшим методом проведения съемки в целях проведения комплексных кадастровых работ, межевания территорий и создания ЦММ и ЦМР.



Список литературы

1. Forlani, G., Dall'Asta, E., Diotri, F., MorradiCella, U., Roncella, R., Santise, M. (2018). Quality Assessment of DSMs Produced from UAV Flights Georeferenced with On-Board RTK Positioning. Remote Sensing, 10, 311.

2. Taddia1, Y., Stecchi, F., Pellegrinelli, A. (2019) Using DJI Phantom 4 RTK drone for topographic mapping of coastalareas. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, ISPRS Geospatial Week 2019, 10-14 June 2019, Enschede, The Netherlands XLII-2/W13, 625-630.

3. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. ГКИНП (ОНТА) 02-…03 Мн., БЕЛНИЦЗЕМ, 2003 - 78 с.

...