Патент способ аэрофотосъемки бпла. Использование беспилотных летающих аппаратов (бпла) для выполнения аэрофотосъемки. Где могут летать бпла геоскан
УДК: 528.71 А.С. Костюк
Западно-Сибирскй филиал «Госземкадастрсъемка» - ВИСХАГИ, Омск
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ОЦЕНКА КАЧЕСТВА АЭРОФОТОСЪЕМКИ С БПЛА
В статье рассмотрены особенности расчета параметров аэрофотосъемки с малых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Изложен способ оперативной оценки качества аэрофотосъемки с БПЛА.
West-Siberian branch «Goszemkadastrsyomka» - VISHAGI 4 Prospect Mira, Omsk, 644080, Russian Federation
CALCULATION OF THE PARAMETERS AND EVALUATION OF QUALITY WITH UAV AERIAL PHOTOGRAPHY
The article describes the features of calculation of parameters from aerial surveys of small unmanned aerial vehicles (UAVs). Described method for rapid assessment of the quality of aerial photography from unmanned aircraft.
Проведение работ по инвентаризации земель и объектов недвижимости, подготовка документов для постановки на государственный кадастровый учёт и государственная регистрация прав подразумевает выполнение комплекса картографо-геодезических, землеустроительных и кадастровых работ. Для поддержания информации на современном уровне необходим системный мониторинг. Для локального обновления картографического материала интенсивно используемых земель целесообразно использовать беспилотно-пилотируемые летательные аппараты. В Западно-Сибирском филиале предприятия “Госземкадастрсъемка” - ВИСХАГИ разработано несколько летательных аппаратов и все они попадают в весовую категорию до 3,5 кг.
Несмотря на всю простоту любительской съемки с БПЛА, при проведении аэрофотосъемочных работ для целей картографирования возникает ряд проблем, связанных с выбором фотокамеры, устанавливаемой на летательный аппарат, расчетом параметров аэрофотосъемки и оперативной оценке качества материалов аэрофотосъемки.
Выбор фотокамер для целей аэрофотосъемки основан на анализе следующих характеристик: разрешающей способности снимков, физическом размере матрицы, величине угла захвата, веса камеры и её стоимости. Нами была разработана методика присвоения оценочных баллов по каждой характеристике фотоаппарата. Лучшим фотоаппаратом считался фотоаппарат, набравший большую сумму балов. Было исследовано более десяти цифровых камер подходящих для установки на БПЛА из модельного ряда весовой категории до 3,5 кг.
По результатам исследования, наилучшими для целей аэрофотосъемки признаны камеры Canon IXUS-980IS, Pentax Optio-A30 и Sony DSC-W300, их основные характеристики представлены в табл. 1.
Таблица 1 Основные характеристики выбранных фотокамер
Название фотокамеры Длина матрицы, пкс Ширина матрицы, пкс Размер матрицы, " f экв 35 мм кадру, мм Вес, г
Canon IXUS-980IS 4416 3312 1/1.7 36.0 160
Sony DSC-W300 4224 3168 1/1.7 35.0 156
Pentax OptioA30 3648 2736 1/1.8 38.0 150
В настоящее время на беспилотных летательных аппаратах ЗападноСибирского филиала “Госземкадастрсъемка” - ВИСХАГИ установлена фотокамера Pentax Optio-A30. Камера хорошо показала себя во время производственной и экспериментальной аэрофотосъемки. Постоянно развивающаяся технология аэрофотосъемки с БПЛА требует приобретения новых фотокамер и совершенствования методики их выбора.
Расчет параметров аэрофотосъемки изложен в соответствующих нормативных документах. Аэрофотосъемка с малых беспилотных летательных аппаратов имеет ряд особенностей. Превышение допустимых углов наклона снимков, несоблюдение прямолинейности траектории полета, для обеспечения необходимого перекрытия между снимками высокая частота фотографирования и как следствие избыток кадров. Нами была разработана методика расчета следующих параметров аэрофотосъемки с БПЛА: высоты фотографирования, расстояния между маршрутами и между центрами фотографирования на маршруте.
Высота аэрофотосъемки зависит от масштаба создаваемого фотоплана. Величина крайнего пикселя снимка на местности не должна превышать 0.07 мм в масштабе создаваемого фотоплана. Например при создании фотоплана
масштаба 1: 2000 величина пикселя на местности d не должна превышать 0.14 м. Расчет разрешающей способности снимка следует производить для пикселей наиболее удаленных от центра кадра. Схема связи размера крайнего пикселя снимка с местностью показана на рисунке.
На рисунке: f - фокусное расстояние камеры в эквиваленте для 35 мм кадра;
L - длина половины диагонали матрицы, для 35 мм кадра она составит 21.6 мм;
H - высота фотографирования во время АФС;
Рис. 1. Связь размера пикселя снимка с местностью
D - длина половины диагонали снимка на местности.
Из рисунка следует:
d ■ cos(у-Р)
S = ; ; (1) sin у
Hmx = S ■ cos Р; (2)
Расчет максимально допустимой высоты аэрофотосъемки выполняется по формуле (2), где угол в зависит от индивидуальных параметров используемой фотокамеры и может быть рассчитан исходя из величины фокусного расстояния эквивалентного 35 мм кадру.
В зависимости от точности GPS навигации и особенностей пилотирования БПЛА могут быть достигнуты следующие параметры выдерживания самолета на маршруте:
Поперечное смещение от оси маршрута ± 10 м;
Удержание БПЛА на запроектированной высоте ± 15 м;
Расстояние от запроектированного центра фотографирования до точки срабатывания затвора фотоаппарата ± 5 м;
Изменение угла крена БПЛА на маршруте между двумя снимками
Изменение угла тангажа БПЛА на маршруте между двумя снимками
Приведенные параметры полета БПЛА были получены в результате постобработки множества материалов производственной и экспериментальной аэрофотосъемки.
Для расчета расстояния между маршрутами обеспечивающего 30 % поперечное перекрытие при идеальных условиях по формуле (3) вычисляется половина поперечного угла захвата камеры, где Ln^epen - половина ширины 35 мм пленки и составляет 12 мм:
р" = arcctg (------); (3)
Высота полета с учетом погрешности барометрического датчика рассчитывается по формуле (4):
H = H - 20 м (4)
пол max ? V /
Половина ширины захвата местности камерой вычисляется по формуле (5):
D = Hпол ■ tgP"; (5)
Расстояние между маршрутами в идеальных условиях рассчитывается по формуле (6):
где к = 0,7, для обеспечения 30 % поперечного перекрытия снимков.
Для обеспечения надежного сплошного покрытия земной поверхности снимками необходимо учесть максимальные отклонения БПЛА от запроектированного маршрута. Минимальное значение половины ширины захвата местности во время аэрофотосъемки с учетом совокупности погрешностей навигационных данных и пилотирования летательного аппарата вычисляется по формуле (7):
Рш1п = (Нпоп -15м) щ(0- 5°) -10м; (7)
Предельное отклонение между двумя маршрутами составит:
8Р = 2 (Р - Этп); (8)
Расстояние между маршрутами с учетом поперечного смешения БПЛА относительно оси маршрута, удерживания высоты полета и углов наклона камеры, вычисляется по формуле (9):
К = К - §Р ■ (9)
попереч ид? V /
По формулам (1)-(9) вычисляется высота полета БПЛА для выбранных фотоаппаратов и расстояние между маршрутами при создании фотопланов масштаба 1: 2 000. Полученные данные представлены в табл. 2.
Таблица 2 Расчет высоты фотографирования и расстояния между
маршрутами
Название фотокамеры Hmax, м ^ м м Dmin, м м o" Ô Rпопереч, м
Canon IXUS-980IS 520 500 233 106 122 112
Sony DSC-W300 484 464 223 101 116 107
Pentax 0ptio-A30 467 447 198 86 110 87
Расстояние между центрами фотографирования на маршруте рассчитывается по аналогии с расстоянием между маршрутами. По формуле (3) вычисляется половина продольного угла захвата камеры, где L - половина длины 35 мм пленки и составляет 18 мм. Расстояние между центрами фотографирования в идеальных условиях рассчитывается по формуле (6), для обеспечения 60% продольного перекрытия снимков коэффициент к будет равен 0,4. По формуле (7) вычисляется минимальное значение половины длины захвата местности во время АФС. Предельное отклонение расстояния между снимками от рассчитанного вычисляется по формуле (8). Расстояние между центрами фотографирования с учетом погрешности навигационных координат, удерживания высоты полета и углов наклона камеры, рассчитывается по формуле (10):
Результаты полученные в ходе вычисления расстояния между центрами фотографирования вдоль маршрута приведены в табл. 3.
Таблица 3 Расчет расстояния между центрами фотографирования
Название фотокамеры ^ м Dmin, м SD, м Rпрод, м
Canon IXUS-980IS 200 207 87 113
Pentax 0ptio-A30 191 197 83 108
Sony DSC-W300 169 173 78 91
По данным табл. 2 и 3 на примере фотоаппарата Сапоп 1ХШ-98018 составлена карточка параметров аэрофотосъемки с БПЛА для целей получения фотоплана масштаба 1: 2 000._________________________________
Карточка параметров АФС с БПЛА для целей картографирования
Фотокамера: Canon IXUS-980IS
Масштаб АФС: 1: 2 000
Высота полета при АФС: 500 м
Расстояние между маршрутам: ll0 м
Расстояние между центрами фотографирования на маршруте: ll0 м
Допустимое отклонение от оси маршрута: ± l0 м
Допустимое отклонение от запроектированной высоты АФС: ± l5 м
Расстояние срабатывания затвора фотоаппарата от намеченных центров фотографирования вдоль оси маршрута: ± 5 м
Допустимое изменение угла крена БПЛА на маршруте между двумя снимками: 10о
Допустимое изменение угла тангажа БПЛА на маршруте между двумя снимками: 60
Расчет параметров аэрофотосъемки очень важный этап подготовительных работ. Правильно рассчитанные параметры полета позволяют увеличить площадь покрываемую аэрофотосъемкой за один полет и повысить качество материалов аэрофотосъемки.
Для оперативной оценки качества выполнения аэрофотосъемки на нашем предприятии было разработано и внедрено в производство программное обеспечение в виде приложения *.тЬх на базе Маріпіо. Программа позволяет проектировать маршруты согласно рассчитанным параметрам аэрофотосъемки. По полученным данным с борта летательного аппарата в реальном времени строится фактическая траектория полета. В момент прохождения БПЛА над точкой запроектированного центра фотографирования в автоматическом, либо ручном режиме подается команда на срабатывание затвора камеры. По высоте летательного аппарата и его
ориентации в пространстве в момент фотографирования строится условная рамка снимка, по которым можно оперативно оценить покрытие заданной территории аэрофотосъемкой, и, при необходимости, принять решение о повторном прохождении над проблемными участками.
Разработанная методика проектирования аэрофотосъемки с БПЛА позволила существенно сократить время выполнения аэрофотосъемочных работ и повысить качество материалов.
Я геодезист, коллеги из КРОК попросили меня рассказать про то, как мы переделываем дроны, как программируем полёт и как всё потом обрабатываем, превращая снимки, полученные с беспилотника, в детальные ортофотопланы, высокоточные трёхмерные модели местности и топографические планы масштабов 1:500–1:10 000.
Мы с командой попробовали несколько разных дронов и в итоге остановились на «рабочей лошадке» DJI Phantom 4 PRO с несколькими модификациями. Первое и главное, что мы с ним сделали, - это оснастили его геодезическим GNSS-приёмником, который позволяет определять центры фотографирования с сантиметровой точностью.
Стандартный его GPS обеспечивал точность порядка 15–20 метров. Для решения геодезических задач при такой точности нужны либо специальные кресты на земле, либо ещё какое-нибудь извращение вроде раскладывания бумажных тарелок по известным координатам.
Мы делаем и проще, и сложнее: ставим наземную базовую станцию с точно известными координатами, и интегрируем в дрон дополнительный GNSS-приемник и устанавливаем внешнюю антенну. Например, начинали мы с MATRICE 600 c установленной на борту D-RTK системой фирмы DJI, которая была очень громоздкой, дорогой и не удобной для решения геодезических задач.
Потом мы переделали более компактный DJI PHANTOM 4 PRO: удалось интегрировать дополнительное GNSS-оборудование в стандартный корпус. Общая масса беспилотника увеличилась примерно на 100 граммов. Время полёта немного пострадало, но некритично: набора из четырёх батарей хватает для выполнения съемки площадью 200–300 Га.
Фантом дал одну важную возможность - основной набор стал умещаться в ручную кладь пассажирского самолёта. То есть мы можем теперь возить весь комплект оборудования с собой куда угодно очень и очень просто.
Минимальный набор - модифицированный дрон (весь его комплект), геодезический GNSS -приёмник в качестве наземной базовой станции, ноутбук с программой планирования полётов, скачанной картой (для работы без Интернета) и прописанным под точку планом полётов, если была такая возможность заранее. Ещё нужны дополнительные батареи, зарядное устройство (или несколько) и генератор. Мы берём бензиновый генератор, который выполнен в виде кейса, он очень удобен для наших нужд. Либо инвертор для питания от двигателя автомобиля. Для некоторых регионов надо брать ещё обогрев (в частности, для аккумуляторов и рук).
С одного аккумулятора можно отснять 50 Га с разрешением 2–5 сантиметров на пиксель.
Работаем так: приезжаем на место с подробно прописанным заранее (в офисе) заданием для дрона. Мы используем UgCS (это профессиональный довольно дорогой софт для планирования полётов дронов, который в России продаёт и консультирует по интеграции и доработкам КРОК. Конечно, такой софт применим не только в геодезии, им могут пользоваться спасатели, агрономы, строители и т. п., но в этих областях я не силён, поэтому все вопросы - к коллегам из КРОК). В нём мы указываем границы района работ, поперечное перекрытие, высоту фотографирования, и дальше ПО само рассчитает маршрут полёта дрона с учетом особенностей рельефа местности. То есть UgCS нарезает всё как надо: с промежуточными посадками для замены батарей и остальным.
Смотрим, нет ли каких-то неучтённых препятствий, затем ставим базовую станцию GNSS. Координаты наземных точек уточняются приёмником Topcon GR-5.
Чтобы подключить автопилот из GNSS, мы соединяем дрон с пультом, пульт - с планшетом с управляющей программой DJI, а затем планшет - с ноутбуком. Настроить эту связку с ходу непросто. Тут мне существенно помогли коллеги из КРОК: установить, подогнать, протестить до запуска.
Следующий момент в том, что примерно каждый третий объект находится там, где нет стабильного доступа в Интернет. С этим софт справляется. Но бывают и сложные участки, например, горы, где уже начинаются проблемы с распространением сигнала. Именно поэтому мы используем Фантомы: у них есть множество встроенных датчиков для обхода препятствий. Когда он теряет связь, то возвращается назад. Когда не может вернуться назад, то начинает садиться. И эти датчики помогают летать в сложных условиях, таких, как горная местность или в городе. У нас было несколько случаев, когда датчики препятствий помогли избежать аварийной ситуации. Например, в горах эмирата Фуджейра (ОАЭ) мы потеряли связь с дроном, и из-за ветра беспилотник не смог вернуться на точку взлёта. Тогда автопилот принял решение о посадке и по датчикам препятствия посадил дрон в расщелину между двумя склонами горного массива на сравнительно ровную площадку.
Итог полёта дрона - фотографии вот в этих точках (это софт для обработки уже выделяет их центры):
Данные GNSS-измерений скачиваются по Wi-Fi отдельно после завершения полёта, они хранятся на дроне и не транслируются на землю в реальном времени.
Вот облако точек после классификации. Цветом выделены растительность, опоры, провода ЛЭП, здания и сооружения:
А это уже 3D-модель по этому облаку:
На этом коттеджном посёлке задание было простым: 5 см на пиксель, простой ландшафт, минимум деревьев, нет наводок. Мы получили ортофотоплан и совместили его с кадастровым планом:
Он может использоваться для межевания, инвентаризации и кадастровой оценки земельных участков, оценки эффективности использования земельных ресурсов, проектирования развития территорий, проектно-изыскательских работ, реконструкции и развития дорожных сетей, мониторинга состояния наземных и подземных коммуникаций, трубопроводов, ЛЭП и т. п., мониторинга земель с целью охраны, экологического мониторинга границ и площадей земель, подверженных изменению, создания трехмерных моделей местности для ГИС.
Почему UgCS? Потому что других вариантов на рынке особо и нет, всё остальное - любительского уровня. Очень удобно, что любой дрон можно выставить на задание, и он просто полетит: поддерживается вся линейка DJI включая Мавики и ещё с десяток популярных в геодезии дронов. Нет привязки к железу вообще. Очень хорошее планирование - из офиса. Нормальное управление с ноутбука джойстиком или CLICK&GO, хорошее геокодирование изображений для Photoscan или Pix4D. На рынке есть альтернативное ПО без необходимости таскать ноутбук, но с куда меньшим количеством возможностей. Ноутбук - это огромное преимущество, но одновременно и проклятие системы: он сильно усложняет командировки. Зимой всё это становится ещё сложнее из-за того, что батареи всей связки мёрзнут, и приходится работать в перчатках (что не очень точно). Но других вариантов пока нет: либо такие неудобства, либо ограниченные возможности.
Вот пример результата трехмерной модели города:
Вот ещё один объект - трехмерная модель карьера:
Вот такая история.
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°) .
В одном мы уверены точно: высокая цена не всегда означает высокое качество.
Мы окунемся в индустрию и узнаем, как дроны покажут себя при съемке.
В этом исследовании используются термины и специфический жаргон, но они не помешают вам разобраться в сути. В данном исследовании была произведена обработка данных в DroneDeploy и получена высокая точность привязки - 9 см.
Описание
Топографическая съемка является неотъемлемой частью всех проектов в области землеустройства.
В этом примере мы рассмотрим участок земли, на котором должен был быть построен новый поселок. До начала работ было необходимо провести точную топографическую съемку по нескольким причинам:
- Осуществить начальное освоение земель, чтобы спроектировать сток воды для дренажа.
- Провести топографическую съемку поймы прилегающей реки для предотвращения возможных наводнений.
Если вы собираетесь открыть собственный отдел беспилотной съемки, готовьтесь к тому, что он станет объектом крупных инвестиций, и в итоге времени на проект может быть потрачено больше.
Геодезия 101
Для традиционной топографической съемки требуется сбор координат точек в заранее определенной сетке. В этом случае использовалась сетка размером 150х150 см:
Измерения производились каждые 150 сантиметров, на каждом перекрестке:
Всего на площади съемки 34,5 Га было собрано 1632 координаты.
Без дрона, снимающего со скоростью 20 точек/час (1 точка, каждые 3 минуты), сбор данных занял бы приблизительно 82 часа.
82 часа традиционной съемки означают, что инженер вынужден ждать как минимум неделю, чтобы приступить к обработке данных. Далее понадобится еще 3-4 дня, прежде чем работа будет сделана.
Проведя ту же съемку с использованием БПЛА, полевая команда смогла предоставить разработчику более быстрый вариант обзора.
Прежде всего, не нужно было собирать 1600 точек по всей площади. Вместо этого потребовалась съемка всего 10 наземных меток, расположенных в зоне обзора:
Для более крупных проектов Наземные опорные точки (GCP) лучше расставить по сетке.
10 наземных меток или 1632 точки:
10 опорных меток могут быть сделаны за 1-2 часа.
Те, кто знаком с фотограмметрией, знают, что точки, собранные с поверхности воды - неприемлемы для использования в подобных съемках.
Завершив сбор GCP, были собраны точки традиционным методом в участках со стоячей водой - комбинация двух методов, описанных выше.
Конечные собранные точки:
В итоге мы получили 117 точек (10 GCP + 107 на участках со стоячей водой).
Время на съемку:
Теоретически: 10 наземных меток + сбор точек = 1-2 часа
Фактически: 117 точек (10 GCP + 107 на участках со стоячей водой) при скорости сбора 20 точек / час = 5,85 часа
Традиционный метод: 1,632 точки при скорости сбора 20 точек / час = 81,6 часа
В течение часа были завершены все действия с БПЛА, включая сборку, предполетные проверки, запуск, посадку, разборку и первоначальную сшивку карты.
Таким образом мы получили:
БПЛА (1 час) + сбор точек (5,8 часа) =
Общее время полевых работ: 6,8 часа
Сравнение:
34,5 Га/ полевые работы с использованием БПЛА = 6,8 часа
34,5 Га/ полевые работы по традиционному методу = 81,6 часа
Общая экономия: 74,8 часа
Анализ данных
После проведения полевых работ, полученные данные требуют тщательной обработки. Сначала обрабатываются наземные метки, при этом при этом их позиция должна быть полностью скорректирована.
Далее, скорректированные точки (файл.las) должны быть экспортированы для создания основы топографических данных. Однако, большое количество точек в файле.las означает, что начальные топографические контуры выходят довольно грубыми:
Контуры должны быть сглажены, чтобы впоследствии создать согласованную линию, не теряя точность. В ином случае полученные данные - непригодны.
После 2 дней дополнительной обработки, результирующие топографические контуры стали точными в пределах 9 сантиметров, как по горизонтали (X, Y), так и по вертикали (Z):
Общие сроки выполнения проекта:
Метод с использованием БПЛА::
Полевые работы (6.8 часов) + обработка данных (24 часа) =
30,8 часов (около 4 дней)
Обычный метод:
Полевые работы (81,6 часов) + Обработка данных (24 часа)=
105,6 часов (около 13 дней)
Используя технологию с использованием беспилотника, инженер получил окончательный топографический обзор примерно за 75 часов
По полученным данным выяснилось, что:
1. Требуется дополнительное освоение земель, чтобы построить сточный дренаж в низколежащих районах, где вода удерживается.
2. Работники теперь смогут эффективно прогнозировать и планировать даты строительства дорог, домов и т.д.. - что поможет выполнять работы точно в срок.
3. Инженер узнал о недорогой и рентабельной съемке с БПЛА и планирует снова использовать этот метод для проведения окончательного «встроенного» топографического исследования в ближайшие недели.
Здесь Вы можете больше и лучшие модели беспилотников.
Выбор беспилотника
Для начала определимся с задачей, которую пришлось решать в этой работе. Первая задача - построение 3D модели (ортофотоплана) достаточно большой территории сельскохозяйственных угодий одного из заказчиков, у которого по сути поля находятся в окружении лесов, или как мы шутили в последствии - полей, которые встречаются в лесу. Эта характерная ситуация для сельского хозяйства в Томской области, которая является чрезвычайно залесённой. Да посмотрите сами - всё станет понятно без слов.
Большая территория и совершенно устаревшие данные по земельным отводам не дают объективной оценки состояния земель, поэтому собственникам земельных угодий становится не только интересно, но и выгодно понимать, какими ресурсами они владеют (или не владеют) на самом деле.
Собственникам земель доступны вот такие допотопные карты-планшеты, склеенные из бумаги с данными по отводу земель 30-40 летней давности. Цветным даже нанесены данные по содержанию в земле питательных веществ, что является важнейшей для агронома информацией, которая также в большинстве случаев уже не соответствует действительности. Короче, век хоть XXI, по сути живем данными и картами середины прошлого века. Конечно, получить объективную и актуализированную информацию о состоянии угодий полезно не только для инвентаризации имеющейся земли, но и для ввода новых земель в оборот, за которые можно получить приличные субсидии от государства. Осталось только найти эти земли среди болот и лесов. Начинаем поиски.
Для съемки таким больших территорий используется специальное промышленное летное оборудование - БПЛА самолетного типа (конструкция тип «крыло»). Эти аппараты позволяют за 1 полётную сессию покрывать до 1500 км 2 территории и получать снимки с необходимым качеством для дальнейшей постобработки. Выбор БПЛА на рынке достаточно большой. Как импортные, так и отечественные БПЛА на любой карман. Правда, дорогие и по моему мнению совершенно не оправдано. Но видно так диктует рынок. Цены от 1 млн. за достойный аппарат. Предлагаю немного прерваться и посмотреть короткое видео (2 мин 30 сек), которое я специально снял для читателей Хабра для этой статьи, чтобы сразу понять, что это за промышленный БПЛА и как это выглядит.
Съемка с использованием БПЛА
Самолет сам по себе никуда не полетит, если его не запустить в полет и не сделает того, что должен сделать. А что, собственно, должен делать БПЛА? Он должен строго следовать полётной инструкции и провести съемку в полном соответствие с планом съемки, который содержится в летном задании.Летное задание
Летное задание – специализированная инструкция, состоящая из указаний операторам по проведению процесса съемки, содержит все необходимые требования, включая утверждение масштаба фотографирования и фокусного расстояния фотооборудования, формат аэрофотоснимка, заданные проценты продольного и поперечного перекрытий, размеры съемочного участка. По этим исходным данным определяют высоту и базис съемки, интервал между экспозициями, число аэрофотоснимков в маршруте и на съемочный участок, а также ориентировочное время, необходимое для аэрофотосъемки всего участка. При этом важно не забывать, что снимки должны быть в строгом соответствие с выбранным масштабом съемки.Что такое масштаб съемки?
По масштабу аэросъемки условно подразделяют на сверхкрупномасштабные (крупнее 1:2000, разрешение до 20 см), крупномасштабные (от 1:2000 до 1:10000), среднемасштабные (от 1:10000 до 1:30000), мелкомасштабные (от 1: 30000 до 1:100000) и сверхмелкомасштабные (мельче 1:100000). Здесь и далее речь идет о соответствие размеров объектов в действительности, соотнесенные их изображению на цифровом снимке для 1 пикселя. То есть, к примеру, на сверхкрупномасштабном снимке 1:2000 изображение 1 пикселя соответствует объекту размером 20 см.
Съемка местности с перекрытием
Для того, чтобы получить качественную картографическую информацию и построить 3D модель местности, необходимо провести съемку территории с перекрытием, т.е. снимать участок земли так часто, чтобы последующий снимок как-бы «перекрывал» предыдущий, по аналогии с кровлей крыши, где каждая плитка накрывает часть предыдущей. То есть, съемка с БПЛА осуществляется так, как показано на рисунке - с перекрытием.
А всю территорию надо разбить на маршруты, т.е. мы получаем n-количество снимков вдоль и поперек, соответственно с продольным и поперечным перекрытием, так как показано на следующем рисунке
Величина продольного перекрытия между соседними аэрофотоснимками одного маршрута как правило в пределах 55-70 %, а поперечное - не менее 20%.
Перекрытия имеют особенности. Грабли номер раз
Перекрытия между соседними снимками одного маршрута, которые называются продольными (Px), имеют свою специфику. Слишком малые, так и слишком большие перекрытия снимков для задач построения 3D моделей территории не пригодны. Для получения стереоскопического (объемного) изображения в теории достаточно иметь продольное перекрытие в 50%. Однако из-за краевых эффектов и аберраций (искажений изображений) снимков продольное перекрытие несколько увеличивают. Большие перекрытия также недопустимы, так как это резко снижает объемность изображения, и, как следствие, ухудшают качество построение 3D моделей. При почти 100% перекрытии получаются два одинаковых снимка, у которых нет стереоскопического эффекта и это является не допустимым. Перекрытия между соседними снимками в равнинных условиях съемки должны находиться в пределах 55-70%, в горных условиях и при наличии существенных перепадов в рельефе местности перекрытие можно значительно увеличить вплоть до 80-90% без потери качества построения 3D модели местности.
Такой вид съемки, который используется в большинстве случаев, относится к площадной съемкой с перекрытием.
Перед началом работ проверяют все необходимое оборудование, материалы и полетные карты, проводят тренировку экипажей и составляют график полетов (прохождения маршрутов съемки) в соответствие с летными задачами, затем проверяют все необходимые расчеты параметров съемки.
Таблица содержит все необходимые исходные данные для проведения аэрофотосъемки и расчета всех её параметров. Конечно, ввод этих данных идет в автоматическом режиме, но я приведу формулы расчета, чтобы иметь общее представление, что всегда полезно.
Для получения необходимо разрешения снимков, съемку с БПЛА необходимо вести на строго определенной высоте полета H пол.
где H пол - высота полета, м; GSD - разрешение пикселя, м/пкс; l х - размер матрицы камеры (по оси абсцисс), пкс.
Расстояние между соседними снимками (В) для последующего расчета их количества по продольному маршруту определяется как
где P x – продольное перекрытие, %; GSD – размер пикселя на местности.
Ширина маршрута на местности (L M) зависит от размера матрицы (в направлении ординат) (l y) применяемой в комплексе с БПЛА цифровой камеры и определяется следующим соотношением:
где l y – ширина матрицы по оси «y», пкс.
Определить расстояние между смежными маршрутами L y съемки с условием поперечного перекрытия P y можно рассчитать по формуле
где длина участка D x равна длине среднего маршрута в продольном направлении от левого края первого аэрофотоснимка до правого края последнего аэрофотоснимка с запасом на 1 снимок.
Количество маршрутов N м вычисляют с учетом ширины участка D y , который измеряют в поперечном направлении посередине от верхней стороны снимка первого маршрута до нижней стороны снимка последнего маршрута с запасом в 1 маршрут.
Суммарное количество снимков на исследуемый участок N уч определяют как общее количество снимков по всем маршрутам съемки, а минимальное полетное время съемки, которое, в частности, может использоваться для соответствующих экономических расчетов затрат на проведение работ, вычисляется по формуле:
где V – средняя скорость БПЛА в процессе съемки территории.
Конечно, это расчетное время съемки и оно никак не связано со временем реальной работы, которое в зависимости от количества разбросанных граблей по которым приходится шагать, может и на на пару порядков отличаться от расчетного, но все-же)
Как говорилось выше, все необходимые вышеуказанные параметры съемки задаются в автоматическом режиме с учетом использования современного БПЛА оборудования, оснащенного специализированными контроллерами и современным программным обеспечением. Однако, при обеспечении внутреннего контроля работ необходимо проконтролировать точность введения исходных данных, а полученные снимки должны быть выборочно (либо целиком) проконтролированы на качество. Для этого необходимо вести (в бумажном или цифровом виде) дефектовочные карты проведенных съемок (оценка снимков проводится по 5-бальной шкале). Дефектовка проводится на месте, чтобы при необходимости переснять неудачные участки, чтобы не повторять командировку вновь.
И немного о погоде. Очередные грабли
Съемку земной поверхности осуществляют через толщу атмосферы, характеристики которой непостоянны. Состояние атмосферы определяет условия и результаты съемки. Физическое состояние атмосферы характеризуют ее прозрачность и рефракции лучей в ней, температура воздуха, атмосферное давление, влажность воздуха, облачность, перемещение воздушных масс. Наибольшее влияние на результативность съемки в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра оказывают степень прозрачности атмосферы, освещенность и облачность.В слое атмосферы между земной поверхностью и съемочной системой, установленной на БПЛА, всегда в той или иной степени содержатся мельчайшие (0,01-1 мм) частицы газов, водяных паров, пыли, дыма. Они вызывают рассеяние света в атмосфере и обусловливают дополнительную яркость самого воздуха, чем снижают контрастность деталей земной поверхности. Свечение или мутность атмосферы за счет рассеяния света от взвешенных в воздухе частиц называют дымкой. При преобладании в атмосфере молекул газов и водяного пара сильнее рассеиваются лучи с короткой длиной волн и атмосферная дымка имеет преимущественно голубой или синий цвет. Если же преобладают взвешенные частицы пыли, дыма и других посторонних тел, дымкой в равной степени рассеиваются лучи всех цветов спектра и сама она принимает серый или белесый цвет. Такая дымка чаще бывает в районах с задымленностью от лесных пожаров и промышленных предприятий или в зонах распространения частиц пыли и песка.
Аэрофотосъемка возможна и при высокой сплошной облачности, расположенной выше БПЛА, выполняющего съемку. Высокая сплошная облачность позволяет получать бестеневые аэрофотоснимки со смягченными тонами теней, в результате чего полог лесных насаждений просматривается глубже, лучше видны его затененные части.
Для целей дешифрования лесной растительности, важное значение имеет влияние высоты Солнца в момент проведения съемки: чем оно выше, тем контрастнее выделяется соотношение между освещенными и затененными сторонами крон в пологе насаждений. Также более отчетливо отбрасываются тени.
При высоте Солнца более 30° общий вид изображения полога насаждений яркий и пестрый, так как сомкнутые насаждения состоят из светлых крон и темного фона от затененных промежутков между кронами.
Обычно съемку начинают не ранее чем через 2 ч после восхода Солнца и заканчивают за 3 часа до его захода. В большинстве случаев аэрофотосъемочное время дня ограничивается тремя-четырьмя часами, поскольку после 9-10 ч, особенно в лесных районах, появляется кучевая облачность, достигающая наибольшего развития к 13-15 ч. Не догма, наблюдение из собственного опыта.
Прямым ограничением проведения съемок является наличие сильного дождя, снега, грозовых явлений, либо резких порывов ветра с горизонтальной скоростью более 10-15 м/с и вертикальными порывами более 3 м/с. Однако, не смотря на то, что современные промышленные БПЛА могут эксплуатироваться в условиях значительной ветровой нагрузки, целесообразно иметь системы метеорологического мониторинга полетных условий, которые должны сопровождаться контролем горизонтальной и вертикальной скорости ветра и влажности воздуха, так как влажность существенно влияет на плотность воздуха и, как следствие, на аэродинамические свойства БПЛА. Не смотря на то, что производители БПЛА пишут в рекламе, что их аппараты летают при практически любой погоде - лучше летные мероприятия проводить в нормальную погоду. Потерять БПЛА намного дороже, чем выждать подходящие метеоусловия. Ведь бОльшая часть таких аппаратов гибнут по двум причинам - раздолбайство операторов и неподходящая погода. То и другое является для производителей БПЛА «золотым дном», ведь дорогостоящие ремонты БПЛА тоже ооооочень доходный бизнес. Поэтому нельзя экономить на подготовке операторов и торопить события с желанием все быстро сделать. Это как раз тот случай, когда спешка и смех находятся в самой прямой зависимости.
Осторожно, суровые законы!
Представим, что вы имеете отличное оборудование, промышленные БПЛА и великолепных операторов, заказчиков работ, но все равно попали в тюрьму. Да, именно так, ведь несоблюдение требований законодательства к организации летных мероприятий и открытия воздушного пространства совершенно спокойно может привести к таким последствиям. Ничего не попишешь, в этом смысле в России придумано всё так, чтобы даже при условии соблюдения всех правил можно что-то не учесть. Вообще процесс получения официального разрешения на полеты (открытия воздушного пространства) еще тот концерт. Каждый случай специфичен. Общие же принципы таковы. Для осуществления летных мероприятий с использованием БПЛА необходимо строго руководствоваться требованиями законодательства. Основным документом для работы по открытию воздушного пространства является постановление Правительства РФ от 11 марта 2010 г. N 138 «Об утверждении Федеральных правил использования воздушного пространства Российской Федерации». Второй параграф Правил содержит определение БПЛА: беспилотный летательный аппарат - летательный аппарат, выполняющий полет без пилота (экипажа) на борту и управляемый в полете автоматически, оператором с пункта управления или сочетанием указанных способов.Таким образом, для выполнения требований Законодательства для обеспечение полетных мероприятий (в общем случае) необходимо выполнить ряд обязательных мероприятий. Необходимо подготовить Сообщение о плане полета беспилотного летательного аппарата (далее - сообщение о плане запуска). Сообщение представляет собой сведения о планируемой деятельности по использованию воздушного пространства, которые направляются пользователем воздушного пространства или его представителем в орган обслуживания воздушного движения (управления полетами) по авиационной наземной сети передачи данных и телеграфных сообщений, по сети Интернет или на бумажном носителе, включая факсимильное сообщение.
Сообщение о плане запуска по авиационной наземной сети передачи данных и телеграфных сообщений, а также на бумажном носителе, включая факсимильное сообщение, направляется в виде формализованной телеграммы, состоящей из трех частей: адресной, информационной и подписной.
Адресная и подписная части телеграммы заполняются в соответствии с установленными правилами адресования и передачи телеграфных сообщений.
Информационная часть телеграммы заполняется в последовательности и по правилам, определенным Табелем сообщений о движении воздушных судов в Российской Федерации и требованием Законодательства.
Сообщение о плане запуска по сети Интернет направляется путем заполнения информационной части плана полета воздушного судна на веб-сайте органа ОВД в последовательности и по правилам, определенным настоящим Табелем сообщений.
Текст сообщения о плане запуска заполняется печатными буквами в соответствующих случаях латинского или русского алфавита. В виду динамично развивающего Законодательства в области использования воздушного пространства, указанные правила изменяются. Невыполнение или частичное выполнение указанных правил может привести к административной ответственности физических или юридических лиц, а в случае тяжких последствий – к уголовной ответственности в установленном в Законодательстве порядке.
Требования к операторам БПЛА и руководителю полетов
Современные профессиональные БПЛА представляют собой средства повышенной опасности. Наличие маршевых двигателей, существенный вес БПЛА и сложность эксплуатации накладывают определенные требования к квалификации операторов. Съемки залесенной территории в Сибирском регионе связана с опасностью попадания в зону действия лесных пожаров, дополнительным фактором опасности является наличие клещей и гнуса. Персонал должен строго соблюдать требования инструкции по ТБ оператора, работы выполнятся как минимум двумя операторами. Люди, выполняющие полевые летные работы, должны быть привиты от клещевого энцефалита, иметь специальную защитную одежду, удостоверение оператора БПЛА и гражданский паспорт, комплект разрешительных документов на открытие воздушного пространства, аптечку и средства связи. В зонах отсутствия или неустойчивости связи сотовых операторов – радиостанции УКВ и КВ диапазонов. При организации съемок с БПЛА в местах появления опасных животных руководитель полетов должен иметь средства для их отпугивания (шумовые патроны и спецсредства) или огнестрельное оружие (при наличии лицензии). В случае необходимости применения оружия данный факт сообщается правоохранительным органам и(или) специалистам лесного хозяйства для актирования случая.При появлении любых опасных явлений в зоне проведения полетов, они должны быть незамедлительно прекращены, а руководитель полетов должен предпринять все разумные усилия для обеспечения безопасности операторов и срочно покинуть опасное место, к примеру, при приближении очага лесного пожара.
Ну вот примерно так происходит подготовка к проведению БПЛА съемки с помощью промышленного лётного оборудования. В последующих сериях (статьях) рассмотрим технологии обработки и интерпретации полученных БПЛА снимков с целью получения качественной картографической информации и 3D моделей местности. Также поговорим о дешифровке различных интересных объектов на снимках с БПЛА. Будет интересней! Хорошего дня!