Патент спосіб аерофотозйомки БПЛ. Використання безпілотних літаючих апаратів (БПЛ) для виконання аерофотозйомки. Де можуть літати бпла геоскан
УДК: 528.71 А.С. Костюк
Західно-Сибірська філія «Держземкадазйомка» - ВІСХАГИ, Омськ
РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ І ОЦІНКА ЯКОСТІ АЕРОФОТОЗЙОМКИ З БПЛА
У статті розглянуто особливості розрахунку параметрів аерофотозйомки з малих безпілотних літальних апаратів (БПЛА). Викладено спосіб оперативної оцінки якості аерофотозйомки з БПЛА.
West-Siberian branch «Goszemkadastrsyomka» - VISHAGI 4 Prospect Mira, Omsk, 644080, Російська Федерація
CALCULATION OF THE PARAMETERS AND EVALUATION OF QUALITY WITH UAV AERIAL PHOTOGRAPHY
Матеріали позначаються ознаками калькуляції параметрів від американських вантажів з невеликих орендованих американських автомобілів (UAVs). Наведений метод для швидких оцінок якості авіаційної галузі з необов'язкового аеропорту.
Проведення робіт з інвентаризації земель та об'єктів нерухомості, підготовка документів для постановки на державний кадастровий облік та державна реєстрація прав передбачає виконання комплексу картографо-геодезичних, землевпорядних та кадастрових робіт. Для підтримки інформації на сучасному рівні потрібний системний моніторинг. Для локального оновлення картографічного матеріалу земель, що інтенсивно використовуються, доцільно використовувати безпілотно-пілотовані літальні апарати. У Західно-Сибірській філії підприємства "Держземкадазйомка" - ВІСХАГІ розроблено кілька літальних апаратів і всі вони потрапляють у вагову категорію до 3,5 кг.
Незважаючи на всю простоту аматорської зйомки з БПЛА, при проведенні аерофотознімальних робіт для цілей картографування виникає ряд проблем, пов'язаних з вибором фотокамери, що встановлюється на літальний апарат, розрахунком параметрів аерофотозйомки та оперативної оцінки якості матеріалів аерофотозйомки.
Вибір фотокамер для цілей аерофотозйомки заснований на аналізі наступних характеристик: роздільної здатності знімків, фізичному розмірі матриці, величині кута захоплення, ваги камери та її вартості. Нами було розроблено методику присвоєння оціночних балів з кожної характеристиці фотоапарата. Найкращим фотоапаратом вважався фотоапарат, який набрав велику суму балів. Було досліджено більше десяти цифрових камер, що підходять для встановлення на БПЛА з модельного ряду вагової категорії до 3,5 кг.
За результатами дослідження, найкращими для цілей аерофотозйомки визнані камери Canon IXUS-980IS, Pentax Optio-A30 та Sony DSC-W300, їх основні характеристики представлені в табл. 1.
Таблиця 1 Основні характеристики вибраних фотокамер
Назва фотокамери Довжина матриці, пкс Ширина матриці, пкс Розмір матриці, f екв 35 мм кадру, мм Вага, 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 даний час на безпілотних літальних апаратах ЗахідноСибірської філії "Держземкадазйомка" - ВІСХАГІ встановлена фотокамера Pentax Optio-A30. Камера добре показала себе під час виробничої та експериментальної аерофотозйомки. Технологія аерофотозйомки з БПЛА, що постійно розвивається, вимагає придбання нових фотокамер і вдосконалення методики їх вибору.
Розрахунок параметрів аерофотозйомки викладено у відповідних нормативних документах. Аерофотозйомка з малих безпілотних літальних апаратів має низку особливостей. Перевищення допустимих кутів нахилу знімків, недотримання прямолінійності траєкторії польоту, забезпечення необхідного перекриття між знімками висока частота фотографування як наслідок надлишок кадрів. Нами була розроблена методика розрахунку наступних параметрів аерофотозйомки з БПЛА: висоти фотографування, відстані між маршрутами та між центрами фотографування на маршруті.
Висота аерофотозйомки залежить від масштабу створюваного фотоплану. Величина крайнього пікселя знімка на місцевості не повинна перевищувати 0.07 мм у масштабі створюваного фотоплану. Наприклад, при створенні фотоплану
масштабу 1: 2000 величина пікселя на місцевості d не повинна перевищувати 0.14 м. Розрахунок роздільної здатності знімка слід проводити для пікселів найбільш віддалених від центру кадру. Схема зв'язку розміру крайнього пікселя знімка з місцевістю показано малюнку.
На малюнку: f – фокусна відстань камери в еквіваленті для 35 мм кадру;
L – довжина половини діагоналі матриці, для 35 мм кадру вона складе 21.6 мм;
H – висота фотографування під час АФС;
Мал. 1. Зв'язок розміру пікселя знімка з місцевістю
D – довжина половини діагоналі знімка на місцевості.
З малюнка випливає:
d ■ cos(у-Р)
S =; ; (1) sin у
Hmx = S ■ cos Р; (2)
Розрахунок максимально допустимої висоти аерофотозйомки виконується за формулою (2), де кут залежить від індивідуальних параметрів використовуваної фотокамери і може бути розрахований виходячи з величини фокусної відстані еквівалентного 35 мм кадру.
Залежно від точності GPS навігації та особливостей пілотування БПЛА можуть бути досягнуті наступні параметри витримування літака на маршруті:
Поперечне зміщення від осі маршруту ±10 м;
Утримання БПЛА на запроектованій висоті ±15 м;
відстань від запроектованого центру фотографування до точки спрацьовування затвора фотоапарата ± 5 м;
Зміна кута нахилу БПЛА на маршруті між двома знімками
Зміна кута тангажу БПЛА на маршруті між двома знімками
Наведені параметри польоту БПЛА були отримані в результаті постобробки безлічі матеріалів виробничої та експериментальної аерофотозйомки.
Для розрахунку відстані між маршрутами забезпечує 30% поперечне перекриття за ідеальних умов за формулою (3) обчислюється половина поперечного кута захоплення камери, де Ln^epen - половина ширини 35 мм плівки і становить 12 мм:
р" = arcctg (------); (3)
Висота польоту з урахуванням похибки барометричного датчика розраховується за формулою (4):
H = H - 20 м (4)
підлога max? V /
Половина ширини захоплення місцевості камерою обчислюється за такою формулою (5):
D = H підлога ■ tgP"; (5)
Відстань між маршрутами в ідеальних умовах розраховується за формулою (6):
де до = 0,7 для забезпечення 30% поперечного перекриття знімків.
Для забезпечення надійного суцільного покриття земної поверхні знімками необхідно врахувати максимальні відхилення БПЛА від запроектованого маршруту. Мінімальне значення половини ширини захоплення місцевості під час аерофотозйомки з урахуванням сукупності похибок навігаційних даних та пілотування літального апарату обчислюється за формулою (7):
Рш1п = (Нпоп -15м) щ(0-5 °) -10м; (7)
Граничне відхилення між двома маршрутами становитиме:
8Р = 2 (Р - Етп); (8)
Відстань між маршрутами з урахуванням поперечного змішування БПЛА щодо осі маршруту, утримування висоти польоту та кутів нахилу камери обчислюється за формулою (9):
К = К - §Р ■ (9)
попереч ід? V /
За формулами (1)-(9) обчислюється висота польоту БПЛА для вибраних фотоапаратів та відстань між маршрутами при створенні фотопланів масштабу 1: 2000. Отримані дані представлені в табл. 2.
Таблиця 2 Розрахунок висоти фотографування та відстані між
маршрутами
Назва фотокамери 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
Відстань між центрами фотографування на маршруті розраховується за аналогією з відстанню між маршрутами. За формулою (3) обчислюється половина поздовжнього кута захоплення камери, де L - половина довжини плівки 35 мм і становить 18 мм. Відстань між центрами фотографування в ідеальних умовах розраховується за формулою (6), для забезпечення 60% поздовжнього перекриття знімків коефіцієнт до дорівнює 0,4. За формулою (7) визначається мінімальне значення половини довжини захоплення місцевості під час АФС. Граничне відхилення відстані між знімками від розрахованого обчислюється за формулою (8). Відстань між центрами фотографування з урахуванням похибки навігаційних координат, утримування висоти польоту та кутів нахилу камери розраховується за формулою (10):
Результати отримані під час обчислення відстані між центрами фотографування вздовж маршруту наведено у табл. 3.
Таблиця 3 Розрахунок відстані між центрами фотографування
Назва фотокамери ^ 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
За даними табл. 2 і 3 на прикладі фотоапарата Сапоп 1ХШ-98018 складено картку параметрів аерофотозйомки з БПЛА з метою отримання фотоплану масштабу 1: 2 000._________________________________
Картка параметрів АФС з БПЛА для картографування
Фотокамера: Canon IXUS-980IS
Масштаб АФС: 1: 2000
Висота польоту при АФС: 500 м
Відстань між маршрутами: ll0 м
Відстань між центрами фотографування на маршруті: ll0 м
Допустиме відхилення від осі маршруту: ± l0 м
Допустиме відхилення від запроектованої висоти АФС: ± l5 м
Відстань спрацьовування затвора фотоапарата від намічених центрів фотографування вздовж осі маршруту: ±5 м
Допустима зміна кута крену БПЛА на маршруті між двома знімками: 10о
Допустима зміна кута тангажу БПЛА на маршруті між двома знімками: 60
Розрахунок параметрів аерофотозйомки дуже важливий етап підготовчих робіт. Правильно розраховані параметри польоту дозволяють збільшити площу покривається аерофотозйомкою за один політ і підвищити якість матеріалів аерофотозйомки.
Для оперативної оцінки якості виконання аерофотозйомки на нашому підприємстві було розроблено та впроваджено у виробництво програмне забезпечення у вигляді додатку *.тЬх на базі Маріпіо. Програма дозволяє проектувати маршрути згідно з розрахованими параметрами аерофотозйомки. За отриманими даними з борту літального апарату, у реальному часі будується фактична траєкторія польоту. У момент проходження БПЛА над точкою запроектованого центру фотографування в автоматичному або ручному режимі подається команда на спрацювання камери затвора. По висоті літального апарату та його
орієнтації в просторі в момент фотографування будується умовна рамка знімка, за якими можна оперативно оцінити покриття заданої території аерофотозйомкою, і, при необхідності, ухвалити рішення про повторне проходження над проблемними ділянками.
Розроблена методика проектування аерофотозйомки з БПЛА дозволила суттєво скоротити час виконання аерофотознімальних робіт та підвищити якість матеріалів.
Я геодезист, колеги з КРОК попросили мене розповісти про те, як ми переробляємо дрони, як програмуємо політ і як все потім обробляємо, перетворюючи знімки, отримані з безпілотника, на детальні ортофотоплани, високоточні тривимірні моделі місцевості і топографічні плани масштабів1:5 :10 000.
Ми з командою спробували кілька різних дронів і зрештою зупинилися на «робочій конячці» DJI Phantom 4 PRO з декількома модифікаціями. Перше та головне, що ми з ним зробили, - це оснастили його геодезичним GNSS-приймачем, який дозволяє визначати центри фотографування із сантиметровою точністю.
Стандартний його GPS забезпечував точність близько 15-20 метрів. Для вирішення геодезичних завдань за такої точності потрібні або спеціальні хрести на землі, або ще якесь збочення на кшталт розкладання паперових тарілок за відомими координатами.
Ми робимо і простіше, і складніше: ставимо наземну базову станцію з точно відомими координатами і інтегруємо в дрон додатковий GNSS-приймач і встановлюємо зовнішню антену. Наприклад, ми починали з MATRICE 600 c встановленою на борту D-RTK системою фірми DJI, яка була дуже громіздкою, дорогою і не зручною для вирішення геодезичних завдань.
Потім ми переробили компактніший DJI PHANTOM 4 PRO: вдалося інтегрувати додаткове GNSS-обладнання в стандартний корпус. Загальна маса безпілотника збільшилася приблизно на 100 г. Час польоту трохи постраждав, але некритично: набору із чотирьох батарей вистачає для виконання зйомки площею 200–300 га.
Фантом дав одну важливу нагоду - основний набір став уміщатися в ручну поклажу пасажирського літака. Тобто ми можемо тепер возити весь комплект обладнання з собою куди завгодно дуже просто.
Мінімальний набір - модифікований дрон (весь його комплект), геодезичний GNSS-приймач як наземна базова станція, ноутбук з програмою планування польотів, завантаженою картою (для роботи без Інтернету) та прописаним під точку планом польотів, якщо була така можливість заздалегідь. Ще потрібні додаткові батареї, зарядний пристрій (або кілька) та генератор. Ми беремо бензиновий генератор, який виконаний у вигляді кейсу, він дуже зручний для наших потреб. Або інвертор для живлення від двигуна автомобіля. Для деяких регіонів треба брати ще обігрів (зокрема, для акумуляторів та рук).
З одного акумулятора можна відзняти 50 га з роздільною здатністю 2-5 сантиметрів на піксель.
Працюємо так: приїжджаємо на місце із докладно прописаним заздалегідь (в офісі) завданням для дрона. Ми використовуємо UgCS (це професійний досить дорогий софт для планування польотів дронів, який в Росії продає і консультує з інтеграції та доробок КРОК. Звичайно, такий софт застосовується не тільки в геодезії, ним можуть користуватися рятувальники, агрономи, будівельники тощо, але в цих областях я не сильний, тому всі питання – до колег з КРОК). У ньому ми вказуємо межі району робіт, поперечне перекриття, висоту фотографування, і далі програмне забезпечення саме розрахує маршрут польоту дрону з урахуванням особливостей рельєфу місцевості. Тобто UgCS нарізає все як слід: з проміжними посадками для заміни батарей та іншим.
Дивимося, чи немає якихось неврахованих перешкод, потім ставимо базову станцію GNSS. Координати наземних точок уточнюються приймачем Topcon GR-5.
Щоб підключити автопілот з GNSS, ми з'єднуємо дрон з пультом, пульт - з планшетом з програмою DJI, що управляє, а потім планшет - з ноутбуком. Налаштувати цей зв'язок з ходу непросто. Тут мені значно допомогли колеги з КРОК: встановити, підігнати, протестувати до запуску.
Наступний момент у тому, що приблизно кожен третій об'єкт знаходиться там, де немає стабільного доступу до Інтернету. Із цим софт справляється. Але бувають і складні ділянки, наприклад, гори, де вже починаються проблеми із поширенням сигналу. Саме тому ми використовуємо фантоми: у них є безліч вбудованих датчиків для обходу перешкод. Коли він втрачає зв'язок, то вертається назад. Коли не може повернутися назад, починає сідати. І ці датчики допомагають літати в складних умовах, таких як гірська місцевість або в місті. Ми мали кілька випадків, коли датчики перешкод допомогли уникнути аварійної ситуації. Наприклад, у горах емірату Фуджейра (ОАЕ) ми втратили зв'язок із дроном, і через вітер безпілотник не зміг повернутися на точку зльоту. Тоді автопілот прийняв рішення про посадку і за датчиками перешкоди посадив дрон у ущелину між двома схилами гірського масиву на порівняно рівний майданчик.
Підсумок польоту дрону – фотографії ось у цих точках (це софт для обробки вже виділяє їхні центри):
Дані GNSS-вимірювань завантажуються Wi-Fi окремо після завершення польоту, вони зберігаються на дроні і не транслюються на землю в реальному часі.
Ось хмара точок після класифікації. Кольором виділено рослинність, опори, проводи ЛЕП, будівлі та споруди:
А це вже 3D-модель з цієї хмари:
На цьому котеджному селищі завдання було простим: 5 см на піксель, простий ландшафт, щонайменше дерев, немає наведень. Ми отримали ортофотоплан і поєднали його з кадастровим планом:
Він може використовуватися для межування, інвентаризації та кадастрової оцінки земельних ділянок, оцінки ефективності використання земельних ресурсів, проектування розвитку територій, проектно-вишукувальних робіт, реконструкції та розвитку дорожніх мереж, моніторингу стану наземних та підземних комунікацій, трубопроводів, ЛЕП тощо, моніторингу земель з метою охорони, екологічного моніторингу кордонів та площ земель, схильних до зміни, створення тривимірних моделей місцевості для ГІС.
Чому UgCS? Тому що інших варіантів на ринку особливо і немає, все інше – аматорського рівня. Дуже зручно, що будь-який дрон можна виставити на завдання, і він просто полетить: підтримується вся лінійка DJI включно з Мавіками і ще з десяток популярних у геодезії дронів. Немає прив'язки до заліза взагалі. Дуже гарне планування – з офісу. Нормальне керування з ноутбуком джойстиком або CLICK&GO, гарне геокодування зображень для Photoscan або Pix4D. На ринку є альтернативне ПЗ без необхідності тягати ноутбук, але з значно меншою кількістю можливостей. Ноутбук – це величезна перевага, але водночас і прокляття системи: він дуже ускладнює відрядження. Взимку все це стає ще складніше через те, що батареї всієї зв'язки мерзнуть, і доводиться працювати в рукавичках (що не дуже точно). Але інших варіантів поки що немає: або такі незручності, або обмежені можливості.
Ось приклад результату тривимірної моделі міста:
Ось ще один об'єкт – тривимірна модель кар'єру:
Ось така історія.
Технологія аерофотозйомки на основі БПЛА складається з наступних етапів:
1) підготовчі роботи;
2) польові роботи;
3) камеральні роботи.
2.1 Підготовчі роботи аерофотозйомки з використанням БПЛ
Підготовчі роботи включають:
отримання та уточнення технічного завдання;
збирання та систематизацію даних – картографічних або фотографічних матеріалів, списків координат пунктів ДМР або межової мережі тощо;
аналіз фізико-географічних характеристик району робіт – лісовий, гірський, водний, середня температура тощо;
розроблення технічного проекту та карти (схеми), в якій відображається межа ділянок робіт, термін виконання, намічені до визначення точки планово-висотної польової підготовки знімків;
розрахунок та введення даних на наземній станції управління: висоти зйомки, поздовжнього та поперечного перекриття, межі зйомки, положення стартової позиції щодо максимально висотних об'єктів, вибір посадкового майданчика;
вибір точок планово-висотної підготовки знімків (опорних та контрольних точок), а також вибір методу визначення координат цих точок;
одержання дозволу на проведення польоту;
технічний огляд та підготовка приладів та техніки до роботи;
огляд та заряджання акумуляторних батарей.
2.2 Польові роботи аерофотозйомки з використанням БПЛ
Польові роботи включають:
геодезичні (планово-висотна підготовка) роботи – визначення координат тимчасових базових станцій та точок ППО;
аерофотознімальні роботи – підготовка польотного завдання, аерофотозйомка, контроль якості АФС.
2.2.1 Планово-висотне обґрунтування аерозйомки
Вимоги до планово-висотного обґрунтування (ППО) для аерофотозйомки за допомогою БПЛА наведено у таблиці 2.1.
Таблиця 2.1. Вимоги до планово-висотного обґрунтування для аерофотозйомки за допомогою БПЛА
2.2.2 Аерофотознімальні польові роботи
Оператор за допомогою наземної станції управління (НСУ) задає територію зйомки та необхідний просторовий дозвіл. Програма розраховує польотне завдання, перевіряє його здійсненність. Приклад розрахунку польотного завдання у ПЗ Geoscan Planner 2.1 представлений малюнку 2.1.
Програма керування польотом БПЛА дозволяє виконувати такі функції:
нанесення району проведення робіт на карту користувача;
розрахунок маршрутів польоту БПЛА за вихідними даними;
за масштабом створюваного ЦТП та висотою перерізу рельєфу місцевості розрахунок висоти польоту БПЛА;
за параметрами цифрової камери, величиною поздовжнього та поперечного перекриття аерофотознімків, максимальною та мінімальною висотою рельєфу в районі зйомки, швидкістю та напрямом вітру – розрахунок часу виконання польоту, кількості знімків на район зйомки, швидкість руху БПЛА, інтервали зйомки;
якщо для покриття всього району зйомки необхідно проводити кілька польотів, а також, якщо старт і посадку БПЛА необхідно виконувати з різних стартових позицій, - здійснити розбивку району зйомки на окремі ділянки.
Політне завдання завантажується в автопілот безпілотника.
Рисунок 2.1 – Приклад розрахунку польотного завдання GeoScan Planner 2.1
Порядок вибору точки старту та посадки БПЛА наступний:
точка старту повинна бути з мінімальним видаленням від досліджуваних об'єктів;
визначити напрямок маршруту щодо наземної станції управління та переконатися у відсутності перешкод у цьому напрямку для забезпечення прямої радіовидимості;
визначити напрямок запуску та переконається у відсутності перешкод у цьому напрямку;
переконатися у відсутності перешкод у зоні посадкового майданчика; при цьому слід врахувати, що на посадку апарат заходить проти вітру, точка захоплення координат є точкою відкриття парашута в режимі автоматичної посадки та аварійної посадки у разі втрати зв'язку;
для безпечного запуску та посадки БПЛА необхідна відсутність перешкод: будов, щогл, вишок, заводських труб заввишки понад 50 м на видаленні 500 м;
майданчик посадки вибирається поблизу точки старту з урахування можливості візуального контролю оператором заходу на посадку та посадки БПЛА;
для посадки БПЛА вибирається рівна ділянка місцевості діаметром не менше 50 м з трав'яним покриттям заввишки не більше 1 м; на майданчику не повинно бути предметів, при приземленні на які можливе пошкодження БП
Проводиться запуск безпілотного літального апарату з катапульти (рис. 2.2), і він автоматично здійснює зліт, вихід на задану НСУ висоту і починає виконувати польотне завдання.
Під час польоту автоматично виконується фотографування та визначення центрів фотографування за допомогою GPS/ГЛОНАСС приймача. Оператор землі в режимі онлайн отримує дані телеметрії (координати, висота, крен, тангаж та ін.). Усі параметри відображаються на екрані ноутбука, і оператор в онлайн режимі контролює процес виконання робіт, а також може будь-якої миті змінити поставлене завдання.
Малюнок 2.2 – Запуск БПЛА
Після завершення виконання польотного завдання безпілотний літальний апарат знижується до заданої НСУ висоти та випускає парашут (рис. 2.3), відбувається м'яка посадка. З технічної точки зору використання парашута є найбільш безпечним способом посадки на непідготовлений майданчик, забезпечуючи збереження планера і бортового обладнання, дозволяє значно збільшити ресурс використання планера.
Малюнок 2.3 - Посадка БПЛА
Безпосередньо після приземлення є можливість отримати попередній результат виконаної роботи. Аерофотознімки завантажуються в ноутбук із встановленим програмним забезпеченням PhotoScan, і здійснюється попередня обробка та побудова 3D моделі місцевості, ортофотоплана та цифрової моделі місцевості (рис. 2.4).
Малюнок 2.4. Попередня обробка отриманих даних
Під час створення накидного монтажу кожен аерофотознімок відображається на цифровій карті. Розташування аерофотознімків на карті та їх масштаб визначаються координатами центральної точки аерофотознімка, кутом азимуту та висотою, отриманими в момент фотографування за даними бортового GPS-приймача.
За результатами накидного монтажу оцінюються такі параметри:
наявність перепусток аерофотознімків у маршруті (пропущеним вважається аерофотознімок, якщо поздовжнє перекриття суміжних аерофотознімків менше заданого);
відхилення масштабу аерофотознімків від заданого (не більше 5%);
поздовжнє та поперечне перекриття аерофотознімків;
прямолінійність маршрутів (для контролю прямолінійності маршрутів проводиться монтаж кожного маршруту за початковими напрямками; головні точки аерофотознімків, розташованих на кінцях маршруту, з'єднуються прямою, від якої вимірюється стрілка прогину (відстань від прямої до найбільш віддаленої від неї головної точки). Прямолінійність визначається у відсотках відношенням стрілки прогину маршруту до його довжини (Стрілка прогину не повинна перевищувати 2 % від довжини маршруту.);
величина поздовжніх кутів нахилу двох суміжних кадрів маршруту і взаємних поперечних кутів нахилу на частині двох суміжних аерофотознімків сусідніх маршрутів, що перекривається наступні: кути нахилу не повинні перевищувати 3° (число аерофотознімків з кутом нахилу 3° допускається не більше 10 % );
помилка встановлення цифрової камери на кут знесення (не більше 6°).
В одному ми впевнені: висока ціна не завжди означає високу якість.
Ми поринемо в індустрію і дізнаємося, як дрони покажуть себе під час зйомки.
У цьому дослідженні використовують терміни і специфічний жаргон, але вони не завадять вам розібратися в суті. У цьому дослідженні було здійснено обробку даних у DroneDeploy та отримано високу точність прив'язки - 9 см.
Опис
Топографічна зйомка є невід'ємною частиною всіх проектів у галузі землеустрою.
У цьому прикладі ми розглянемо ділянку землі, на якій мало бути побудоване нове селище. До початку робіт необхідно було провести точну топографічну зйомку з кількох причин:
- Здійснити початкове освоєння земель, щоб спроектувати стік води для дренажу.
- Провести топографічну зйомку заплави прилеглої річки для запобігання можливим повеням.
Якщо ви збираєтеся відкрити власний відділ безпілотної зйомки, готуйтеся до того, що він стане об'єктом великих інвестицій, і в результаті на проект може бути витрачено більше.
Геодезія 101
Для традиційної топографічної зйомки потрібно збирання координат точок у заздалегідь визначеній сітці. У цьому випадку використовувалася сітка розміром 150х150 см:
Вимірювання проводилися кожні 150 сантиметрів, на кожному перехресті:
Загалом на площі зйомки 34,5 Га було зібрано 1632 координати.
Без дрона, що знімає зі швидкістю 20 точок/годину (1 точка, кожні 3 хвилини), збір даних зайняв приблизно 82 години.
82 години традиційної зйомки означають, що інженер змушений чекати щонайменше тиждень, щоб розпочати обробку даних. Далі знадобиться ще 3-4 дні, перш ніж робота буде зроблена.
Провівши ту ж зйомку з використанням БПЛА, польова команда спромоглася надати розробнику швидший варіант огляду.
Насамперед, не потрібно було збирати 1600 точок по всій площі. Натомість була потрібна зйомка всього 10 наземних міток, розташованих у зоні огляду:
Для великих проектів Наземні опорні точки (GCP) краще розставити по сітці.
10 наземних міток або 1632 крапки:
10 опорних міток можуть бути зроблені за 1-2 години.
Ті, хто знайомий з фотограмметрією, знають, що крапки, зібрані з поверхні води – неприйнятні для використання у подібних зйомках.
Завершивши збір GCP, були зібрані точки традиційним методом у ділянках зі стоячою водою – комбінація двох методів, описаних вище.
Кінцеві зібрані точки:
У результаті ми отримали 117 пікселів (10 GCP + 107 на ділянках зі стоячою водою).
Час на зйомку:
Теоретично: 10 наземних міток + збір точок = 1-2 години
Фактично: 117 пікселів (10 GCP + 107 на ділянках зі стоячою водою) при швидкості збору 20 пікселів / год = 5,85 години
Традиційний метод: 1,632 крапки при швидкості збору 20 точок/годину = 81,6 години
Протягом години було завершено всі дії з БПЛА, включаючи складання, передпольотні перевірки, запуск, посадку, розбирання та початкове зшивання картки.
Таким чином ми отримали:
БПЛА (1 година) + збір точок (5,8 години) =
Загальний час польових робіт: 6,8 годин
Порівняння:
34,5 Га/ польові роботи з використанням БПЛА = 6,8 години
34,5 Га/ польові роботи за традиційним методом = 81,6 години
Загальна економія: 74,8 години
Аналіз даних
Після проведення польових робіт отримані дані вимагають ретельної обробки. Спочатку обробляються наземні мітки, при цьому їх позиція має бути повністю скоригована.
Далі скориговані точки (файл.las) повинні бути експортовані для створення основи топографічних даних. Однак велика кількість точок у файлі.las означає, що початкові топографічні контури виходять досить грубими:
Контури мають бути згладжені, щоб згодом створити узгоджену лінію, не втрачаючи точності. В іншому випадку отримані дані – непридатні.
Після 2 днів додаткової обробки результуючі топографічні контури стали точними в межах 9 сантиметрів, як по горизонталі (X, Y), так і по вертикалі (Z):
Загальні терміни виконання проекту:
Метод з використанням БПЛА:
Польові роботи (6.8 годин) + обробка даних (24 години) =
30,8 годин (близько 4 днів)
Звичайний метод:
Польові роботи (81,6 годин) + Обробка даних (24 години) =
105,6 годин (близько 13 днів)
Використовуючи технологію з використанням безпілотника, інженер отримав остаточний топографічний огляд приблизно за 75 годин
За отриманими даними з'ясувалося, що:
1. Потрібно додаткове освоєння земель, щоб побудувати стічний дренаж в районах, що низьколежать, де вода утримується.
2. Працівники тепер зможуть ефективно прогнозувати та планувати дати будівництва доріг, будинків тощо – що допоможе виконувати роботи точно в строк.
3. Інженер дізнався про недорогу та рентабельну зйомку з БПЛА і планує знову використати цей метод для проведення остаточного «вбудованого» топографічного дослідження найближчими тижнями.
Тут Ви можете більше і найкращі моделі безпілотників.
Вибір безпілотника
Для початку визначимося із завданням, яке довелося вирішувати у цій роботі. Перше завдання – побудова 3D моделі (ортофотоплана) досить великої території сільськогосподарських угідь одного із замовників, у якого по суті поля знаходяться в оточенні лісів, або як ми жартували згодом – полів, що зустрічаються у лісі. Ця характерна ситуація для сільського господарства у Томській області, яка є надзвичайно залісненою. Та подивіться самі – все стане зрозуміло без слів.
Велика територія і цілком застарілі дані щодо земельних відводів не дають об'єктивної оцінки стану земель, тому власникам земельних угідь стає не тільки цікаво, а й вигідно розуміти, якими ресурсами вони володіють (або не володіють) насправді.
Власникам земель доступні такі допотопні карти-планшети, склеєні з паперу з даними щодо відведення земель 30-40 річної давності. Кольоровим навіть нанесені дані щодо вмісту в землі поживних речовин, що є найважливішою для агронома інформацією, яка також у більшості випадків не відповідає дійсності. Коротше, століття хоч XXI, по суті, живемо даними та картами середини минулого століття. Звичайно, отримати об'єктивну та актуалізовану інформацію про стан угідь корисно не лише для інвентаризації наявної землі, а й для введення нових земель в обіг, за які можна отримати пристойні субсидії від держави. Залишилось тільки знайти ці землі серед боліт та лісів. Починаємо пошуки.
Для зйомки таких великих територій використовують спеціальне промислове льотне обладнання - БПЛА літакового типу (конструкція тип «крило»). Ці апарати дозволяють за 1 політну сесію покривати до 1500 км 2 території та отримувати знімки з необхідною якістю для подальшої постобробки. Вибір БПЛА над ринком досить великий. Як імпортні, так і вітчизняні БПЛА на будь-яку кишеню. Щоправда, дорогі і на мою думку не виправдано. Але, видно, так диктує ринок. Ціни від 1 млн. за гідний апарат. Пропоную трохи перерватися та подивитися коротке відео (2 хв 30 сек), яке я спеціально зняв для читачів Хабра для цієї статті, щоб одразу зрозуміти, що це за промисловий БПЛА і як це виглядає.
Зйомка з використанням БПЛА
Літак сам собою нікуди не полетить, якщо його не запустити в політ і не зробить того, що повинен зробити. А що, власне, має робити БПЛА? Він повинен суворо дотримуватися польотної інструкції та провести зйомку у відповідності з планом зйомки, який міститься в льотному завданні.Літнє завдання
Літнє завдання– спеціалізована інструкція, що складається із вказівок операторам щодо проведення процесу зйомки, містить усі необхідні вимоги, включаючи затвердження масштабу фотографування та фокусної відстані фотообладнання, формат аерофотознімка, задані відсотки поздовжнього та поперечного перекриттів, розміри знімальної ділянки. За цими вихідними даними визначають висоту та базис зйомки, інтервал між експозиціями, число аерофотознімків у маршруті та на знімальну ділянку, а також орієнтовний час, необхідний для аерофотозйомки всієї ділянки. При цьому важливо не забувати, що знімки повинні бути суворими відповідно до вибраного масштабу зйомки.Що таке масштабування?
За масштабом аерозйомки умовно поділяють на надвеликомасштабні (більше 1:2000, роздільна здатність до 20 см), великомасштабні (від 1:2000 до 1:10000), середньомасштабні (від 1:10000 до 1:30000), дрібно 1:100000) та наддрібномаштабні (дрібніше 1:100000). Тут і далі йдеться про відповідність розмірів об'єктів насправді, співвіднесені їх зображенню на цифровому знімку для 1 пікселя. Тобто, наприклад, на надвеликому масштабному знімку 1:2000 зображення 1 пікселя відповідає об'єкту розміром 20 см.
Зйомка місцевості з перекриттям
Щоб отримати якісну картографічну інформацію та побудувати 3D модель місцевості, необхідно провести зйомку території з перекриттям, тобто. знімати ділянку землі так часто, щоб наступний знімок ніби «перекривав» попередній, за аналогією з покрівлею даху, де кожна плитка накриває частину попередньої. Тобто зйомка з БПЛА здійснюється так, як показано на малюнку – з перекриттям.
А всю територію треба розбити маршрути, тобто. ми отримуємо n-кількість знімків вздовж і впоперек, відповідно з поздовжнім та поперечним перекриттям, оскільки показано на наступному малюнку
Розмір поздовжнього перекриття між сусідніми аерофотознімками одного маршруту зазвичай у межах 55-70 %, а поперечне - щонайменше 20%.
Перекриття мають особливості. Граблі номер разів
Перекриття між сусідніми знімками одного маршруту, які називаються поздовжніми (Px) мають свою специфіку. Занадто малі, і занадто великі перекриття знімків для завдань побудови 3D моделей території не придатні. Для отримання стереоскопічного (об'ємного) зображення теорії досить мати поздовжнє перекриття в 50%. Однак через крайові ефекти та аберації (спотворення зображень) знімків поздовжнє перекриття дещо збільшують. Великі перекриття також неприпустимі, оскільки це різко знижує об'ємність зображення, і, як наслідок, погіршують якість побудови 3D моделей. При майже 100% перекритті виходять два однакові знімки, які не мають стереоскопічного ефекту і це є не допустимим. Перекриття між сусідніми знімками в рівнинних умовах зйомки повинні бути в межах 55-70%, в гірських умовах і за наявності суттєвих перепадів у рельєфі місцевості перекриття можна значно збільшити до 80-90% без втрати якості побудови 3D моделі місцевості.
Такий вид зйомки, який використовується в більшості випадків, відноситься до майданної зйомки з перекриттям.
Перед початком робіт перевіряють все необхідне обладнання, матеріали та польотні карти, проводять тренування екіпажів та складають графік польотів (проходження маршрутів зйомки) у відповідність до льотних завдань, потім перевіряють усі необхідні розрахунки параметрів зйомки.
Таблиця містить усі необхідні вихідні дані для проведення аерофотозйомки та розрахунку всіх її параметрів. Звичайно, введення цих даних йде в автоматичному режимі, але я наведу формули розрахунку, щоб мати загальне уявлення, що завжди корисно.
Для отримання необхідно дозволу знімків, зйомку з БПЛА необхідно вести на певній висоті польоту H підлогу.
де H підлога - висота польоту, м; GSD - роздільна здатність пікселя, м/пкс; l х - розмір матриці камери (осі абсцис), пкс.
Відстань між сусідніми знімками (В) для подальшого розрахунку їх кількості по поздовжньому маршруту визначається як
де P x - поздовжнє перекриття, %; GSD – розмір пікселя біля.
Ширина маршруту на місцевості (L M) залежить від розміру матриці (в напрямку ординат) (l y) цифрової камери, що застосовується в комплексі з БПЛА, і визначається наступним співвідношенням:
де l y - Ширина матриці по осі «y», пкс.
Визначити відстань між суміжними маршрутами L зйомки з умовою поперечного перекриття P y можна розрахувати за формулою
де довжина ділянки D x дорівнює довжині середнього маршруту в поздовжньому напрямку від лівого краю першого аерофотознімка до правого краю останнього аерофотознімка із запасом на 1 знімок.
Кількість маршрутів N м обчислюють з урахуванням ширини ділянки D y , який вимірюють у поперечному напрямку посередині від верхньої сторони знімка першого маршруту до нижньої сторони знімка останнього маршруту із запасом 1 маршрут.
Сумарна кількість знімків на досліджувану ділянку N уч визначають як загальну кількість знімків по всіх маршрутах зйомки, а мінімальний політний час зйомки, який, зокрема, може використовуватись для відповідних економічних розрахунків витрат на проведення робіт, обчислюється за формулою:
де V – середня швидкість БПЛА у процесі зйомки території.
Звичайно, це розрахунковий час зйомки і воно ніяк не пов'язане з часом реальної роботи, яке в залежності від кількості розкиданих граблів по яких доводиться крокувати, може і на кілька порядків відрізнятися від розрахункового, але все-таки)
Як уже говорилося вище, всі необхідні вищезазначені параметри зйомки задаються в автоматичному режимі з урахуванням використання сучасного БПЛА обладнання, оснащеного спеціалізованими контролерами та сучасним програмним забезпеченням. Однак, при забезпеченні внутрішнього контролю робіт необхідно проконтролювати точність введення вихідних даних, а отримані знімки мають бути вибірково (або повністю) проконтрольовані якість. Для цього необхідно вести (у паперовому чи цифровому вигляді) дефектувальні карти проведених зйомок (оцінка знімків проводиться за 5-бальною шкалою). Дефектування проводиться на місці, щоб у разі потреби перезняти невдалі ділянки, щоб не повторювати відрядження знову.
І трохи про погоду. Чергові граблі
Зйомку земної поверхні здійснюють через товщу атмосфери, характеристики якої є непостійними. Стан атмосфери визначає умови та результати зйомки. Фізичний стан атмосфери характеризують її прозорість та рефракції променів у ній, температура повітря, атмосферний тиск, вологість повітря, хмарність, переміщення повітряних мас. Найбільший вплив на результативність зйомки у видимому та ближньому ІЧ діапазонах спектру мають ступінь прозорості атмосфери, освітленість та хмарність.У шарі атмосфери між земною поверхнею та знімальною системою, встановленою на БПЛА, завжди тією чи іншою мірою містяться дрібні (0,01-1 мм) частинки газів, водяної пари, пилу, диму. Вони викликають розсіювання світла у атмосфері і зумовлюють додаткову яскравість повітря, ніж знижують контрастність деталей земної поверхні. Світіння або каламутність атмосфери за рахунок розсіювання світла від зважених у повітрі частинок називають серпанком. При переважанні в атмосфері молекул газів і водяної пари сильніше розсіюються промені з короткою довжиною хвиль і атмосферний серпанок має переважно блакитний або синій колір. Якщо ж переважають зважені частинки пилу, диму та інших сторонніх тіл, серпанком однаково розсіюються промені всіх кольорів спектру і сама вона приймає сірий або білястий колір. Такий серпанок частіше буває в районах із задимленістю від лісових пожеж та промислових підприємств або в зонах поширення частинок пилу та піску.
Аерофотозйомка можлива і при високій суцільній хмарності, розташованій вище БПЛА, що виконує зйомку. Висока суцільна хмарність дозволяє отримувати безтіньові аерофотознімки зі пом'якшеними тонами тіней, внаслідок чого полог лісових насаджень проглядається глибше, краще видно його затінені частини.
Для цілей дешифрування лісової рослинності, важливе значення має вплив висоти Сонця в момент проведення зйомки: чим воно вище, тим контрастніше виділяється співвідношення між освітленими та затіненими сторонами крон у пологах насаджень. Також чіткіше відкидаються тіні.
При висоті Сонця понад 30° загальний вигляд зображення пологу насаджень яскравий і строкатий, оскільки зімкнуті насадження складаються із світлих крон і темного фону від затінених проміжків між кронами.
Зазвичай зйомку починають не раніше ніж через 2 години після сходу Сонця і закінчують за 3 години до його заходу. У більшості випадків аерофотознімальний час дня обмежується трьома-чотирма годинами, оскільки після 9-10 год, особливо в лісових районах, з'являється купова хмарність, що досягає найбільшого розвитку до 13-15 год. Не догма, спостереження з власного досвіду.
Прямим обмеженням проведення зйомок є наявність сильного дощу, снігу, грозових явищ або різких поривів вітру з горизонтальною швидкістю понад 10-15 м/с та вертикальними поривами понад 3 м/с. Однак, не дивлячись на те, що сучасні промислові БПЛА можуть експлуатуватися в умовах значного вітрового навантаження, доцільно мати системи метеорологічного моніторингу польотних умов, які повинні супроводжуватися контролем горизонтальної та вертикальної швидкості вітру та вологості повітря, оскільки вологість суттєво впливає на щільність повітря та, як наслідок, на аеродинамічні властивості БПЛА. Незважаючи на те, що виробники БПЛА пишуть у рекламі, що їх апарати літають за практично будь-якої погоди - краще літні заходи проводити в нормальну погоду. Втратити БПЛА набагато дорожче, ніж зачекати на відповідні метеоумови. Адже більшість таких апаратів гинуть з двох причин - роздовбання операторів і невідповідна погода. Те й інше є для виробників БПЛА «золотим дном», адже дорогі ремонти БПЛА теж дуже прибутковий бізнес. Тому не можна економити на підготовці операторів та квапити події з бажанням все швидко зробити. Це саме той випадок, коли поспіх і сміх перебувають у прямій залежності.
Обережно, суворі закони!
Уявимо, що ви маєте відмінне обладнання, промислові БПЛА та чудових операторів, замовників робіт, але все одно потрапили до в'язниці. Так, саме так, адже недотримання вимог законодавства щодо організації льотних заходів та відкриття повітряного простору цілком спокійно може призвести до таких наслідків. Нічого не вдієш, у цьому сенсі в Росії придумано все так, щоб навіть за умови дотримання всіх правил можна щось не врахувати. Взагалі, процес отримання офіційного дозволу на польоти (відкриття повітряного простору) ще той концерт. Кожен випадок є специфічним. Загальні принципи такі. Для здійснення льотних заходів із використанням БПЛА необхідно суворо керуватися вимогами законодавства. Основним документом для роботи з відкриття повітряного простору є постанова Уряду РФ від 11 березня 2010 N 138 «Про затвердження Федеральних правил використання повітряного простору Російської Федерації». Другий параграф Правил містить визначення БПЛА: безпілотний літальний апарат - літальний апарат, що виконує політ без пілота (екіпажу) на борту та керований у польоті автоматично, оператором з пункту керування або поєднанням зазначених способів.Таким чином, для виконання вимог Законодавства для забезпечення польотних заходів (загалом) необхідно виконати низку обов'язкових заходів. Необхідно підготувати Повідомлення про план польоту безпілотного літального апарату (далі – повідомлення про план запуску). Повідомлення являє собою відомості про заплановану діяльність з використання повітряного простору, які надсилаються користувачем повітряного простору або його представником до органу обслуговування повітряного руху (управління польотами) авіаційною наземною мережею передачі даних і телеграфних повідомлень, по мережі Інтернет або на паперовому носії, включаючи факсимільне повідомлення .
Повідомлення про план запуску авіаційної наземної мережі передачі даних і телеграфних повідомлень, а також на паперовому носії, включаючи факсимільне повідомлення, надсилається у вигляді формалізованої телеграми, що складається з трьох частин: адресної, інформаційної та підписної.
Адресна та підписна частини телеграми заповнюються відповідно до встановлених правил адресування та передачі телеграфних повідомлень.
Інформаційна частина телеграми заповнюється в послідовності та за правилами, визначеними Табелем повідомлень про рух повітряних суден у Російській Федерації та вимогою Законодавства.
Повідомлення про план запуску через Інтернет надсилається шляхом заповнення інформаційної частини плану польоту повітряного судна на веб-сайті органу ОВС у послідовності та за правилами, визначеними цим Табелем повідомлень.
Текст повідомлення про план запуску заповнюється друкованими літерами у випадках латинського чи російського алфавіту. У зв'язку з динамічно розвиваючим Законодавством у сфері використання повітряного простору, зазначені правила змінюються. Невиконання або часткове виконання зазначених правил може призвести до адміністративної відповідальності фізичних чи юридичних осіб, а у разі тяжких наслідків – кримінальної відповідальності в установленому Законодавстві порядку.
Вимоги до операторів БПЛА та керівника польотів
Сучасні професійні БПЛА є засобами підвищеної небезпеки. Наявність маршових двигунів, суттєву вагу БПЛА та складність експлуатації накладають певні вимоги до кваліфікації операторів. Зйомка залісованої території в Сибірському регіоні пов'язана з небезпекою потрапляння в зону дії лісових пожеж, додатковим фактором небезпеки є наявність кліщів та гнусу. Персонал повинен суворо дотримуватись вимог інструкції з ТВ оператора, роботи виконуються як мінімум двома операторами. Люди, які виконують польові льотні роботи, повинні бути щеплені від кліщового енцефаліту, мати спеціальний захисний одяг, посвідчення оператора БПЛА та цивільний паспорт, комплект дозвільних документів на відкриття повітряного простору, аптечку та засоби зв'язку. У зонах відсутності чи нестійкості зв'язку стільникових операторів – радіостанції УКХ та КВ діапазонів. При організації зйомок з БПЛА у місцях появи небезпечних тварин керівник польотів повинен мати кошти для їхнього відлякування (шумові патрони та спецзасоби) або вогнепальну зброю (за наявності ліцензії). У разі потреби застосування зброї цей факт повідомляється правоохоронним органам та (або) спеціалістам лісового господарства для актування випадку.При появі будь-яких небезпечних явищ у зоні проведення польотів вони повинні бути негайно припинені, а керівник польотів повинен докласти всіх розумних зусиль для забезпечення безпеки операторів і терміново залишити небезпечне місце, наприклад, при наближенні вогнища лісової пожежі.
Ну, ось приблизно так відбувається підготовка до проведення БПЛА зйомки за допомогою промислового льотного обладнання. У наступних серіях (статтях) розглянемо технології обробки та інтерпретації отриманих БПЛА знімків з метою отримання якісної картографічної інформації та 3D моделей місцевості. Також поговоримо про дешифрування різних цікавих об'єктів на знімках із БПЛА. Буде цікавіше! Гарного дня!