Использование Геоскана 201 для съемки линейного объекта трассы Хива - Ургенч

• Аннотация
• Введение
• Материалы и методы исследования
• Результаты исследования и их обсуждение
• Выводы

Аннотация

Целью данной работы является выполнение линейной аэрофотосъемки трассы Хива – Ургенч с использованием БПЛА Geoscan 201, по результатам которой будут созданы ортофотопланы в масштабе 1:1 000, необходимые для проектирования велосипедных и тротуарных дорожек вдоль данной трассы. Геодезисты отдела прикладной геодезии УзГАШКЛИТИ выполнили на данном объекте полевую планово-высотную привязку. Было определено 48 опорных точек. В качестве опорных точек выбирались характерные твердые контуры вдоль трассы. Привязка опорных точек выполнялась с исходных пунктов ГГС, с применением спутниковых приемников (SN 5242498595, 5243499034, 4827155394) в режиме RTK радиальным способом, методом калибровки на местности. Площадь покрытия составила 17,4 км² . Аэрофотосъемка выполнялась на высоте 211 м беспилотным летательным аппаратом Geoscan 201 в масштабе 1:500 цифровой камерой DSC_RXIR с фокусным расстоянием 35 мм. Продольное перекрытие аэрофотоснимков составило 70 %, а поперечное – 50 %. На данном объекте было выполнено 4 аэромаршрута, базис фотографирования составил 42 м. Количество аэрофотоснимков на объекте составило 3 868 штук, а ширина покрытия аэрофотосъемки составила 300 м. Обработка беспилотной аэрофотосъемки и построение ортофотопланов на данную трассу Хива – Ургенч выполнялись в программном комплексе Agisoft Metashape. Снимки и их EXIF файлы были привязаны путем выполнения полевой обработки с помощью программы Geoscan Planner. Перед началом полевых работ приемник GNSS (Trimble R6) был установлен в известной точке на местности и запущен в статическом режиме (10 Гц). На борту самолета установлен приемник GNSS (Topcon), работающий в быстром статическом режиме (10 Гц). Данные GNSS на местности и на борту самолета уравновешиваются. Координаты центров снимков вычисляются по данным GNSS приемника базовой станции с помощью ПО MAGNET Tools. Затем данные импортируются в ПО Agisoft Metashape для автоматической обработки. При этом координаты центров снимков пересчитывались из системы WGS-84 в систему СК-42 (Пулково 1942), принятую в нашей стране. После этого выполнялся процесс оптимизации и выравнивания аэрофотоснимков. Затем, чтобы получить высокое качество изображения, ортофотопланы строились по карте высот, построенной на основе плотного облака точек. Результатом выполненной работы являются ортофотопланы на трассу Хива – Ургенч, по которым будет проектироваться расположение велосипедных и тротуарных дорожек.

Введение

В настоящее время при создании карт, планов, ортофотопланов и их обновлении широко используются достижения современной цифровой фотограмметрии и аэрофототопографии, развитие которых в значительной степени определяется прогрессом вычислительной техники, совершенствованием геодезического оборудования и соответствующего программного обеспечения. С появлением на рынке цифровой аэрофотосъемочной камеры и беспилотных летательных аппаратов, аэрофотосъемка получает название цифровой аэрофотосъемки.

Беспилотники в наше время развиваются с удивительной скоростью, практически во всех сферах деятельности целесообразно применять беспилотные летательные аппараты (БПЛА).

Метод дистанционного картографирования при помощи БПЛА становится все более перспективным способом получения геодезической основы в градостроительных и кадастровых работах, в первую очередь для создания актуальных цифровых карт крупных масштабов и ортофотопланов.

Использование беспилотных летательных аппаратов для проведения аэрофотосъемки на сегодняшний день является весьма актуальным направлением развития методов сбора геопространственных данных.

На данный момент БПЛА применяются для решения различных задач, которые раньше решались с применением пилотируемых летательных аппаратов. Первые БПЛА были достаточно дорогими в эксплуатации, но с интенсивным скачком в развитии технологий стоимость эксплуатации БПЛА в подавляющем количестве случаев стала меньше, а их малая по сравнению с пилотируемыми летательными аппаратами себестоимость и отсутствие пилота на борту позволяют им нести большую полезную нагрузку и отправляться на задания, которые имеют риск потери летательного аппарата. Прогресс не стоит на месте, и на рынке стали появляться беспилотные системы, оснащенные автопилотом и бортовым компьютером, позволяющие решать сложные задачи в автономном режиме. Все приборы и элементы становятся все меньше и легче, а автоматизация геодезических и фотограмметрических работ все больше и больше оттесняет такое понятие как «работа в поле», т.е. от оператора требуется меньшее вмешательство в производственный процесс, вплоть до обработки полученной информации в специализированном программном обеспечении на персональном компьютере.

Стремительное развитие цифровой фотограмметрии за последнее время привело к пересмотру и внедрению инноваций в технологическую цепочку производства основных фотограмметрических продуктов.

Цифровые аэрофотоаппараты заняли прочные позиции в ассортименте многих производителей. Использование таких камер не только удобно, но и экономически оправдано.

Актуальность данной темы заключается в том, что еще несколько лет назад беспилотные авиационные системы использовались только в военной сфере из-за дороговизны и больших размеров вычислительного оборудования, сегодня используются повсеместно. Прогресс шагнул далеко вперед, размеры и стоимость компьютеров уменьшились, их производительность увеличилась, появился целый класс – микрокомпьютеры. Теперь можно создавать не просто радиоуправляемые недорогие БПЛА, но и БПЛА с полноценным компьютером на борту, который будет управлять им, либо выполняя команды, данные оператором, либо выполняя заранее загруженное полетное задание. Также беспилотные авиационные системы имеют неоспоримые преимущества перед пилотируемыми системами – отсутствие пилота, дешевизна и малые размеры, из-за чего они неминуемо шагнули в гражданский сектор.

Бурное развитие технологий неизбежно привело к переосмыслению концепций применения беспилотных аппаратов, путей дальнейшего научно-технического развития всего комплекса БПЛА, совершенствованию полезной нагрузки и приданию им многоцелевого характера.

Использование БПЛА в Узбекистане является довольно актуальным направлением для проведения аэрофотосъемки различных линейных объектов, будь то автомобильные или железнодорожные дороги, трубопроводы, для мониторинга электромагистралей, и др. объектов.

Целью данной работы является показать использование БПЛА для съемки линейного объекта вдоль трассы Хива – Ургенч в масштабе 1:500 с целью проектирования велосипедных и тротуарных дорожек по ортофотопланам, которые будут созданы по снимкам данного залета.

На рис. 1 показан образец велосипедных и тротуарных дорожек, которые сегодня активно создаются вдоль автомобильных дорог Узбекистана.

На пути к достижению поставленной цели в работе будут рассмотрены следующие задачи: понятие и назначение беспилотных летательных аппаратов самолетного типа; технология процесса линейной аэрофотосъемки с использованием беспилотного летательного аппарата Geoscan 201; особенности фотограмметрической обработки данных аэросъемки, полученных с БПЛА Geoscan 201 с использованием программного комплекса Agisoft Metashape Professional.

Рисунок 1. Образец велосипедных и тротуарных дорожек вдоль автомобильной трассы города Ташкента

Материалы и методы исследования

Предпосылками применения БПЛА в качестве нового фотограмметрического инструмента являются недостатки двух традиционных способов получения данных ДЗЗ с помощью космических спутников (космическая съемка) и воздушных пилотируемых аппаратов (аэрофотосъемка).

Сегодня на мировом пространстве все активнее находят свое применение в топографо-геодезическом производстве различные цифровые аэросъемочные фотограмметрические системы, которые позволяют практически в автоматическом режиме выполнять комплекс фотограмметрических работ – от получения одиночного снимка до создания ортофотоплана. Цифровые фотограмметрические рабочие станции являются новой продукцией из фотограмметрических средств для вывода метрической и семантической информации и предназначены для формирования цифрового изображения сфотографированного объекта, например, ЦФС Photomod, которая в настоящее время успешно используется и в топографо-геодезическом производстве Узбекистана.

Начиная с 2017 года УзГАШКЛИТИ одной из первых организаций в Узбекистане стала активно использовать цифровые методы создания топокарт и планов с помощью БПЛА для съемок территорий небольших по площади и узких по протяженности.

Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) – это летательный аппарат без экипажа на борту, использующий аэродинамический принцип создания подъемной силы с помощью фиксированного или вращающегося крыла (БПЛА самолетного и вертолетного типа), оснащенный двигателем и имеющий полезную нагрузку и продолжительность полета, достаточные для выполнения специальных задач.

«Геоскан 201» – это аэрофотосъемочный комплекс, включающий в себя беспилотное воздушное судно (БВС) типа «летающее крыло», пусковую установку и наземную станцию управления.

Аэрофотосъемочный комплекс «Геоскан 201» предназначен для получения геопривязанных фотографий отдельных объектов, площадной и линейной аэрофотосъемки.

Полученные с использованием комплекса материалы могут использоваться для:

• создания ортофотопланов масштаба 1:500 – 1:2 000;
• трехмерного моделирования участка местности;
• создания карт высот местности;
• вычисления объемов пород в карьерах и насыпных объектах;
• обследования состояния объектов инфраструктуры, дорожного полотна;
• инвентаризации лесов и посевов;
• оценки ущерба и планирования аварийно-спасательных работ; при ЧС, таких как наводнения, оползни и пожары.

В данной работе рассматривается линейная аэрофотосъемка в масштабе 1:500 трассы Хива – Ургенч (Хорезмская область, Узбекистан) (рис. 2) с использованием БПЛА Geoscan 201, вдоль которой будут создаваться ортофотопланы, для целей проектирования велосипедных и тротуарных дорожек вдоль трассы.

Рисунок 2. Трасса Хива – Ургенч

Аэрофотозалет состоял из двух участков (рис. 3, 4), их данные приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики каждого участка аэрофотосъемки

Рисунок 3. Первый участок аэрозалета

Рисунок 4. Второй участок аэрозалета

Площадь покрытия составила 17,4 кв. км. Аэрофотосъемка выполнялась на высоте 211 м беспилотным летательным аппаратом Geoscan 201 в масштабе 1:500 цифровой камерой DSC_RXIR с фокусным расстоянием 35 мм. Продольное перекрытие аэрофотоснимков составило 70 %, а поперечное – 50 %. На данном объекте было выполнено 4 аэромаршрута, базис фотографирования составил 42 м. Количество аэрофотоснимков на объекте составило 3 868 штук, а ширина покрытия аэрофотосъемки составила 300 м. Взлет беспилотника выполнялся с катапульты (рис. 5), а посадка с помощью парашюта (рис. 6).

Рисунок 5 (слева). Установка БПЛА Geoscan 201 на катапульту (подготовка к полету)
Рисунок 6 (справа). Посадка БПЛА Geoscan 201

Геодезисты отдела прикладной геодезии УзГАШКЛИТИ, выполнили на данном объекте полевую планово-высотную привязку. Было определено 48 опорных точек. В качестве опорных точек выбирались характерные твердые контуры вдоль трассы (рис. 7).

Рисунок 7. Выбор опорных точек

Привязка опорных точек выполнялась с исходных пунктов ГГС, с применением спутниковых приемников (SN 5242498595, 5243499034, 4827155394) в режиме RTK радиальным способом, методом калибровки на местности, с точностью измерений, отвечающей требованиям нормативного документа (ШНК 1.02.17-09, 2009) по следующим параметрам:

1. Продолжительность измерений не менее 3 минут.
2. Количество спутников не менее 4.
3. Минимальный угол возвышения спутников 15º.
4. Показатель DOP не более 4.
5. Продолжительность измерений 15 секунд.

Результаты исследования и их обсуждение

В таблице 2 приведена средняя ошибка по координатам центров фотографирования.

Таблица 2. Средняя ошибка по координатам центров фотографирования

X – восточное указание, Y – Северное указание, Z – Высота.

Ниже в таблице 3 приведена средняя квадратическая ошибка (СКО) на опорных точках.

Таблица 3. Средняя квадратическая ошибка (СКО) на опорных точках

Для получения ортофотоплана трассы местности снимки загружаются в программное обеспечение обработки данных Agisoft Metashape.

Agisoft Metashape – это программа для автоматической фотограмметрической обработки цифровых изображений, создания геопривязанных 3D моделей, ортофотопланов и цифровых моделей местности (ЦММ). Программа использует только исходные изображения. В данной программе производится просмотр каждого снимка, ненужные отбраковываются.

Снимки и их EXIF файлы были привязаны путем выполнения полевой обработки с помощью программы Geoscan Planner. Перед началом полевых работ приемник GNSS (Trimble R6) был установлен в известной точке на местности и запущен в статическом режиме (10 Гц). На борту самолета установлен приемник GNSS (Topcon), работающий в быстром статическом режиме (10 Гц).

Данные GNSS на местности и на борту самолета уравновешиваются. Координаты центров снимков вычисляются по данным GNSS приемника базовой станции с помощью ПО MAGNET Tools. Затем данные импортируются в ПО Agisoft Metashape для автоматической обработки. При этом координаты центров снимков пересчитывались из системы WGS-84 в систему СК-42 (Пулково 1942), принятую в нашей стране. После этого выполняется процесс оптимизации и выравнивания аэрофотоснимков.

После оптимизации и выравнивания аэрофотоснимков выполняется построение плотного облака точек (рис. 8), на основе которого строится карта высот (рис. 9).

Рисунок 8. Фрагмент плотного облака точек трассы Хива – Ургенч

Рисунок 9. Фрагмент карты высот трассы Хива – Ургенч

Чтобы получить высокое качество изображения, ортофотоплан (рис. 10) всегда надо строить по карте высот, построенной на основе плотного облака точек.

Рисунок 10. Фрагмент ортофотоплана трассы Хива – Ургенч в масштабе 1:1 000

Время построения ортомозаики по аэрофотоснимкам на всю трассу в программном комплексе Agisoft Metashape составило 2 ч 3 мин. Новизна данной работы заключается в том, что на сегодняшний день использование линейной беспилотной аэрофотосъемки по актуальности выходит на первый план при создании картографической продукции автомобильных и железнодорожных дорог, при обследовании линий электропередач, газопроводов и других линейных объектов.

Прогресс в развитии гражданских беспилотных систем имеет высочайший темп, сформировалась новая сфера услуг. На сегодняшний день беспилотная аэрофотосъемка опережает традиционную аэрофотосъемку по срокам создания той или иной картографической продукции.

Выводы

Традиционная аэрофотосъемка, которая производится с помощью самолетов или вертолетов, требует высоких экономических затрат на обслуживание и заправку, что приводит к повышению стоимости конечной продукции.

Из анализа проделанной работы можно сделать выводы, что использование БПЛА Geoscan 201 в качестве аэросъемочной платформы имеет большие перспективы при съемке как площадных, так и линейных объектов, для проектирования различных задач в разных областях. В данном случае линейная съемка выполнялась для целей проектирования велосипедных и тротуарных дорожек вдоль трассы Хива – Ургенч по ортофотопланам, которые создавались по материалам беспилотной аэрофотосъемки с использованием программного комплекса Agisoft Metashape. В силу различных причин не всегда имеется возможность заказать или приобрести съемку подобных участков с космических аппаратов, либо традиционным авиационным способом. В то же время съемка с беспилотных летательных аппаратов помогает разрешить эти вопросы в кратчайшее время и с высокой производительностью.

---

Авторы статьи: Щукина О.Г., Рузиев А.С., Эргашев М.З.
Опубликовано в сборнике "Материалы Международной конференции «ИнтерКарто. ИнтерГИС»", 2022, Том 28 (часть 1) – с. 430-440.