В сентябре 2023 г. силами студенческого научно-образовательного центра Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК) и при финансовой поддержке университета состоялась мультидисциплинарная научно-практическая экспедиция студентов в Чеченскую Республику, в район озера Кезеной-Ам. Партнером экспедиции выступил Чеченский государственный университет имени А.А. Кадырова (ЧГУ им. А.А. Кадырова).
Целью экспедиции было создание цифровой модели рельефа (ЦМР) на основе аэрофотогеодезических работ для выявления артефактов рельефа и исторической реконструкции природных условий и хозяйственного освоения окрестностей озера Кезеной-Ам. Перед экспедицией стояли практические, научные и организационные задачи. С практической точки зрения необходимо было провести комплекс аэрофотогеодезических работ для создания цифровой модели рельефа исследуемых территорий. С научной — сравнить точность и правдоподобность описания микрорельефа, полученного по материалам аэрофотосъемки (ЦМРАФС) и по данным воздушного лазерного сканирования (ЦМРВЛС). В качестве организационной задачи требовалось отработать модель командно-технологического взаимодействия студентов различных специальностей при выполнении междисциплинарных исследовательских проектов (экспедиций), в том числе во взаимодействии с университетами-партнерами.
- Территория исследования
- Аэрофотосъемка и воздушное лазерное сканирование
- Геодезическое обеспечение
- Фотограмметрическая обработка материалов аэрофотосъемки
- Обработка данных воздушного лазерного сканирования
- Сравнение ЦМР, полученных в результате АФС и ВЛС
Территория исследования
Макажойская котловина является уникальным природным объектом, расположенным на территории Чеченской Республики (рис. 1). В прошлом здесь располагался Чеберлоевский район, который являлся одним из центров расселения и проживания населения в конце XIX — начале XX веков (13 тыс. человек в 11 сельсоветах на 1926 г.).
Рис. 1. Географическое положение объектов исследования: область Макажойской котловины (рамка белого цвета); полигон ЧГУ им. А.А. Кадырова (рамки оранжевого цвета); террасированный южный склон — зона исследования МИИГАиК (рамка голубого цвета)
В настоящее время при анализе топографических карт можно увидеть развалины населенных пунктов, а визуальный осмотр территории показывает большое количество террасированных склонов, которые ранее использовались для сельскохозяйственных целей. После перемещения населения на равнину и выведения земель из сельскохозяйственного оборота ландшафт окрестностей озера Кезеной-Ам стал возвращаться в естественное природное состояние. В последние десятилетия в связи с климатическими изменениями наблюдается увеличение площадей, занятых лесом, повышение верхней границы леса. Возрождается интерес местного населения к освоению горных районов в связи с востребованностью экологически чистой сельскохозяйственной продукции (мяса, молока, меда и продуктов их переработки). Озеро Кезеной-Ам становится рекреационным объектом не только локального и регионального, но и всероссийского уровня. А это, в свою очередь, приводит к усилению антропогенного пресса на природные комплексы.
В феврале 2021 г. Минобрнауки России создало в Чеченской Республике пилотные площадки для проведения исследований и наблюдений — карбоновые полигоны. Одним из операторов этих участков является Чеченский государственный университет имени А.А. Кадырова, который выступил партнером экспедиции МИИГАиК. На полигоне ЧГУ им. А.А. Кадырова разрабатывают и испытывают технологии измерения, мониторинга и контроля парниковых газов, исследуют потенциал предгорных и горных территорий. Научно-исследовательские работы находятся на начальном этапе. В этой связи оценка современного состояния, а также ретроспективный анализ окрестностей озера и построение цифровой модели рельефа с использованием аэрофотосъемки с беспилотного воздушного судна (БВС) для цифрового моделирования ландшафтов и картографирования исследуемой территории представляет актуальный научный и практический интерес.
Аэрофотосъемка и воздушное лазерное сканирование
Аэрофотосъемка и воздушное лазерное сканирование выполнялись для двух участков (рис. 2). Первый участок находится на южном склоне Чеберлойского каньона площадью около 1,05 км2 и уклоном рельефа около 27о — область для ретроспективного анализа ландшафта. Второй — расположен на северном склоне Чеберлойского каньона площадью около 1,11 км2 и уклоном рельефа около 21о — карбоновый полигон ЧГУ.
Рис. 2. Участки съемки: южный склон (слева); северный склон на территории карбонового полигона ЧГУ им. А.А. Кадырова (справа)
Работы по АФС и ВЛС выполнялись с использованием БВС Геоскан 401 Лидар (рис. 3). Полезная нагрузка, установленная на БВС, представляет собой комплексную систему для совместного проведения АФС и ВЛС, состоящую из камеры Sony Alpha 6000 20 мм и лазерного сканера AGM-MS1.
Рис. 3. Студенты МИИГАиК и ЧГУ им. А.А. Кадырова на полевых работах
АФС осуществлялась в периоды светового дня с 9:00 до 16:00 для получения фотографий склонов гор с достаточной освещенностью. Использовались следующие параметры экспозиции: режим «приоритет выдержки» для автоматического выбора значения экспозиции ISO относительно времени выдержки, выдержка S = 1/1000, ISO Auto в диапазоне от 100 до 800 для обеспечения отсутствия явных шумов и помех на изображениях.
Планирование работ осуществлялось с помощью ПО Геоскан Planner. Длительность каждого полетного задания составляла около 30 минут для обеспечения безопасности полетов при работах на местности с большим перепадом высот.
Планирование и полеты имели особенности, которые определялись рельефом местности:
- для безопасности полетов каждое полетное задание обеспечивалось дополнительным перелетом на высотах около 200–250 м от точки старта до рабочей области полета БВС;
- все полеты выполнялись с использованием плановой спутниковой подложки Bing со снимками высокого разрешения и высотной подложки SRTM, описывающей рельеф местности;
- направление маршрутов полета БВС при АФС выбиралось вдоль склонов гор;
- при выполнении полетов над участком северного склона использовались дополнительные маршруты для перелета БВС через Чеберлоевский каньон (точка старта находилась на южном склоне).
В результате выполнения съемки камерой был получен 2071 снимок северного склона и 2324 снимка южного склона. Объем данных воздушного лазерного сканирования составил около 50 Гбайт.
Геодезическое обеспечение
БВС Геоскан 401 Лидар оснащен высокоточным геодезическим ГНСС-приемником для определения высокоточных координат центров проекции снимков (КЦП) и дальнейшего расчета траекторий полета при постобработке данных ВЛС.
Дополнительно в качестве контрольной информации были измерены 10 опорных точек (по 5 точек на каждом участке съемки). При выполнении работ по геодезическому обеспечению аэрофотосъемочных работ использовались спутниковые геодезические приемники Leica GS14. Все ГНСС-измерения выполнялись в режиме PPK (Post Processing Kinematic), ввиду чего, каждый полет БВС обеспечивался рабочей базовой станцией для дальнейшего определения КЦП.
Средняя квадратическая погрешность (СКП) определения координат наземных точек АФС не превысила 5 см в плане и по высоте.
Фотограмметрическая обработка материалов аэрофотосъемки
Фотограмметрическая обработка АФС проводилась в ПО Agisoft Metashape Professional.
КЦП снимков рассчитывались в плагине «Обработка геодезических измерений» для Agisoft Metashape, работающем на основе открытых библиотек RTKLib. СКП в плане и по высоте полученных КЦП составили: 0,19 м и 0,14 м на южном склоне; 0,04 м и 0,06 м на северном склоне (участок ЧГУ им. А.А. Кадырова), соответственно. Фотограмметрическая обработка результатов АФС выполнялась по стандартной технологии. После фототриангуляции с самокалибровкой СКП на контрольных точках в плане и по высоте на южном склоне не превышали 0,08 м и 0,07 м, а на северном склоне — 0,05 м и 0,05 м, соответственно.
Затем были построены плотные облака точек с умеренной фильтрацией шумов (4 точки на 1 м2 ). По облакам точек лазерных отражений (ТЛО) были получены цифровые модели местности и рельефа, размер ячейки для южного склона составил 8,42 см/пиксель, для северного склона — 9,26 см/пиксель. Южный склон представляет собой степной ландшафт без древесной растительности, а на северном (более увлажненном) — наблюдается восстановление лесного покрова, поэтому для выделения рельефа была проведена классификация плотного облака точек. Финальным этапом фотограмметрической обработки стало построение ортофотопланов, которые предполагается использовать и как самостоятельную продукцию, и как одно из средств для раскрашивания облака ТЛО. Размер пикселя ортофотопланов составил 5 см/пиксель (рис. 4).
Рис. 4. Результаты, полученные по материалам аэрофотосъемки:
ортофотопланы (слева);
ЦМРАФС (справа);
участок, который будет использоваться для сравнения ЦМР, полученных разными способами (в рамке)
Обработка данных воздушного лазерного сканирования
Наибольший интерес для анализа ЦМР представлял участок карбонового полигона ЧГУ им. А.А. Кадырова. В морфологическом отношении он имеет глубокие расчленения (лощины, балки, ущелья), а также древесную и кустарниковую растительность.
Исходными данными стали два облака точек ВЛС, каждое из которых содержало по 170 млн точек лазерного отражения и имело объем 5,5 Гбайт (рис. 5). Перекрытие маршрутов внутри отдельных блоков составляло 80%. Средняя плотность исходных облаков — 200 точек на 1 м2. Из особенностей материалов также можно выделить отсутствие закономерности определения параметра «интенсивность», связанное с техническими особенностями сканирующей системы. При обработке он не использовался.
Рис. 5. Облака точек после удаления ТЛО на участках подлета/разворота и перекрытий (раскрашены по принадлежности к маршруту). Справа — ортофотоплан с контрольными точками
Точность ГНСС-приемника и инерциальной системы, установленных на сканирующей системе, а также негативное влияние внешних условий не позволяют сразу получить качественный материал, что выражается в сдвигах точек, полученных на разных маршрутах и между блоками. В плане эта ошибка составляла порядка 0,2 м, а по высоте в среднем 0,1 м. Поэтому отдельно для каждого блока в ПО TerraScan был проведен процесс коррекции исходных облаков, который содержал следующую последовательность: удаление ТЛО, полученных на участках подлета/отлета и на разворотах между маршрутами (примерно по 25 млн точек для каждого блока, около 15% от общего объема); выравнивание маршрутов внутри отдельных блоков с помощью функций поиска и совмещения линий связи, которые автоматически строятся на идентичных участках обрабатываемых облаков точек; удаление точек в зоне перекрытия соседних полос. После коррекции средняя ошибка сшивки маршрутов не превышала 0,07 м.
Удаление точек в зоне перекрытия соседних маршрутов позволило сократить исходные данные почти на 70%. Средняя плотность облака при этом снизилась до 75 точек на 1 м2 , а объем файла для каждого вылета — до 1,5 Гбайт.
На этапе классификации ТЛО главной целью стало разделение точек на классы «земля» и «растительность». Обработка выполнялась в ПО КРЕДО 3D СКАН также раздельно для каждого из двух блоков. Процесс проходил итеративно, комбинировались функции «Выделение рельефа» и «Пороговая фильтрация». Наилучшим образом для данной местности показали себя геометрические фильтры «TIN» и «Размер объекта». После работы автоматических алгоритмов потребовалась незначительная ручная доработка из-за ошибок на участках со скалами и резкими обрывами. В результате классификации к классу «земля» в каждом блоке было отнесено от 32 до 36 млн точек (около 20% от исходного объема).
Помимо несостыковок маршрутов внутри отдельных блоков, имело место несовмещение облаков из разных блоков друг относительно друга. Среднее расхождение между блоками F004 и F005 составило 0,15 м. Данное несоответствие было устранено с помощью линий связи в ПО TerraScan и метода ICP (Iterative Closest Point) в ПО КРЕДО 3D СКАН.
Точность построенного облака оценивалась по контрольным точкам. СКП определения высоты не превышала 0,05 м, что сопоставимо с подобными исследованиями.
Общее количество точек в финальном объединенном облаке в классе «земля» составило 50 млн со средней плотностью 60 точек на 1 м2 . Данное количество точек является избыточным для создания матрицы высот с шагом 0,5 м, поэтому облако было разрежено с помощью инструмента «Адаптивное прореживание». В новый класс попало 6,3 млн точек, плотность при этом снизилась до 4 точек на 1 м2 . По полученному облаку в КРЕДО 3D СКАН была построена матрица высот.
Сравнение ЦМР, полученных в результате АФС и ВЛС
Данные аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования используются для изучения динамики ландшафта и выявления геоморфометрических особенностей рельефа как отдельно, так и совместно. Поскольку одной из исходных задач было выявление артефактов рельефа, вызванных человеческой деятельностью (террасы, фундаменты домов, остатки насыпей дорог), сравнивалось, насколько методы получения и обработки данных ВЛС и АФС равнозначны для этих целей. При этом учитывалось, что на результаты геоморфометрического анализа рельефа влияют систематические ошибки, которые вызваны качеством исходных данных и методами их обработки, шумы, которые возникают при построении плотных облаков, потеря некоторой информации при классификации плотных облаков при удалении растительности.
Для анализа и сравнения двух ЦМР была выбрана часть участка северного склона с наибольшим количеством растительности и двумя ущельями (рис. 5). Сравнение проводилось по контрольным точкам и матрице разности высот (ЦМРАФС и ЦМРВЛС). На этот участок попали 3 контрольные точки, по которым оценивались отклонения в плане и по высоте. Результаты оценки показывают возможность использования обоих ЦМР для крупномасштабного картографирования (см. таблицу). Разброс в расхождениях при контроле АФС вызван нестабильностью выдерживания высоты съемки. При этом, малые ошибки при контроле ВЛС вовсе не говорят о высокой достоверности ЦМРВЛС, хотя бы потому, что нет возможности оценить систематически сдвиг модели, если он имеется.
Таблица. Оценка результатов АФС и ВЛС по контрольным точкам
| Номер точки | По результатам АФС | По результатам ВЛС | Высота съемки над точкой (Н), м | Отношение базиса фотографирования и высоты съемки (B/H) | |
| Расхождение по осям XY, измеренное по ортофотоплану, м | Расхождение по Z, м | Расхождение по Z, м | |||
| 1 | 0,008 | 0,003 | –0,026 | 96 | 0,16 |
| 2 | 0,021 | –0,089 | 0,025 | 104 | 0,20 |
| 3 | 0,087 | –0,046 | 0,003 | 126 | 0,12 |
Очевидно, что этих данных недостаточно для сравнения матриц рельефа в целом, поэтому была проведена следующая процедура: из ЦМРАФС вычли ЦМРВЛС.
Грубые ошибки, выявленные при попиксельном сравнении, достигали 1–2 м и были связаны с фильтрацией растительности. Помимо неотфильтрованных и недофильтрованных деревьев, возникали ямы, как следствие интерполяции фотограмметрического облака. Эти ошибки создают шумы в ЦМР, но не влияют на общую статистическую оценку, поскольку при попиксельном сравнении мы сталкиваемся с законом больших чисел и, предсказуемо, что распределение получается нормальным: СКП = 0,16 м и средний модуль = 0,12 м показывают результаты, сопоставимые с подобными исследованиями. Однако, Среднее значение, Мода и Медиана имеют отрицательные значения: –0,03 м; –0,12 м; –0,08 м, соответственно. Это означает, что ЦМРАФС местами лежит ниже, чем ЦМРВЛС, что нехарактерно для этих методов.
При визуализации матрицы разности в ГИС было выявлено следующее (рис. 6):
- наличие наклона одной из исходных ЦМР, что привело к смещению форм рельефа (террас) в плане в северо-восточном направлении;
- наличие систематического смещения в ущельях.
Рис. 6. Матрица разности двух ЦМР:
а) профиль в ущелье (красная линия — ЦМРВЛС, синяя линия — ЦМРАФС);
б) и
в) фрагменты матрицы разности
Появление систематических ошибок моделей рельефа в виде наклона или пучения при обработке аэрофотосъемки без наземного опорного обоснования зависят от вычисления КЦП снимков и параметров внутреннего ориентирования, которые определяются при самокалибровке, что было отмечено и в работах.
Систематические смещения в ущельях, которые могут достигать более полутора метров по тальвегу, имеют иное происхождение (рис. 6а). Среди вероятных причин можно выделить основные.
- Остаточное влияние нестыковки маршрутов.
- Ущелья располагаются перпендикулярно линии полета БВС. Сканирование происходит вдоль склонов. Может возникать неоднозначность определения высоты на крутых склонах.
- Стереопары располагаются поперек склона, поэтому возникает разномасштабность по полю снимка, что также имеет систематический характер.
- Отражательная способность склонов разная: склон западной экспозиции без высокой растительности с обнажениями породы (мел), ярко освещен; склон восточной экспозиции увлажненный, с различной растительностью и плотными тенями.
Каждый из этих факторов и их комбинация могут служить источниками ошибок и нуждаются в дополнительных исследованиях.
В заключение следует отметить, что в результате аэрофотогеодезических работ, проделанных студентами МИИГАиК и ЧГУ им. А.А. Кадырова, были получены высоко детальные цифровые модели рельефа и ортофотопланы на северный и южный склоны Макажойской котловины. Точность полученных данных оценивалась по наземным контрольным измерениям.
ЦМР склонов были получены двумя способами: по данным аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования. При сравнении двух моделей рельефа были выявлены систематические ошибки, которые не определились при наземном контроле. Это вызвано критически малым количеством контрольных точек. Поэтому для более глубокого анализа цифровых моделей рельефа, построенных по результатам съемки с БВС (АФС и ВЛС), в горных районах необходимо создавать тестовые полигоны с густой сетью контрольных точек.
Кроме того, не совсем корректно оценивать точность ЦМР в горных районах только по высоте. Ошибки по высоте приводят к ошибкам планового положения точек облаков. При долговременном мониторинге рельефа опасно сравнивать ЦМР, полученные АФС и ВЛС, так как систематические и методические ошибки можно принять за склоновые процессы.
Ссылки на источники, используемые в статье, были удалены. Библиография доступна в оригинальной публикации.
Авторы статьи: Т.Н. Скрыпицына (МИИГАиК, Москва, Россия), А.Г. Воротилов (ГК «Геоскан»), Д.А. Кочнева («Горный Аудит»), Е.А. Смирнов (МИИГАиК, Москва, Россия).
Опубликовано в журнале «Геопрофи», 2024, № 2, с. 10–17, под оригинальным названием «Некоторые итоги комплексной экспедиции МИИГАиК в Чеченскую Республику».
Заглавное фото, источник: сообщество ВКонтакте студенческого научно-образовательного центра МИИГАиК R&D