Надежность определения уровня воды в водоемах и водотоках требует слежения за стабильностью положения технических устройств наблюдения за уровнем воды и участка территории, где расположены эти устройства. Для качественного измерения уровня воды необходимо регулярно наблюдать за состоянием водных объектов: изменениями русла, поймы и окружающей местности, воздействующих на характеристики водного потока, а также, за положением гидрометрических сооружений и устройств на участке гидрологических исследований. Для этих целей составляется топографический план местности. Выполнение топографической съемки наземными методами часто осложняется крутым рельефом местности, болотистой почвой и препятствиями в виде густой древесно-кустарниковой растительности, ограждений и других сооружений. В данной статье рассматривается выполнение топографической съемки участка местности в гидрологических целях методом воздушной лидарной съемки с беспилотного летательного аппарата. Данный вид съемки, особенно в сочетании с аэрофотосъемкой, является более точной и дешевой альтернативой традиционной топографической съемке и позволяет избежать препятствий, затрудняющих съемку наземными методами.
Введение
Целью работы является качественное выполнение гидрологических исследований и, прежде всего, повышение надежности и точности определения уровня воды в водных объектах суши в Балтийской системе высот 1977 г. за счет повышения качества сопутствующих топогеодезических работ.
Для этой цели необходимы систематические наблюдения за изменениями речного русла, поймы, рельефа дна и окружающей местности, которые воздействуют на характер движения воды. Для выполнения наблюдений составляется подробный топографический план местности. Этот план используется для мониторинга участка гидрологических исследований, контроля состояния и местоположения гидрометрических приборов и сооружений.
Гидрологические исследования регламентируются нормативными документами Росгидромета. Для выполнения топогеодезических работ в гидрологических целях специалистами используются «Наставления гидрометеорологическим станциям и постам. Гидрологические наблюдения и работы на больших и средних реках». Данный документ действует с 1978 года и в части используемой аппаратуры и методов работы устарел и требует обновления.
Для проведения наземной инструментальной топографической съемки участка гидрологических исследований используются нормативные документы по геодезии и картографии. Инструкции по нивелированию и топографической съемке также давно не обновлялись.
Поскольку гидрологические исследования часто выполняются в условиях сложного рельефа местности, заболоченных почв, непроходимой густой древеснокустарниковой растительности, ограждений и других препятствий, то работы наземными методами могут быть невыполнимы. В этих случаях хорошо работают аэрофототопографические методы. В данный момент появились современные методы выполнения топографических работ с беспилотных летательных аппаратов с применением лидарной съемки, которые регламентируются актуальными нормативными документами: ГОСТ Р 59328-2021 Аэрофотосъемка топографическая. Технические требования, ГОСТ Р 59562-2021 Съемка аэротопографическая, и ГОСТ 32453-2017 Глобальная навигационная спутниковая система.
Росгидрометом была инициирована научно-исследовательская работа по выполнению топографической съёмки участка гидрологического поста с использованием материалов лидарной съемки в рамках темы НИР «Развитие и модернизация технологий мониторинга водных объектов суши по гидрологическим показателям, включая технологии их метрологического обеспечения и технологий выпуска аналитических обобщений по поверхностным водам суши».
Предполагалось, что выполнение топографических работ в гидрологических целях с использованием современных аэротопографических методов позволит получить цифровой план участка гидрологических наблюдений достаточной точности и увеличит надежность и точность получения отметок уровня воды в Балтийской системе высот 1977 г.
Методы и материалы
Аэротопографические работы производились специализированной аэрогеодезической организацией по заказу ФГБУ «ГГИ» на участке гидрологического поста № 72055 (река Охта – деревня Новое Девяткино в Ленинградской области) в апреле 2021 года. Технические требования и проект съемки составлялись исполнителем работ согласно требованиям стандартов.
Основные этапы работ:
- Подготовительные работы: составление технической документации и получение разрешений на аэрофотосъемку.
- Полевые работы: создание геодезического съемочного обоснования, выполнение аэротосъемки с использованием беспилотного носителя и проведение воздушного лазерного сканирования.
- Камеральные работы: фотограмметрическая обработка снимков для построения ортофотоплана, обработка и классификация облака точек по результатам лидарной съемки, создание цифровой модели рельефа местности и составление плана участка гидрологического поста.
Подготовительные работы выполнялись совместно заказчиком и исполнителем работ, а камеральная обработка результатов лидарной съемки произведена авторами статьи.
Воздушное лазерное сканирование производилось с применением БПЛА «Геоскан 401 Лидар», оснащенного лазерным сканером AGM со встроенным ГНСС-приемником геодезического класса. Одновременно выполнялась аэрофотосъемка с высоты 150 м.
В результате аэрофотосъемки было получено 90 снимков с перекрытием 80/60. Общая площадь съемки составила 3 км². Разрешение снимков – 2,5 см/пиксель.
Съемка по результатам воздушного лазерного сканирования территории была представлена заказчиком в формате *.LAS. Средняя плотность точек составила 60-80 на м².
Результаты съемки были обработаны в программном обеспечении Agisoft Metashape, согласно методам, предложенным производителем БПЛА Геоскан.
Камеральная обработка выполнялась в следующей последовательности:
- добавление опорных точек;
- выравнивание снимков;
- построение плотного облака точек и их классификация;
- построение цифровой модели рельефа (ЦМР);
- построение ортофотоплана;
- составление цифрового топографического плана.
Результаты
Классификация облака точек
Исходное облако точек по результатам лазерного сканирования территории участка гидрологического поста было классифицировано по основным классам: земля, низкая растительность, деревья, здания. На рис. 1 представлено облако точек по результатам классификации. Для облегчения процесса классификации в качестве подложки использовались аэрофотоснимки.
Рис. 1. Классифицированное облако точек
Создание цифровой модели рельефа местности
Для построения ЦМР были заданы исходные данные, система координат, проекция, качество выходной модели и тип интерполяции. Исходными данными для создания ЦМР послужило классифицированное облако точек территории. На рис. 2 представлена ЦМР участка гидрологического поста с разрешением 20 см/пиксель, составленная по результатам лидарной съемки в местной системе координат (МСК-64).
Оценка точности
Оценка точности производилась по методу эталонов согласно ГОСТ Р 57371- 2016. Данные контрольных точек геодезического съемочного обоснования, определенные с использованием аппаратуры ГНСС, сравнили с данными, полученные нивелированием IV класса (табл. 1).
Создание плана участка гидрологического поста
Точность ЦМР позволила построить объекты местности и горизонтали с сечением 0.5 м. В результате был составлен цифровой топографический план участка гидрологического поста в масштабе 1:2 000 с нанесенными на нем планово-высотными характеристиками реки, всех гидрометрических сооружений и устройств (рис. 3).
Рис. 2. ЦМР местности по результатам лидарной съемки
Таблица 1. Оценка точности данных (фрагмент)
| Контрольные точки | Способ определения высотной отметки в БС-77, м | Точность определения, м | |
| нивелирование IV кл. | RTK | ||
| RP9 | 12,497 | 12,248 | 0,249 |
| RP7 | 12,201 | 11,972 | 0,229 |
| RP4 | 12,437 | 12,601 | 0,164 |
| cв.1 | 12,400 | 12,407 | -0,007 |
| кк1 | 15,285 | 15,065 | 0,221 |
Рис. 3. План участка гидрологического поста
Обсуждение
Данные, полученные лидарной съемкой, показали хорошую сходимость с данными, полученными традиционными методами. Точность результатов лидарной съемки оказалась достаточной для составления крупномасштабного плана участка местности, определения состояния и положения водного объекта, его характеристик и местоположения гидрометрических устройств.
При этом лидарная съемка обладает следующими преимуществами:
- может быть выполнена для недоступной или труднодоступной наземными методами территории;
- высокая производительность. За день может быть выполнена съемка территории до 18 км²;
- высокая точность съемки – до 10 см. Обеспеченная среднеквадратичная ошибка ЦМР составляет 15 см;
- низкая цена. Стоимость лазерного сканирования с БПЛА в разы дешевле традиционных методов геодезических работ;
- лидар формирует плотное облако точек даже в условиях густой сплошной залесенности и, таким образом, позволяет четко передать фактический рельеф местности;
- возможность классифицировать точки (земля/растительность/строение и пр.).
Заключение
Выполнение топографических работ с использованием современных аэротопографических методов и программ обработки данных измерений, позволит увеличить надежность и точность получения отметок уровня воды в Балтийской системе высот 1977 г. в пунктах гидрологических наблюдений.
Лидарная съемка представляется весьма перспективной для гидрологических исследований, поскольку она стала более доступной с использованием беспилотных носителей. Воздушное лазерное сканирование относительно небольших площадей для выполнения гидрологических задач, можно произвести за разумное время и средства.
Все это может способствовать развитию методов воздушной съемки территории с БПЛА в гидрологических исследованиях. В том числе, в дальнейшем предполагается проведение мониторинга дна водных объектов и донных наносов с использованием лидарной съемки.
Ссылки на источники, используемые в статье, были удалены. Библиография доступна в оригинальной публикации.
Авторы статьи: Е.В. Орлова, В.Н. Кузнецов (ФГБУ «Государственный гидрологический институт», Санкт-Петербург, Россия).
Опубликовано в журнале ИНТЕРЭКСПО ГЕО-СИБИРЬ, 2023, Том 4, № 1, с. 185–191.