Опыт ГК Геоскан. Создание высокоточной трехмерной модели Тульской области

Опыт ГК Геоскан. Создание высокоточной трехмерной модели Тульской области

Солощенко Ф.В. – руководитель отдела полевых работ, Гринько Е.В. – руководитель отдела кадастра и инвентаризации объектов недвижимости, Курков М.В. - начальник научно-исследовательского отдела, Суздальцев Н.Р. – копирайтер ГК «Геоскан».

Последние годы в геоинформатике стремительным темпами развивается направление создания трехмерных моделей местности, в том числе моделей городских пространств. Главными критериями качества реконструкции трехмерных городских территорий является точность модели (точность определения ее элементов в пространстве), реалистичность текстур зданий, сооружений и отображения элементов городской инфраструктуры. По мере развития технологий 3D-моделирования увеличивается и спектр применения геопространственной информации, начиная от информативно–справочного характера (например, применительно к туризму) и заканчивая картографией, инженерией, мониторингом и т.д. Наглядными примерами таких проектов можно назвать высокоточные модели Сингапура и Хельсинки [1]. Первый подобный опыт в РФ был реализован в 2014 году группой компаний “Геоскан” на территории г. Томска. По результатам аэросъемки с беспилотных авиационных систем (БАС) было получено 190 000 снимков разрешением 3-5 см/пикс., а площадь съемки составила более 320 км2. На основе этих данных были созданы - трехмерная модель, ортофотоплан, цифровая модель местности и фотопанорамы города [2].

Такой опыт продемонстрировал все преимущества использования беспилотных летательных аппаратов для получения цифровой пространственной информации, что послужило серьезным основанием для запуска проекта Национальной технологической инициативы «Создание геодезически точной 3D модели типового региона России на основе данных беспилотной аэрофотосъемки и технологий ГЛОНАСС». В качестве пилотного региона была выбрана Тульская область.

Рис. 1 - геопортал Тульской области.

Катализатором создания этой инициативы послужила Федеральная целевая программа «Развитие единой государственной системы регистрации прав и кадастрового учета недвижимости (2014 - 2020 годы)» [3], которая стимулировала регистрацию прав и кадастровый учет объектов недвижимости. Однако традиционные технологии кадастровых работ не позволяют в короткие сроки уточнить границы более чем 30 миллионов земельных участков, чтобы поставить их на учет. Наиболее эффективное решение этой проблемы, основанное на использовании беспилотных авиационных систем, было предложено специалистами ГК "Геоскан". Оно позволяет создавать ортофотопланы территорий, отнесенных к землям населенных пунктов, со средней квадратической погрешностью определения местоположения характерных точек границ земельных участков и контуров зданий и сооружений не более 10 см, а для земель сельскохозяйственного назначения – не более 20 см, что соответствует требованиям определенным Приказом Минэкономразвития России №90 от 01.03.2016 г. [4].

В рамках проекта был проведен комплекс геодезических, аэрофотосъемочных, фотограмметрических и аналитических работ на территории Тульской области, по результатам которых решены следующие задачи: 

• создана высокоточная 3D модель территории региона, ортофотопланы, цифровые модели местности (ЦММ);
• подготовлены высокоточные детализированные модели городов и отдельных объектов культурного наследия для решения прикладных задач муниципального уровня;
• выявлены реестровые и технические ошибки;
• определены неиспользуемые или используемые не по назначению сельскохозяйственные земли;
• сформированы базовые слои инфраструктуры пространственных данных Тульской области;
• создан Геопортал Тульской области (рис. 1);
• проверена точность опорной межевой сети Тульской области;
• разработано рабочее место кадастрового инженера для выполнения кадастровых работ.

Отработка технологии полевых работ на территории тестовых районов

Территория Заокского района Тульской области стала тестовой площадкой, на которой с июня 2016 г. осуществлялась апробация методик выполнения полевых работ в рамках проекта. Так, были определены оптимальные способы создания планово-высотной основы аэрофотосъемочных работ, что подразумевает размещение опорных базовых станций (ОБС) на период работы в районе, относительно которых измеряются координаты контрольных точек (КТ) и полетных базовых станций (ПБС). Точные координаты ОБС определялись по 4 пунктам государственной геодезической сети (ГГС) и 5 пунктам государственной нивелирной сети [5]. Ввиду малоудовлетворительного состояния пунктов ГГС, их число было увеличено до 6, в целях получения надежного результата. Для контроля точности создаваемых ортофотопланов на местности было закреплено большое число контрольных точек — 910 на весь район. В дальнейшем стало ясно, что такое количество КТ является избыточным.

По результатам работ в тестовых районах, в число которых впоследствии вошли Алексинский и Ясногорский, а также Новогуровский городской округ, были выполнены исследования, которые показали, что точность координат пунктов геодезической сети, задающей единое координатное пространство на область в МСК–71.1, неоднородна, так как попытка уравнять геодезическую сеть трех районов в единой системе координат не удалась (отклонения расчетных значений координат достигали 30 см). Поэтому было принято решение в дальнейшем выполнять работы, опираясь на пункты геодезической сети конкретного района (с сохранением связи с пунктами соседних районов).

Суммарно, в тестовых районах было установлено 4 опорных базовых станции и 58 полетных базовых станций, определены координаты 1931 контрольной точки.

Было проведено обследование 94 пунктов опорной межевой сети (ОМС), и выяснилось, что не все населенные пункты обеспечены пунктами ОМС. Как видно из графика на рис. 2, расхождения между измеренными и каталожными значениями координат пунктов ОМС Заокского района Тульской области достигают более 0,5 м, и совместное уравнивание сети не представляется возможным. Кроме того, обследование показало, что общее состояние пунктов плачевно, поэтому было решено их не использовать.

Рис. 2 – график обследования пунктов ОМС тестового района. По оси абсцисс – номера пунктов ОМС тестового района По оси ординат – СКО, м, по измеренным и каталожным значениям на пунктах ОМС тестового района.

Одной из задач проекта являлось создание ортофотопланов в государственной системе координат 2011 года (ГСК–2011). Совместное уравнивание пунктов ГГС тестовых районов показало хорошие результаты — отклонения расчетных значений координат не превышали 3 см. Однако, в дальнейшем, в соответствии с разъяснениями Росреестра, согласно которым ведение ЕГРН в пределах границ кадастровых округов не будет осуществляться в ГСК–2011 до внесения соответствующих изменений в действующее законодательство, было принято решение прекратить подготовку планово-высотной основы аэрофотосъемки (АФС) в ГСК–2011.

На аэросъемку территории Заокского района площадью 1310 км2 понадобилось 28 полетных дней. Для этих целей первоначально использовалось две БАС «Геоскан 101» и одна БАС «Геоскан 201» (основное различие между которыми в продолжительности полета — 1 и 3 часа, соответственно), а затем — три БАС «Геоскан 101» и две БАС «Геоскан 201». Весь комплекс работ выполняли три бригады: две (по 2 человека) создавали планово-высотную основу и одна (4 человека) проводила АФС. Подобным образом работы проводились и в других тестовых районах. Суммарно, на съемку территории площадью 4037 км2 потребовалось 74 полетных дня.

Организация полевых работ на территории Тульской области в 2017 г.

В зимний период (2016-2017 г.) результаты аэросъемочных работ в тестовых районах были проанализированы, и для повышения эффективности организации полевых работ в производственные процессы был внесен ряд изменений:

• модернизирована программа планирования полетов, что дало возможность использовать одну полетную станцию для управления полетом двух БАС одновременно;
• увеличено количество БАС "Геоскан 201" до 10-12 на одну бригаду, а также общее число ГНСС приемников до 10;
• внедрена новая версия "прошивки" автопилота, за счет чего было увеличено количество вылетов в день.

Кроме того, вместо режима «статика» при определении координат контрольных точек спутниковой геодезической аппаратурой стал применяться режим RTK, и было уменьшено количество контрольных точек на район, что обеспечило увеличение скорости измерений (с 20 КТ в день одной бригадой до 50 КТ) и сокращение времени на полевые геодезические работы.

Стали использоваться более мощные зарядные устройства.

При АФС межселенных территорий были изменены требования к разрешению цифровых снимков с 7 на 9 см/пиксель, и это позволило увеличить снимаемую площадь. Количество полетных базовых станций на точке старта сократили с двух до одной, что ускорило подготовку к полетам.

Все это помогло значительно повысить производительность полевых работ и сформировать окончательную технологическую схему, которая применялась для съемки остальных районов Тульской области, проводившейся с 23 марта по 31 июля 2017 г.

В первую очередь, осуществлялась рекогносцировка и обследование пунктов ГГС на территории отдельного района. Затем создавался проект размещения контрольных точек. Опорная базовая станция устанавливалась таким образом, чтобы расстояние до контрольных точек и полетной базовой станции не превышало 30 км. Всего было развернуто 24 ОБС, на которых было проведено 4 тыс. часов спутниковых наблюдений. Силами 2–5 бригад по 2 человека определялись координаты контрольных точек относительно ОБС в режиме RTK, с использованием двухчастотных приемников ГЛОНАСС/GPS.

За весь период работы было выполнено 21 тыс. часов спутниковых наблюдений на 90 пунктах ГГС первого и второго класса и более чем на 8000 КТ с определением координат в МСК–71.1. На рис. 3 приведен пример расположения контрольных точек в одном из районов.

Рис. 3 – пример схемы расположения КТ в Ясногорском районе.

Следует отметить, что до начала полевых работ в тестовых и других районах Тульской области были получены разрешения Генерального штаба ВС РФ, оперативного управления штаба военного округа и территориальных органов безопасности ФСБ на проведение аэрофотосъемки. Параллельно с рекогносцировкой, осуществлялось согласование полетов БАС с администрациями районов. Непосредственно перед полетами администрация района ставилась в известность о начале работ.

При планировании АФС готовились полетные задания (рис. 4), в которых район разбивался на полетные зоны, с помощью программы Geoscan Planner. Устанавливалась полетная базовая станция, относительно которой определялись центры фотографирования снимков. Аэросъемка проводилась параллельно в разных местах района двумя бригадами по 4 человека, каждый из которых управлял двумя БАС «Геоскан 201» (от использования БАС «Геоскан 101» отказались ввиду их меньшей производительности). После посадки каждого БАС полученные цифровые снимки и данные с бортового ГНСС-приемника сохранялись в компьютере оператора полета. Затем проводилась замена аккумулятора, в автопилот загружались новые полетные задания и осуществлялись повторные запуски БАС (в случае благоприятных погодных условий), и так до завершения рабочего дня (рис. 5). Тем самым, за день удавалось получать десятки тысяч снимков. Подобная интенсивность работ позволяла выполнять съемку районов в сжатые сроки. Например, АФС Суворовского и Воловского районов была выполнена за 3 полетных дня, при том, что, в среднем, на съемку района необходимо около 9–14 дней.

Рис. 4 - полетное задание в интерфейсе программы "Geoscan Planner".

Рис. 5 - запуск БАС.

Технология аэросъемочных работ зависела от типа снимаемой территории и объектов:

• АФС населенных пунктов проводилась БАС "Геоскан 201" с положением камеры в надир и использованием перспективных камер;
• АФС межселенной территории проводилась БАС "Геоскан 201" с камерой, установленной в надир;
• АФС памятников и объектов культуры выполнялась с помощью квадрокоптеров.

Необходимая точность ортофотопланов и ЦММ достигалась соблюдением ряда условий: поперечное перекрытие снимков должно составлять 50% (для населенных пунктов с плотностью высокоэтажной застройки — 60%), а продольное перекрытие снимков — 70%. При этом пространственное разрешение для населенных пунктов не должно превышать 4 см/пиксель, а для межселенной территории — 9 см/пиксель.

Ежедневно, после окончания аэросъемочных работ, составлялись полетные полевые журналы и геодезические полевые журналы. Аэрофотоснимки отправлялись на контрольный просмотр военному цензору оперативного управления штаба Западного военного округа РФ. В дальнейшем, данные с ГНСС-приемников полетных базовых станций и бортовых ГНСС-приемников, с целью их уравнивания и составления каталогов центров фотографирования, и аэрофотоснимки передавались в отдел обработки данных ДЗЗ ГК «Геоскан» и кластер обработки, расположенный в Санкт-Петербургском Политехническом университете.

Правильная организация полевых работ позволила выполнить съемку в сжатые сроки, невзирая на значительные объемы. Таким образом, за 288 дней была проведена аэрофотосъемка территории 21 района Тульской области площадью более 25 тыс. км2, в ходе которой беспилотные авиационные системы находились в воздухе более 10 000 часов.

Кроме того, на территории Тульской области отдельной бригадой при помощи квадрокоптера «Геоскан 401» была выполнена аэрофотосъемка памятников архитектуры с разрешением 1–2 см/пиксель. Для достижения лучшей точности и детальности при построении трехмерных реалистичных моделей объектов в недоступных для квадрокоптера местах проводилась наземная фотосъемка. По результатам камеральной обработки этих данных были построено 22 3D-модели памятников архитектуры Тульской области, среди которых Тульский Кремль, Куликово Поле, Музей-усадьба «Ясная Поляна», Тульский государственный музей оружия (рис. 6).

Рис. 6 - 3D-модель "Тульский государственный музей оружия".

Создание ортофотопланов и трехмерных моделей местности и объектов

Анализ и обработка отснятых материалов с целью получения ортофотопланов и моделей местности выполнялась в камеральных условиях с помощью специализированного программного обеспечения автоматизированной фотограмметрической обработки — Agisoft PhotoScan Pro. Объем снимков по одному району, как правило, составлял несколько сотен тысяч (например, при АФС Алексинского района площадью порядка 950 км2 было выполнено 269 полетов и получено 250 тыс. снимков), поэтому такое количество данных требовало колоссальных вычислительных мощностей для обработки и хранения. Для решения этой задачи использовался собственный кластер и вычислительный кластер суперкомпьютера «Политехник РСК Торнадо» (рис. 7), пиковая производительность которого достигает 943 Тфлопс. В ходе проекта на нем было выполнено 300 000 Тфлопс вычислений.

Рис. 7 - суперкомпьютер "Политехник RSC Торнадо".

При обработке данных в ПО Agisoft PhotoScan сначала восстанавливается исходное положение и ориентация камер (по элементам внешнего ориентирования камер), задается координатная система реконструируемой модели, а затем строится разреженное облако точек на основании фотографий. Для оптимизации результатов расчета положений камер и параметров их внутренней ориентации выполняется расстановка маркеров и задаются координаты. Маркеры расставляются по контрольным точкам, тем самым осуществляется контроль точности, заключающийся в вычислении СКО контрольных точек с известными координатами. В случае выполнения требований по величине СКО (в данном случае, СКО <10 см), запускаются дальнейшие процессы.

Основываясь на рассчитанных положениях камер, программа автоматически вычисляет карты глубины для каждой камеры и формирует плотное облако точек, а на его основе – трехмерную полигональную модель, для которой затем строится текстура. Для создания ортофотоплана по плотному облаку точек или полигональной модели строится карта высот, на которую проецируется план.

В результате обработки 6 млн фотоснимков были созданы: ортофотопланы с разрешением 5 см/пиксель для территорий населенных пунктов и 10 см/пиксель для межселенных территорий, высокоточные текстурированные 3D-модели населенных пунктов, 1443 цифровых моделей населенных пунктов. Объем полученных данных составил 218 Тбайт.

Выявление нарушений земельного законодательства

После камеральной обработки результатов полевых измерений рабочая группа, включавшая около 25 ГИС-специалистов, осуществляла выявление нарушений земельного законодательства на основе цифровых ортофотопланов и сведений ЕГРН — кадастровых планов территории (КПТ). Большинство специалистов занимались векторизацией фактических границ земельных участков в целях выявления нарушений в области кадастрового учета с помощью ГИС «Спутник» и QGIS.

Помимо этого, была сформирована геокодированная адресная база путем аналитической обработки данных Федеральной информационной адресной системы, адресных материалов местных муниципальных образований и данных, полученных в ходе полевых обследований. Число адресов геокодированной адресной базы составило 350 тыс.

Процесс выявления нарушений земельного законодательства включал в себя:

• векторизацию границ фактического использования земельных участков;
• выявление ранее учтенных земельных участков;
• сверку границ учтенных участков, выявление реестровых ошибок;
• выявление нецелевого использования сельскохозяйственных земель.

Для организации пространственных данных была выбрана открытая СУБД PostgreSQL, поддерживающая работу в среде QGIS и подходящая для операций с геоданными, что позволило создать отлаженную инфраструктуру для сбора и хранения данных.

Рис. 8 - перечень векторных слоев в интерфейсе Геопортала Тульской области.

По результатам этих работ были сформированы следующие векторные слои, содержащие информацию о (рис. 8):

• земельных участках, сведения о которых имелись в КПТ и которые были поставлены на государственный кадастровый учет (ГКУ);
• земельных участках, сведения о которых дублировались в ЕГРН;
• земельных участках, границы которых имели пересечения с границами участков, сведения о которых содержались в ЕГРН;
• налогооблагаемых участках, по которым имелись сведения об оплате их владельцами налогов.

Дополнительно для территорий населенных пунктов выделялись следующие категории участков:

• участки, поставленные на ГКУ (с указанием границ), которые выявлялись с помощью дешифрирования ортофотопланов по границам фактического использования земель;
• ранее учтенные участки, выявленные по адресу и площади, согласно данным КПТ и созданной геокодированной адресной базы;
• участки, не поставленные на ГКУ, которые выявлялись по границам фактического использования земель;
• незаконно используемые участки (самозахват), которые выявлялись с помощью сравнения площади участков, поставленных на ГКУ, и площади участков с фактическими границами использования земель;
• участки с адресацией, сведения о которых имелись в созданной геокодированной адресной базе.

Земли сельскохозяйственного назначения формировались по границам и сведениям фактического землепользования (с учетом сведений ЕГРН), распределялись по категориям — на пашни и нераспаханные земли, а далее разбивались на дополнительные подкатегории, что позволяло точно определить статус их использования:

• для ведения личного подсобного хозяйства
• распаханные
• с луговой растительностью
• с древесно-кустарниковой растительностью
• с многолетними насаждениями
• нецелевое использование

Всего в процессе векторизации на территории Тульской области были проанализированы и выявлены 825 100 земельных участков в населенных пунктах, для которых были определены границы, в том числе 340 600 составили участки, поставленные на ГКУ, 36 100 - участки, поставленные на ГКУ без указания границ, и 448 400 - участки, не поставленные на ГКУ. Были выявлены следующие сведения о земельных участках области (табл. 1):

Табл. 1. Анализ использования земельных участков в Тульской области

Категория участков	Количество участков	Общая площадь участков, км2
Самозахваты	60 500	31
Участки сельскохозяйственного назначения, используемые по назначению	20 100	7 400
Участки сельскохозяйственного назначения, заросшие древесно-кустарниковой растительностью	9 500	1 700

Геопортал Тульской области

Для создания и поддержки удобного геопортала, а также визуализации всех полученных данных, необходимо было разработать эффективную сетевую инфраструктуру.

В результате было создано клиент-серверное web-приложение на основе языков программирования Java (JEE), JavaScript, HTML, CSS. Серверная часть организует публикацию по протоколам Open Geospatial Consortium (OGC), причем для обеспечения высокой нагрузки сайта используется дублирование серверов и размещение ресурсов геопортала на базе собственных серверов (в сетевом хранилище объемом около 0,5 Пбайта), а клиентская часть представляет пользовательский интерфейс для осуществления запросов и визуализации геопространственных данных.

Говоря о структуре геопортала, стоит отметить следующие компоненты с разным функционалом:

• СУБД Postgres/PostGIS - хранение геопространственных данных;
• Wеб-сервер nginx - передача содержимого веб-страниц;
• сервер приложений «Tomсat 8» - контейнер для JEE компонентов, таких как GeoServer, TerrainServer, TlsModelServer, организующих публикации геоданных различных типов

Основные решения реализованы на базе ГИС «Спутник Web». Работа портала оптимизирована таким образом, что трехмерные модели не требуют загрузки процессора пользователей, а формирование тайлов ортофотопланов происходит "на лету".

Релизная версия геопортала позволяет просматривать районы Тульской области в трехмерном пространстве, как по отдельности, так и в виде каталога моделей отдельных населенных пунктов (рис. 9), подключать все векторные слои и их атрибутивную информацию (рис. 8), работать с базой данных портала по протоколу WMS (например, добавлять недостающую информацию), использовать измерительные инструменты, изменять системы координат и др.

Рис. 9 - отображение трехмерной модели фрагмента населенного пункта на Геопортале Тульской области.

Выводы

В ходе работы были получены все необходимые материалы, отвечающие требованиям точности: ЦММ, ЦМР и ортофотопланы, фотореалистичные 3D-модели населенных пунктов и памятников архитектуры. Эти материалы смогут найти применение при выполнении кадастровых работ, а также при оказании туристических услуг, организации мониторинга, управлении территориями и в других сферах. Созданный Геопортал Тульской области позволяет хранить и обновлять пространственную информацию и обеспечивает доступ к ресурсу органами местного самоуправления и кадастровым инженерам.

Благодаря проведенным работам, были выявлены нарушения земельного законодательства, реестровые и технические ошибки, осуществлено зонирование территорий и определен потенциальный экономический эффект от устранения нарушений. Так, потенциальные экономические эффекты от легализации незаконно используемых территорий (самозахватов) составляют 3,4 млрд руб. однократных и 165 млн руб. ежегодных поступлений (по оценке НЭО Центра), а ежегодный сбор продукции с используемых не по назначению сельскохозяйственных земель мог бы составить 5 млрд руб.

В заключение можно сказать, что технологии ГК «Геоскан» на практике доказали высокую эффективность и экономическую рентабельность. Выполненный проект позволит дать толчок экономическому и социально-культурному развитию региона, а также способствовать развитию программы «Цифровая экономика Российской Федерации»

Опубликовано в "Геопрофи" №2-2018 и №3-2018.

Опубликовано на портале "Сделаноунас".

Список литературы

1. Высокоточные картографические трехмерные модели Сингапура и Хельсинки // Геопрофи. — 2017. — No 5. — С. 39-41.

2. 3D-модель г. Томска. — https://tomsk3da.admtomsk.ru/3d_city.

3. Федеральная целевая программа «Развитие единой государственной системы регистрации прав и кадастрового учета недвижимости (2014–2020 годы). Утверждена Постановлением Правительства РФ от 10.10.2013 г. No 903 (в ред. Постановления Правительства РФ от 22.12.2016 г. No 1444)».

4. Приказ Минэкономразвития России от 01.03.2016 г. No 90 «Об утверждении требований к точности и методам определения координат характерных точек границ земельного участка, требований к точности и методам определения координат характерных точек контура здания, сооружения или объекта незавершенного строительства на земельном участке, а также требований к определению площади здания, сооружения и помещения».

5. Федеральный закон от 30 декабря 2015 г. No 431-ФЗ (ред. От 03.07.2016 г.) «О геодезии, картографии и пространственных данных и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации»