Научная статья

Original article

УДК 528.7

ББК 26.12

doi: 10.55186/2413046X_2022_7_3_172

ОПЫТ СОЗДАНИЯ КРУПНОМАСШТАБНОГО ОРТОФОТОПЛАНА  МЕСТНОСТИ  СО СЛОЖНЫМ РЕЛЬЕФОМ

EXPERIENCE IN CREATING A LARGE-SCALE ORTHOPHOTOPLANE OF AN AREA WITH COMPLEX TERRAIN

Егорченков А.В., к.т.н., доцент кафедры «Дистанционного зондирования и цифровой картографии», декан Заочного факультета ГУЗ

Egorchenkov A.V.

Аннотация. В статье рассматривается технология  использования  БПЛА в качестве носителя съемочной системы с целью создания ортофотоплана при аэрофотосъемке участков  местности со сложным рельефом. Даются сведения о содержании необходимых для решения задачи процессах, оборудовании и программном обеспечении. Приводятся методика фотограмметрической обработки и различные варианты оценки качества изготовленного ортофотоплана. Даются рекомендации по выбору способа маркирования и размещения опорных точек, указываются возможные варианты использования создаваемой цифровой модели местности для решения различных проектно-изыскательских задач.

Abstract. The article discusses the technology of using a UAV as a carrier of a shooting system in order to create an orthophotoplane for aerial photography of terrain areas with complex terrain. Information is given about the content of the processes, equipment and software necessary to solve the problem. The technique of photogrammetric processing and various options for assessing the quality of the manufactured orthophotoplane are given. Recommendations are given on the choice of the method of marking and placement of reference points, possible options for using the digital terrain model being created to solve various design and survey tasks are indicated.

 Ключевые слова: БПЛА, параметры аэрофотосъемки, аэрофотоснимок, ортофотоплан, планово-высотная привязка, опорные точки, цифровая фотокамера, фотограмметрическая обработка, цифровая модель рельефа

Keywords: UAV, aerial photography parameters, aerial photograph, orthophotoplane, planned altitude reference, reference points, digital camera, photogrammetric processing, digital terrain model

Одной из актуальных задач,  при решении которых могут использоваться материалы аэрофотосъемки, выполненной с помощью беспилотных летательных аппаратов  (БПЛА) и малоформатных цифровых съемочных систем, в настоящее время является создание планово-картографической продукции на участки местности со сложным рельефом, которые были подвержены воздействию водной эрозии, с целью проведения рекультивации этих земель. Эти материалы могут эффективно использоваться  также для планирования размещения и проектирования комплексов прудовых хозяйств, проектирования трасс линейных сооружений, проведения мероприятий по ликвидации последствий природных катаклизмов или техногенных катастроф и др. [7,8].

Для выявления возможностей использования указанных выше материалов АФС и оценки точности, изготовленной планово-картографической продукции, был выполнен комплекс экспериментальных работ на участке местности, расположенном на территории учебно-научного полигона Государственного университета по землеустройству в Зарайском районе Московской области вблизи деревни Аргуново. Объектом съемки был выбран значительный по площади овраг (1.1 км²), глубиной несколько десятков метров.

В качестве носителя съемочной системы был использован  БПЛА Phantom 4 – Pro с установленной съемочной камерой  FC6310 (8.8mm) и ГНСС приемником, который использовался для определения геодезических координат центров фотографирования и управления съемочным процессом [3].

Технологическая схема выполненных работ выглядит следующим  образом:

1. Подготовительные работы:

• сбор существующих картографического материалов;
• анализ объекта съемки и характера рельефа местности;
• расчет необходимых параметров аэрофотосъемки;
• составление проекта привязки.

2. Полевые работы:

• рекогносцировка местности на объекте съемки;
• закрепление на местности опорных знаков в соответствии с проектом привязки;
• определение координат опорных точек с помощью спутникового навигационного оборудования;
• проведение аэрофотосъемки.

3. Фотограмметрическая обработка полученных снимков.

Подготовительные  работы

С учетом физико-географических условий и рельефа местности на объекте съемки, а также технических характеристик съемочной системы и её носителя, были рассчитаны параметры проведения АФС (см. таблица №1) [1]:

Перед проведением АФС была проведена калибровка АФА.

Для выполнения фотограмметрической обработки полученных снимков  и  оценки точности изготовленного ортофотоплана был составлен проект планово-высотной привязки. В качестве фотографической основы для составления проекта привязки был использован фрагмент космического снимка из сервиса Google Map  (рис.1):

Местоположение  опорных точек следует выбирать на перегибах «бровки»  и по дну оврага с целью возможного дальнейшего использования координат этих точек для осуществления расчетов объёмов грунтов, необходимых, например, для проведения выполаживания оврага при его рекультивации, либо для определения объёма грунта при строительстве плотин в случае организации каскада прудов.

Всего было выбрано и замаркировано на местности 41 опорная и контрольная точка, а также 4 пункта триангуляции, расположенных по углам рабочей площади снимаемого участка. Тип маркировочного знака представлен на рис.2.

Выполнение полевых работ было начато с проведения рекогносцировки, в ходе которой решались следующие задачи:

• обнаружение мест расположения и расчистка пунктов геодезической сети;
• поиск, уточнение, закрепление и маркировка мест расположения опорных точек в соответствии с проектом.

Затем были проведены полевые работы по планово-высотной привязке, которые осуществлялись с помощью GPS-аппаратуры «South S-82» [2].

В работе участвовали два идентичных приемника. Один, из которых, был настроен в режим базовой станции с каналом GPRS и установлен на пункте «Березки», второй был переключен в режим ровера для приема корректирующей информации.

Для повышения точности определения координат геодезической сети выполнялись последовательно 3 приема измерений.

Координаты центров опорных и контрольных точек, пунктов геодезической сети были получены в системе координат WGS-84 и пересчитаны в систему МСК-50.  Среднеквадратическая погрешность определения геодезических координат этих точек, полученная при обработке результатов  измерений, составила для опорных точек в плановом положении 2,21 см и 2,05 см по высоте.

Аэрофотосъёмка

Перед началом съемки с помощью ПО «Mission Planer» был создан проект и задано полетное задание. Необходимые для съемки параметры, а также такие параметры как время, количество пролетов по маршруту, скорость и др. автоматически рассчитываются программой [3].

На «борту» БПЛА были установлены цифровая фотокамера, миниатюрная видеокамера с передатчиком видеоизображения в реальном времени, передатчик телеметрических данных, микрогиросистема стабилизации полета носителя, приемо-передатчик GPS.

Наземная часть комплекса включала в себя компьютеризированный пульт управления полетом носителя, пульт управления цифровой аэрофотосъемкой с телевидеосистемой и приемным блоком GPS-системы, персональный компьютер для маршрутизации цифровой аэрофотосъемки.

По выполнению полетного задания БПЛА самостоятельно возвращался на точку старта [3].

Фотограмметрическая обработка снимков

Все этапы фотограмметрической обработки снимков выполнены в программном обеспечении «Agisoft PhotoScan Pro 1.2» [4]. Так как планово-высотная привязка была выполнена в системе координат МСК-50, а аэрофотосъемка сделана в WGS-84, был выполнен перевод геодезических измерений в единую с аэрофотоснимками систему координат WGS-84.

     По завершении обработки были получены следующие результаты:

• плотное облако точек в количестве 223371328 шт.;
• фрагмент ортофотоплана в масштабе 1:250 с разрешением 1.96 см/пикс (рис. 3);
• цифровая модель местности с разрешением 7.83 см/пикс и плотностью точек 163 т/м (рис. 4).

Оценка точности созданного ортофотоплана проводилась по контрольным точкам,  в качестве которых служили избыточные опорные точки. Методика оценки точности заключалась в сравнении значений контрольных точек снятых с построенного ортофотоплана с координатами этих точек, полученными в результате проведения геодезических работ по определению координат и высот пунктов методом GPS измерений.

Для реализации выбранной методики оценивания и выявления необходимого и достаточного количества опорных точек при  обработке снимков было выполнено 3 варианта фотограмметрической обработки с разным количеством опорных точек, используемых для построения ортофотоплана [6]. Таким образом, в первом варианте учувствовало шесть точек (52, 57, 61, 67, 80, 88), расположенных в начале и конце каждой структурной линии – местах изменения уклона. Во втором варианте участки между первичными опорными точками были поделены поровну надвое, в результате на каждой из структурных линий было выбрано еще по две точки (55, 65, 75, 84, 86), которым присваивался статус опорных, в сумме было использовано 12 точек. В третьем варианте учувствовали все опорные точки – 31 точка (рис. 4).

На основании результатов фотограмметрической обработки в трех вариантах и допустимого значения погрешности определения положения точки, можно сделать следующие выводы о том, что для качественного построения ортофотоплана в масштабе 1:250, отвечающего всем современным требованиям инструкций, недостаточно иметь 6 опорных точек на площадь работ в 1,1 км². Имея, в качестве опорных, 12 равномерно размещенных по всему рабочему пространству точек, СКП определения координат точек ортофотоплана уменьшается на порядок и составляет по оси Хг – 0,019 м, по оси Yг – 0,026 м, по оси Zг – 0,035 м, что удовлетворяет техническим требованиям Инструкции по фотограмметрическим работам при изготовлении ортофотопланов в масштабе 1:250 с высотой сечения рельефа h = 0,25 м [5]. При выборе в качестве опорных более 12 точек, резких изменений в СКП не наблюдается, она плавно уменьшается, но все меньше зависит от количества выбранных точек.

Изготовленная с помощью ПО «Agisoft PhotoScan Pro 1.2»  цифровая модель рельефа (рис. 4) позволяет отображать модель поверхности в виде регулярной сетки значений геодезических высот узлов этой сетки, то есть создавать карту высот (DEM). Карта высот может быть рассчитана на основании разреженного облака точек или полигональной модели [4].

На карте высот «PhotoScan» позволяет выполнять измерения координат точек, расстояний, площадей и объемов, которые могут быть использованы для проведения рекультивационных, мелиоративных и других подобных мероприятий, а также отображать профили разрезов по заданной пользователем трассе для проектирования и строительства гидросооружений при организации каскада прудов. Наконец, возможно создание контурных линий и отображение их на карте высот или ортофотоплане на вкладке «Орто» [6].

Список источников

1. ОДМ 218.9.017-2019 / [Текст] / Методические рекомендации по производству аэрофотографических работ с использованием беспилотных летательных аппаратов при изысканиях в целях строительства и реконструкции автомобильных дорог // 2019г – 73с.
2. Руководство пользователя / [Текст] / Спутниковый приемник PrinCe X91 // 52c.
3. Инструкция по эксплуатации v2 PHANTOM 4 [Текст] // 2016г. – 65 с.
4. Руководство пользователя Agisoft PhotoScan Professional Edition, версия 1.4 [Текст] // 2018г. – 142с.
5. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов [Текст] // Изд. Роскартография, ЦНИИГАиК, 2002г. – 101с.
6. Пошаговое руководство: Построение ортофотоплана и карты высот в программе Agisoft PhotoScan Pro2 (с Опорными точками) [Текст] // 17c.
7. [Электронный ресурс] Официальный сайт geopnz.ru/services/ortofotoplan.
8. [Электронный ресурс] Официальный сайт siproen.ru/aerofotos-emka-bpla.

References

1. ODM 218.9.017-2019 / [Tekst] / Metodicheskie rekomendacii po proizvodstvu ae`rofotograficheskix rabot s ispol`zovaniem bespilotny`x letatel`ny`x apparatov pri izy`skaniyax v celyax stroitel`stva i rekonstrukcii avtomobil`ny`x dorog // 2019g – 73s.
2. Rukovodstvo pol`zovatelya / [Tekst] / Sputnikovy`j priemnik PrinCe X91 // 52c.
3. Instrukciya po e`kspluatacii v1.2 PHANTOM 4 [Tekst] // 2016g. – 65 s.
4. Rukovodstvo pol`zovatelya Agisoft PhotoScan Professional Edition, versiya 1.4 [Tekst] // 2018g. – 142s.
5. Instrukciya po fotogrammetricheskim rabotam pri sozdanii cifrovy`x topograficheskix kart i planov [Tekst] // Izd. Roskartografiya, CzNIIGAiK, 2002g. – 101s.
6. Poshagovoe rukovodstvo: Postroenie ortofotoplana i karty` vy`sot v programme Agisoft PhotoScan Pro 1.2 (s Oporny`mi tochkami) [Tekst] // 17c.
7. [E`lektronny`j resurs] Oficial`ny`j sajt geopnz.ru/services/ortofotoplan.
8. [E`lektronny`j resurs] Oficial`ny`j sajt siproen.ru/aerofotos-emka-bpla.

Для цитирования: Егорченков А.В. Опыт создания крупномасштабного ортофотоплана  местности  со сложным рельефом // Московский экономический журнал. 2022. № 3. URL: https://qje.su/nauki-o-zemle/moskovskij-ekonomicheskij-zhurnal-3-2022-40/

© Егорченков А.В., 2022. Московский экономический журнал, 2022, № 3.