Московский экономический журнал 3/2022

Posted by redaktor
image_pdfimage_print

Научная статья

Original article

УДК 528.7

ББК 26.12

doi: 10.55186/2413046X_2022_7_3_170

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ АЭРОФОТОСНИМКОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МАЛОФОРМАТНЫМИ ЦИФРОВЫМИ ФОТОКАМЕРАМИ

INVESTIGATION OF GEOMETRIC FEATURES OF AERIAL PHOTOGRAPHS OBTAINED BY SMALL-FORMAT DIGITAL CAMERAS

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

Egorchenkov A.V.

Аннотация. В статье рассматриваются геометрические особенности аэрофотоснимков, полученных малоформатными цифровыми фотокамерами, при съемке с использованием БПЛА в качестве носителя съемочной системы и влияние этих особенностей на выбор параметров  проведения аэрофотосъемки. В статье указаны технические характеристики малоформатных цифровых фотокамер, которые используются для проведения аэрофотосъемок. Приведены методика и результаты вычисления максимально возможных смещений за угол наклона и рельеф, которые могут возникать в процессе проведения АФС. Сделан анализ закономерностей, влияющих на величины этих смещений, и даны рекомендации по выбору параметров аэрофотосъёмки, которые позволят получить аэрофотоснимки, свободные в заданных допусках от влияния этих искажающих факторов, или выбрать правильную методику и программное обеспечение дальнейшей фотограмметрической обработки полученных снимков.

Abstract. The article discusses the geometric features of aerial photographs taken with small-format digital cameras when shooting using a UAV as a carrier of the shooting system and the influence of these features on the choice of parameters for aerial photography. The article describes the technical characteristics of small-format digital cameras that are used for aerial photography. The methodology and results of calculating the maximum possible displacements for the angle of inclination and relief that may occur during the AFS are presented. The analysis of the regularities affecting the values of these displacements is made, and recommendations are given on the choice of aerial photography parameters that will allow obtaining aerial photographs free from the influence of these distorting factors in the specified tolerances, or choosing the correct methodology and software for further photogrammetric processing of the obtained images.

Ключевые слова: цифровые фотокамеры, БПЛА, аэрофотоснимок, параметры аэрофотосъемки, максимальные суммарные смещения за угол наклона и рельеф, матрица ПЗС, фотограмметрическая обработка, масштаб съемки     

Keywords: digital cameras, UAVs, aerial photography, aerial photography parameters, maximum total displacements for the angle of inclination and relief, CCD matrix, photogrammetric processing, shooting scale

В настоящее время получило широкое распространение использование БПЛА для проведения аэрофотосъемок (АФС) с целью использования полученных снимков для создания различного рода картографической продукции: топографических планов и карт, технических планов, ортофотопланов, тематических карт и т.п.

Для обеспечения требуемой точности этой продукции и повышения экономической эффективности процессов производства как самой АФС, так и дальнейшей фотограмметрической обработки полученных снимков, необходимо правильно выбрать параметры проведения АФС и выбрать наиболее эффективный метод  и программное обеспечение для дальнейшей обработки снимков.

С это целью рассмотрим возможные величины суммарных смещений (δ) точек аэрофотоснимка за угол наклона (δα) и за рельеф местности (δh), возникающих в процессе проведения аэрофотосъемки с помощью малоформатных цифровых съемочных систем (ЦСС), имея ввиду, что максимальные смещения будут происходить вдоль главной вертикали снимка, проходящей по диагонали рабочей площади матрицы ЦСС при  угле φ = 0° или 180° и угле ℵ = 45°.

Максимально возможные величины смещений за угол наклона δα в пределах рабочей площади снимков, вычислены по известной формуле:

где: rc — радиус-вектор от точки надира снимка n до угла рабочей площади матрицы ЦСС;

φ – угол между главной вертикалью снимка и направлением на определяемую точку;

α — угол наклона снимка вдоль главной вертикали;

⨍  —  фокусное расстояние объектива ЦСС;

ℵ — угол между осью х снимка и его главной вертикалью.

Величины максимально возможных смещений за рельеф местности или высоты строений в пределах рабочей площади снимков,  вычислены по известной формуле:   

где: rn – радиус-вектор от точки надира снимка n до угла рабочей площади матрицы ЦСС;

h – превышение в определяемой точке относительно средней плоскости местности, изображенной на снимке или высота постройки;

H – высота фотографирования над средней плоскостью местности, изображенной на снимке.  

Величины максимально возможных суммарных смещений за угол наклона и рельеф местности или высоты строений в пределах рабочей площади снимков, вычисленные по известной формуле:

где: δα — смещение точек за угол наклона снимка;

δh — смещение точек за рельеф, приведены на диаграммах при АФС в масштабах 1:500, 1:1000, 1:2000, 1: 5000, 1:10000 с углами наклонов снимков 10 мин., 3 градуса и фокусными расстояниями 4, 6, 16, 24, 28, 35, 50, 80, 100, 150, 210, 300 мм.

Величина δ в масштабе АФС 1:500 при α = 10 мин. представлена на нижеследующих диаграммах:

     Величина δ в масштабе АФС 1:1000 при α = 10 мин. представлена на нижеследующих диаграммах:

     Величина δ в масштабе АФС 1:2000 при α = 10 мин. представлена на нижеследующих диаграммах:

     Величина δ в масштабе АФС 1:5000 при α = 10 мин. представлена на нижеследующих диаграммах:

    Величина δ в масштабе АФС 1:10000 при α =10 мин. представлена на нижеследующих диаграммах:

        Величина δ в масштабе АФС 1:500 при α = 3  представлена на нижеследующих диаграммах:

     Величина δ в масштабе АФС 1:1000 при α = 3 представлена на нижеследующих диаграммах:

     Величина δ в масштабе АФС 1:2000 при α = 3 представлена на нижеследующих диаграммах:

Величина δ в масштабе АФС 1:5000 при α = 3  представлена на нижеследующих диаграммах:

     Величина δ в масштабе АФС 1:10000 при α =3 представлена на нижеследующих диаграммах:

Анализируя значения δ, приведенные на вышеприведенных диаграммах (числовые значения смещений представлены в сопутствующих таблицах, открывающихся при работе с диаграммами), можно сделать следующие  замечания и выводы:

  1. Значения смещений δ в процессе проведения съемки возрастают прямо пропорционально  увеличению угла наклона снимков, а также величинам превышений на снимаемом участке местности и размерам матриц ЦСС.
  2. Использование съемочных систем с большими фокусными расстояниями ведет к уменьшению смещений точек снимка за угол наклона и рельеф.
  3. Величины смещений δ будут возрастать прямо пропорционально используемому в процессе обработки коэффициенту трансформирования Kt. Поэтому очевидно, что при выборе параметров проведения АФС и с точки зрения экономической эффективности проведения самой съемки (меньшее полетное время, количество снимков и съемочных маршрутов) и с точки зрения дальнейшей фотограмметрической обработки, надо выбирать такой масштаб фотографирования и размер матрицы ЦСС, которые соответствуют получению минимального количества снимков, покрывающих трапецию создаваемого плана и обеспечивающих требуемую инструкциями точность. Лучший вариант один снимок на всю трапецию.
  4. Допустимые суммарные смещения точек снимка за угол наклона и рельеф, при которых можно использовать его в качестве источника топографической метрической информации, или применять при изготовлении электронных фотосхем, корректировке планово картографических материалов в соответствии с инструкциями по фотограмметрической обработке снимков, должны быть не более 0,3 мм в масштабе изображения. В этом случае, используя приведенные выше диаграммы нужно выбрать такое фокусное расстояние, угол наклона снимка и размер матрицы ЦСС, которые обеспечат указанное требование. При этом съемочный масштаб должен быть максимально приближен к масштабу создаваемой фотосхемы или корректируемого плана, учитывая то, что чем больше коэффициент увеличения, тем больше возрастаю приведенные на диаграммах значения  δ.
  5. При выборе масштаба съемки и фокусного расстояния ЦСС следует учитывать максимально возможную высоту  полета БПЛА, который планируется использовать для проведения АФС.

Рассмотрев величины возникающих смещений, искажающих правильное взаимное расположение точек местности, изображенных на снимке, можно предложить следующие  варианты решения задачи устранения этих искажений:

  1. С помощью приведенных выше диаграмм выбрать основные технические параметры проведения АФС, которые позволят провести фотограмметрическую обработку снимков, используя программное обеспечение и алгоритмы преобразования центральной проекции снимков в проекцию приближенную, в пределах заданных допусков, к ортогональной проекции плана, например ЦФС «Талка», «Fotomod», «ENVI OneButton», «Pix4Dmapper»,  «DroneDeploy», «PCI Geomatics» и др. [1];
  2. В случае, когда смещения превышают размеры матриц ЦСС или точка нулевых искажений находится за ее пределами, использовать программное обеспечение, позволяющее проводить аффинные преобразования изображений, например ЦФС «Fotomod» [8];
  3. Использовать программное обеспечение, не основанное на применении классических алгоритмов преобразования центральной проекции снимков в ортогональную проекцию плана, например, «Agisoft Photoscan», «DroneDeploy», «PCI Geomatics» и др. [4,7];
  4. При изготовлении фотосхем или при проведении корректировки планов и карт методом «врезки» с помощью приведенных выше диаграмм выбрать основные технические параметры проведения АФС, обеспечивающие допустимые остаточные смещения точек снимков за угол наклона и рельеф местности.

Выбор параметров аэрофотосъемки, проводимой цифровыми съемочными системами, необходимо начинать с определения размера пикселя матрицы ПЗС съемочной системы, который обеспечит указанную в Инструкциях по фотограмметрическим работам точность создания планово картографической продукции в соответствии с масштабом, создаваемого плана. Для расчета размера пикселя P можно использовать приведенные в этих инструкциях формулы [3]:

  • для обеспечения требуемой точности плановых геодезических координат:
  • для обеспечения требуемой точности геодезических высот:

где: Мпл — знаменатель масштаба создаваемого плана;

m  —  знаменатель масштаба аэрофотосъемки;

δx,y   —   СКП определения плановых геодезических координат;

δz    —  СКП определения геодезических высот.

Затем, выбирают масштаб проведения аэрофотосъемки,  фокусное расстояние камеры в соответствии с рельефом местности на снимаемой территории, предельные углы наклона снимков, руководствуясь данными приведенных выше диаграмм и техническими возможностями БПЛА, выбранного в качестве носителя ЦСС.

Список источников

  1. Тихонов А.А., Акматов Д.Ж. [Текст] / Обзор программ для обработки данных аэрофотосъемки // Изд. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018г. № 12. 192–198с.
  2. Олейник С.В., Гайда В.Б., [Текст] / Цифровые камеры для аэрофотосъемки // Изд. 4´2006 Геопрофи. 45 – 51с.
  3. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов [Текст] // Изд. Роскартография, ЦНИИГАиК, 2002г. – 101с.
  4. Руководство пользователя Agisoft PhotoScan Professional Edition, версия 1.4 [Текст] // 2018г. – 142с.
  5. [Электронный ресурс] Обзор в GISLAB. (дата обращения 26.02.2022).
  6. [Электронный ресурс] Официальный сайт АРТГЕО, www.artdrone.ru (дата обращения 27.02.2022).
  7. [Электронный ресурс] Официальный сайт www.geo-proektru (дата обращения 3.06.2020).
  8. Руководство пользователя ЦФС «Fotomod» // 2018г. – 135с.

References

  1. Tixonov A.A., Akmatov D.Zh. [Tekst] / Obzor programm dlya obrabotki danny`x ae`rofotos«emki // Izd. Gorny`j informacionno-analiticheskij byulleten`. 2018g. № 12. 192–198s.
  2. Olejnik S.V., Gajda V.B., [Tekst] / Cifrovy`e kamery` dlya ae`rofotos«emki // Izd. 4´2006 Geoprofi. 45 – 51s.
  3. Instrukciya po fotogrammetricheskim rabotam pri sozdanii cifrovy`x topograficheskix kart i planov [Tekst] // Izd. Roskartografiya, CzNIIGAiK, 2002g. – 101s.
  4. Rukovodstvo pol`zovatelya Agisoft PhotoScan Professional Edition, versiya 1.4 [Tekst] // 2018g. – 142s.
  5. [E`lektronny`j resurs] Obzor v GISLAB. (data obrashheniya 26.02.2022).
  6. [E`lektronny`j resurs] Oficial`ny`j sajt ARTGEO, www.artdrone.ru (data obrashheniya 27.02.2022).
  7. [E`lektronny`j resurs] Oficial`ny`j sajt www.geo-proekt54.ru (data obrashheniya 3.06.2020).
  8. Rukovodstvo pol`zovatelya CzFS «Fotomod» // 2018g. – 135s.

Для цитирования: Егорченков А.В. Исследование геометрических особенностей аэрофотоснимков, полученных малоформатными цифровыми фотокамерами // Московский экономический журнал. 2022. № 3. URL: https://qje.su/nauki-o-zemle/moskovskij-ekonomicheskij-zhurnal-3-2022-38/

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