CC BY
80
УДК 528.71
АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ АЭРОФОТОСЪЕМКИ С БПЛА
ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ СПЛОШНОГО МЕЖЕВАНИЯ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ
Александр Михайлович Пация
НАО «Проектно-изыскательский институт ГЕО», 620144, Россия, г. Екатеринбург, ул. Фурманова, 127, главный инженер, тел. (343)378-77-89, (922)108-48-84, e-mail: patsiya@mail.ru
В статье рассмотрена возможность применения аэрофотосъемки с БПЛА для целей сплошного межевании земельных участков в границах земель населенных пунктов. Приведена статистика по количеству земельных участков, подлежащих межеванию, примеры выполненных проектов, рассмотрены ошибки, характерные для данного вида работ. Сделаны выводы о возможности применения указанного метода при строгом подходе к методике выполнения работ и разработке нормативно-технической базы.
Ключевые слова: БПЛА, фотограмметрический метод, аэрофотосъемка, фотограмметрическая обработка снимков, ошибки измерений, межевание, кадастр, земли населенных пунктов.
ANALYSIS OF THE APPLICATION OF UAV PHOTOGRAPHY
FOR THE IMPLEMENTATION OF CONTINUOUS SURVEYING OF SETTLEMENTS
Aleksandr M. Patsiya
GEO Institute for Planning and Research, 127, Furmanova St., Ekaterinburg, 620144, Russia, Chief Engineer, phone: (343)378-77-89, (922)108-48-84, e-mail: patsiya@mail.ru
The article considers the possibility of using aerial photography on UAV with the purpose of continuous surveying of land plots within the boundaries of the lands of settlements. The statistics on the number of land plots to be surveyed, examples of completed projects, and errors typical to this type of work are given. Conclusions are made about the possibility of applying this method with a rigorous approach to the methodology for performing work and developing a regulatory and technical basis.
Key words: UAV, photogrammetric method, aerial photography, photogrammetric image processing, measurement errors, land surveying, cadastre, settlement lands.
Введение
Исторически сложилось, что количество участков, попадающих в сферу землеустройства и уточнение их границ неразрывно связано с развитием соответствующих средств и методик выполнения измерений. До недавнего времени определение координат характерных точек земельного участка с точностью 0,10 м было достижимо с использованием таких методов геодезических измерений, как мензульный и тахеометрический. В современных реалиях, в связи с массовым внедрением в жизнь спутниковых технологий, наиболее распространенным методом определения координат являются спутниковые методы. Выше перечисленные методы были своевременно исследованы и апробированы, в результате чего появились ГКИНП-02-033-79 «Инструкции по топогра-
фической съемке в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000 и 1:500» (ГУГК 1982г), ГКИНП (ОНТА)-02-262-02 «Инструкция по развитию съемочного обоснования и съемке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС И GPS» (ЦНИИГАиК, 2002) и ГКИНП (ОНТА)-01-271-03 «Руководство по созданию и реконструкции городских геодезических сетей с использованием спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS» (ЦНИИГАиК, 2002).
Однако, и инструментальный, и спутниковый методы, наряду с некоторыми преимуществами, имеют значительный ряд недостатков. В частности, эти методы наиболее применимы все-таки к «точечным» измерениям, они позволяют получить данные о местоположении единичного участка, группы участков в пределах одной улицы, одного квартала и т.п. Данный вид измерений прежде всего обусловлен локальностью применения, в частности применяются разрядные сети полигонометрии, скорость работы одной бригады достаточно невысокая, в связи с чем, для получения координат участков на территорию одного муниципального образования привлекается достаточно большое количество бригад, используются десятки исходных пунктов различного класса. Все вышеперечисленное приводит к «разноточности» работ в пределах небольшого участка. Кроме того, в условиях частной собственности на объекты недвижимости, не всегда представляется возможным подойти к интересуемой характерной точке, и ее местоположение приходится определять менее точными способами в виде угловых и линейных засечек.
Проведем анализ площадей земельных участков, отнесенных к землям населенных пунктов. В табл. 1 приведены данные по городам Свердловской области с численностью населения свыше 7000 человек.
Таблица 1
Статистические данные по площади населенных пунктов Свердловской области с численностью населения свыше 7000 человек (1)
Название НП Численность, тыс. Площадь, кв. км. Плотность населения, чел на км.кв. % от общего числа Хар-ка участка
1 2 3 4 5 6 7
1 Екатеринбург 1323,0 468,0 2827 17 % свыше 100 кв. км
2 Краснотурьинск 61,7 309,5 199
3 Нижний Тагил 375,8 300,9 1249
4 Тавда 38,2 144,7 264
5 Каменск-Уральский 48,3 144,1 335
6 Заречный 27,3 127,2 215
7 Асбест 12,3 110,0 112
8 Реж 38,9 106,5 365
9 Серов 22,8 95,3 239 11 % от 80 до 100 кв.км.
10 Красноуральск 27,5 88,2 312
11 Первоуральск 35,2 85,4 412
12 Нижняя Салда 17,9 85,4 210
13 Карпинск 29,1 81,5 357
Окончание табл. 1
Название НП Численность, тыс. Площадь, кв. км. Плотность населения, чел на км.кв.
1 2 3 4 5
14 Ирбит 41,5 73,0 568
15 Алапаевск 42,5 73,0 582
16 Верхняя Салда 48,3 70,2 688
17 Талица 18,6 65,4 284
18 Кушва 33,4 65,3 511
19 Качканар 43,1 64,0 674
20 Красноуфимск 40,6 63,0 644
21 Ивдель 17,5 61,9 283
22 Полевской 11,5 60,7 189
23 Волчанск 10,2 60,3 169
24 Ревда 61,7 60,0 1028
25 Лесной 52,8 54,5 970
26 Камышлов 28,4 53,5 531
27 Нижняя Тура 22,8 43,9 520
28 Артемовский 33,3 40,7 818
29 Североуральск 31,9 39,7 803
30 Михайловск 9,6 39,2 245
31 Верхний Тагил 12,3 38,4 320
32 Арамиль 15,0 33,0 455
33 Новоуральск 13,4 31,9 420
34 Туринск 18,3 30,3 605
35 Верхняя Пышма 58,1 30,0 1937
36 Березовский 48,3 30,0 1610
37 Среднеуральск 20,0 30,0 667
38 Сухой лог 35,2 28,9 1220
39 Дегтярск 16,0 24,0 667
40 Верхняя Тура 10,6 23,3 455
41 Богданович 32,1 23,2 1383
42 Нижние Серги 11,5 22,4 513
43 Сысерть 20,8 18,3 1134
44 Невьянск 25,2 16,5 1525
45 Новая Ляля 13,4 16,2 828
46 Кировград 22,1 13,0 1700
47 Верхотурье 7,4 7,6 971
%
от общего числа
Хар-ка участка
6
7
21 %
от 60 до 80 кв.км.
51 %
до 60 кв.км.
Данные в столбцах 2, 3 получены с сайта Федеральной службы государственной статистики по состоянию на 2008 год [1]. Площади населенных пунктов (столбец 4) указаны по данным Росреестра Свердловской области. Столбцы 5, 6, 7 являются расчетными справочными величинами. Как можно заметить из таблицы, площадь 51 % населенных пунктов Свердловской области составляет не более 60 кв.км., 21 % лежит в интервале от 60 до 80 кв. км.
При этом, процент земельных участков по отношению к их общему числу делится, на примере кадастрового квартала 66:27:1102021, в следующей про-
порции: учтенный - 12 %, ранее учтенный - 81 %, временный - 1 %. Сведения об участках приведены в табл. 2.
Таблица 2
Статус каждого земельного участка в пределах кадастрового квартала 66:27:1102021
№ кад. ста- № кад. ста- № кад. ста- № кад. ста-
п/п но- тус п/п но- тус п/п но- тус п/п но- тус
мер. мер. мер. мер.
уч. уч. уч. уч.
1 527 ВР 22 565 У 43 79 РУ 64 56 РУ
2 530 ВР 23 59 РУ 44 78 РУ 65 84 РУ
3 531 ВР 24 42 РУ 45 48 РУ 66 8 РУ
4 62 РУ 25 60 РУ 46 21 РУ 67 162 У
5 161 У 26 2 РУ 47 76 РУ 68 37 РУ
6 16 РУ 27 70 РУ 48 77 РУ 69 75 РУ
7 63 РУ 28 85 РУ 49 158 У 70 50 РУ
8 64 РУ 29 30 РУ 50 87 У 71 82 РУ
9 34 РУ 30 31 РУ 51 573 У 72 9 РУ
10 57 РУ 31 23 РУ 52 13 РУ 73 61 РУ
11 71 РУ 32 28 РУ 53 157 У 74 12 РУ
12 58 РУ 33 51 РУ 54 18 РУ 75 7 РУ
13 52 РУ 34 27 РУ 55 159 У 76 29 РУ
14 55 РУ 35 68 РУ 56 17 РУ 77 4 РУ
15 32 РУ 36 41 РУ 57 20 РУ 78 14 РУ
16 33 РУ 37 39 РУ 58 156 У 79 74 РУ
17 66 РУ 38 69 РУ 59 572 ВР 80 81 РУ
18 188 РУ 39 27 РУ 60 19 РУ 81 73 РУ
19 535 У 40 36 РУ 61 26 РУ 82 72 РУ
20 65 РУ 41 89 РУ 62 25 РУ 83 35 РУ
21 53 РУ 42 80 РУ 63 24 РУ
Здесь применяются сокращения: У - учтенный, РУ - ранее учтенный, ВР - временный.
Статистически показано, что определению характерных точек границ земельных участков подлежит, как минимум 40% кадастрового квартала, с условием, что каждый второй участок имеет общие границы с двумя соседними. Такая картина складывается по всей Свердловской области, а учитывая, что постановке на государственный кадастровый учет подлежат также объекты недвижимости, то появляется перспектива выполнения большого объема работ, связанных с определением координат того или иного объекта.
Методы и материалы
В связи с вышеперечисленными условиями наиболее оптимальным методом для сплошного межевания с целью уточнения границ земельных участков на территориях, относящихся к землям поселений, представляется фотограмметрический метод. Экономические показатели аэросъемочных работ достаточно подробно описаны в публикации Н. М Бабашкина [2]. Следует отметить, что средняя квадратическая погрешность местоположения характерных точек земельного участка, отнесенного к землям населенных пунктов, согласно приказу Минэкономразвития России от 01.03.2016 г № 90, составляет не более 0,1 м [3].
C целью изучения возможности проведения кадастровых работ по материалам беспилотной аэрофотосъемки был проведен эксперимент по выполнению аэрофотосъемки населенного пункта площадью 40 кв.км. с помощью БПЛА без стабилизации фотокамеры.
Характеристики проекта: разрешение 5 см с продольным перекрытием 70 % и поперечным перекрытием 60 %. Съемка выполнялась аппаратом ГЕ0СКАН-201 с помощью фотокамеры SONY DSC-RX1 с приведенным фокусным расстоянием 35 мм с высоты 300 м, БПЛА имел спутниковое оборудование для получения координат центров фотографирования. Площадь съемочного участка была разбита на 5 блоков с учетом возможности максимального нахождения в воздухе воздушного судна. В результате 2-х аэросъемочных дней были получены 7358 снимков из 179 маршрутов.
Результаты
В результате постобработки в ПО Фотоскан, а затем Фотомод были получены координаты центров и элементы внутреннего ориентирования снимков в процессе фотографирования. Не приводя всего объема данных отметим, что превышение предела углов наклона снимков по крену (ю превышает ± 3°) составило 3513 снимков, и по тангажу (ф превышает ± 3°) 660 снимков, что в процентном соотношении составляет 48 и 9 % соответственно. Третий контролируемый параметр - непараллельность базиса фотографирования стороне аэроснимка («елочка») так же превышает указанные пределы в 5° в более чем в 58 % случаев. Таким образом, в нормативном плане выполненный проект полностью противоречит ГКИНП-09-32-80 «Основные положения по аэрофотосъемке, выполняемой для создания и обновления топографических карт и планов». Тем не менее, была предпринята попытка независимо определить максимально возможную точность в процессе фотограмметрической обработки на примере одного блока снимков, полученных в результате 2-х вылетов. Схема блока выполнения аэрофотосъемки и расположение планово-высотного обоснования приведена на рисунке.
Схема блока выполнения АФС БПЛА со схемой расположения планово-высотной подготовки
Заметим, что итоговая точность фотограмметрической обработки зависит от суммы точностей данных, участвующих на всех этапах обработки. Приведем некоторые из них:
1) ошибка определения координат центров фотографирования ОКБ Б оборудованием
2) ошибка инструмента (фотокамеры), выражаемая дисторсией;
3) ошибки определения координат планово-высотных опознаков;
4) ошибки определения связующих точек смежных снимков;
5) ошибки наблюдателя (обусловлена остротой стереозрения);
6) разномасштабность снимков (отображение различной площади элемента местности в 1 пикселе снимка варьируется по кадру снимка).
Средняя квадратическая погрешность определения координат центров фотографирования в режиме дифференциальной обработки траектории относительно стационарной базовой станции составила по результатам вычислений в ПО ОгаШау Коуа1е1 от 0,02 м до 0,08 м в зависимости от конфигурации спутниковой группировки.
Применяемая фотокамера в нашем случае является наиболее распространенной в БПЛА, однако, все-таки является бытовой в том смысле, что подвержена изменениям окружающей среды - температуры, влажности и т. п. Таким образом, снимки, полученные этой камерой, являются в некотором роде уникальными, т.е. значение дисторсии каждый раз разное. В результате уравнивания блока снимков, выводятся усредненные значения коэффициентов калибровки и матрицы корреляции. Это можно увидеть в табл. 3, где приведены ус-
редненные показатели дисторсии, полученные в ПО Фотоскан для двух вылетов, выполненных в один день.
Таблица 3
Коэффициенты калибровки камеры
вылет 1 вылет 2
Значение Ошибка Значение Ошибка
Б 5686,41 0,035 5688,47 0,035
Сх 33,4462 0,015 34,0427 0,014
Су -3,38108 0,014 -2,55564 0,013
В1 1,65186 0,0028 1,26023 0,0025
В2 0,673798 0,0028 0,901505 0,0026
К1 -0,0502995 - -0,0499209 -
К2 0,47955 0,00043 0,475598 0,0004
К3 -1,73492 0,0017 -1,72035 0,0016
К4 2,16248 0,0023 2,13011 0,0021
Р1 0,0006861 - 0,00067652 -
Р2 0,00080036 - 0,000878437 -
Р3 -0,70106 0,012 -0,645247 0,011
Р4 1,32713 0,027 0,974585 0,025
Ошибки определения планово-высотных опознаков при помощи спутникового оборудования зависят от самого оборудования и удаленности от базовой станции. В нашем случае точность после постобработки не превышала 0.03 м в плане и 0.08 см по высоте.
Приведем итоговую табл. 4 результатов фотограмметрического уравнивания блока, где влияние вышеназванных факторов, представляются в виде средних и максимальных ошибок по связующим точкам, а также разностью между координатами контрольных опознаков, полученными при полевых измерениях и полученных фотограмметрически.
Таблица 4
Характеристика сгущения
Тип точек Количество точек Средние ошибки в плане, м Максим. ошибки в плане, м Количество точек Средние ошибки по высоте, м Максим. ошибки по высоте, м
Опорные 10 0,096 0,14 10 0,23 0,32
Контрольные 26 0,083 0,15 26 0,67 0,86
Опорные центры проекции 3080 0,04 0,15 3080 0,04 0,19
Контрольные центры проекции 1 0,26 0,26 1 0,05 0,05
Общие 10354030 0,05 0,20 10354030 0,12 0,50
Обсуждение
Как можно заметить в табл. 4, итоговые характеристики являются предельными для использования материалов данного проекта с целью сплошного межевания категории земель населенных пунктов. Тем не менее, все большее количество проектов реализуется для выполнения кадастровых работ. Наиболее глубоким заблуждением, которое некоторые компании используют в качестве аргумента для обоснования таких работ, является пункт 12 приказа Минэкономразвития России от 01.03.2016 г. № 90, который величину средней квадра-тической погрешности местоположения принимает равной 0,0005 метра в масштабе аэроснимка, когда масштаб аэроснимка принимают равным 1:200. Это утверждение является крайне ошибочным и может не соответствовать требованиям точности определения характерных точек границ земельного участка равным 0,1 м.
Заключение
Исходя из текста публикации заметим, что фотограмметрический метод является оптимальным для выполнения кадастровых работ на городских территориях в Свердловской области, что отмечено в статье Чернышовой К.С. [4]. Однако, для верного его применения, необходимо разработать и внедрить четко описанные требования к параметрам аэрофотосъемки с помощью БПЛА, точности, количеству и расположению планово-высотной привязки и т.п. Только в таком случае возникнет однозначная интерпретация результатов и единые требования к методам выполнения работ, требования к аэросъемочным БПЛА, как средству измерений, объему необходимых полевых измерений и прочее. Таким документом должен являться ГКИНП (Геодезические, картографические инструкции, нормы и правила) либо ГОСТ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Федеральная служба государственной статистики [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gks.ru/bgd/reg1/b08_14t/IssWWW.exe/Stg/ur/03-00.htm (дата обращения: 20.01.2018)
2. Бабашкин Н.М., Кадничанский С.А., Нехин С.С. Сравнение эффективности аэрофототопографической съемки с использованием беспилотных и пилотируемых авиационных систем // Геопрофи. — 2017. — № 1. — С. 14-19.
3. Приказ министерство экономического развития Российской Федерации от 01.03.2016 № 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)
4. Чернышева К. С., Попов А. М. Выполнение комплексных кадастровых работ для уточнения местоположения границ земельных участков на основе сведений, полученных с использованием беспилотных летательных аппаратов [Электронный ресурс] / К. С. Черны-
шева, А. М. Попов // ФГБОУ ВО Тюменский нефтегазовый университет - Режим доступа : https://roscadastre.ru/html/IV_Sezd/d3_ks3_Popov.pdf (дата обращения : 13.02.2018).
REFERENCES
1. Federal Service of State Statistics [Electronic resource]. - Access mode: http://www.gks.ru/bgd/regl/b08_14t/IssWWW.exe/Stg/ur/03-00.htm (date of request : 20.01.2018)
2. Babashkin NM, Kadnichansky SA, Nekhin S.S. (2017) Comparison of the efficiency of aerial phototopographic survey using unmanned and manned aircraft systems. GeoProfi [GeoProfi], 1, 14-19 [in Russian].
3. Order of the Ministry of Economic Development of the Russian Federation No. 90 of 01.03.2016 (On the approval of the accuracy requirements and methods for determining the coordinates of the characteristic points of the boundaries of the land plot, the requirements for accuracy and methods for determining the coordinates of the characteristic points of the contour of the building, construction or the object of unfinished construction on the land plot, as well as requirements for determining the area of the building)
4. Chernysheva K.S., Popov A.M. Implementation of complex cadastral work for the specification of the location of the boundaries of land plots on the basis of information obtained using UAV. Tyumen Oil and Gas University [Electronic resource]. - Access mode: https://roscadastre.ru/html/IV_Sezd/d3_ks3_Popov.pdf (date of request : 20.01.2018) [in Russian].
© А. М. Пация, 2018
