CC BY
96
УДК 528.7
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОПРОСТРАНСТВА ПО МАТЕРИАЛАМ АЭРОФОТОСЪЕМКИ
Татьяна Александровна Хлебникова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, Плахотного, 10, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры ИГиМД, тел. (913)474-19-70, e-mail: [email protected]
Ольга Анатольевна Опритова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий 630108, Россия, г. Новосибирск, Плахотного, 10, руководитель Сибирского учебного научно-производственного картографического центра, тел. (913)940-08-97, e-mail: [email protected]
В статье представлены результаты экспериментальных работ по фотограмметрической обработке материалов аэрофотосъемки различными программными продуктами для целей моделирования геопространства.
Ключевые слова: аэрофотосъемка, беспилотный летательный аппарат, фотограмметрическая обработка снимков, модель геопространства.
PILOT STUDIES OF TECHNOLOGY OF MODELLING OF GEOSPACE FOR AERIAL PHOTOGRAPHY MATERIALS
Tatyana A. Khlebnikova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plak-hotnogo St., Dr., Prof., Department of Engineering Geodesy and Mine Surveying, tel. (913)474-19-70, e-mail: [email protected]
Olga A. Opritova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plak-hotnogo St, Head of the Siberian training research and production cartographical center, tel. (913)940-08-97, e-mail: [email protected]
Results of experimental works on photogrammetric processing of materials of aerial photography by various software products for modeling of geospace are presented in article.
Key words: aerial photography, unmanned aerial vehicle, photogrammetric processing of pictures, geospace model.
В настоящее время моделирование геопространства средствами современных ГИС-технологий является одним из быстро развивающихся направлений. Это обусловлено тем, что во многих областях народного хозяйства потребность в информации о местности уже не удовлетворяется использованием только топографических карт в аналоговом и цифровом видах [1,2,3,4,5].
Для моделирования геопространства источниками служат картматериалы, материалы аэрофотосъемки, космической съемки, данные полевых съемок [1,2,3,4].
В последние годы ряд организаций начинают использовать материалы фотосъемок с беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
Аэрофотосъемка с БПЛА обладает множеством преимуществ по сравнению с получением данных с помощью космических спутников и воздушных пилотируемых аппаратов. Основные предпосылки использования материалов БПЛА - оперативность получения фотоснимков, возможность съемки с небольших высот, а также в зонах чрезвычайных ситуаций без риска для жизни и здоровья пилотов.
Известно, что аэрофотосъемка с БПЛА имеет ряд особенностей (высота съемки, скорость полета, значительные углы наклона, использование неметрических бытовых камер и другие), которые необходимо учитывать при фотограмметрической обработке для получения продукции, соответствующей требованиям нормативно-технических документов [6].
Методика обработки данных, полученных с БПЛА с учетом их особенностей, позволит специалистам различных отраслей создавать точные модели геопространства, удовлетворяющие их потребностям.
В Сибирском государственном университете геосистем и технологий (СГУГиТ) проводятся исследования в области фотограмметрической обработки данных, полученных с БПЛА, с целью моделирования геопространства.
Для проведения таких исследований выбраны цифровая фотограмметрическая система (ЦФС) PHOTOMOD (компания Ракурс, г. Москва) [7] и программа Аgisoft PhotoScan (компания Agisoft LLC, г. Санкт-Петербург) [8].
ЦФС PHOTOMOD осуществляет полный комплекс задач от сбора данных для построения сетей фототриангуляции до создания цифровых моделей рельефа и метрических трехмерных моделей [7]. С помощью данной ЦФС возможно получение пространственной информации по материалам различных съемочных систем, таких как кадровые цифровые и пленочные камеры, космические сканирующие системы, а также радары с синтезированной апертурой.
Перечень задач, решаемых с использованием этой ЦФС, обширен; их выбор зависит от потребностей конкретной производственной организации. Программное обеспечение PHOTOMOD рассчитано на операционную среду Microsoft Windows. В системе реализованы следующие основные возможности для обработки материалов дистанционного зондирования Земли:
- предварительная подготовка исходных снимков;
- внутреннее ориентирование снимков;
- взаимное ориентирование снимков;
- ввод и измерение координат опорных точек;
- внешнее ориентирование снимков;
- моновекторизация;
- стереовекторизация;
- построение ЦМР;
- создание ортофотоплана;
- создание цифровой карты местности;
- построение трехмерной модели городской застройки [7].
Следует отметить, что компания «Ракурс» 20 лет успешно работает на российском и мировом рынках геоинформатики. ЦФС PHOTOMOD является наиболее востребованной коммерческой ЦФС в России и успешно эксплуатируется в 70 странах мира [9]. По информации с сайта Компании обладает Сертификатом соответствия требованиям ГОСТ ISO 9001-2011 (ISO 9001:2008), а также имеет лицензию Федерального Космического Агентства на право осуществления космической деятельности и лицензию Федерального агентства геодезии и картографии России на осуществление геодезической и картографической деятельности [9].
Компания Agisoft LLC работает на российском рынке около 10 лет, но для создания цифровой картографической продукции (цифровые модели рельефа, трехмерные модели местности, ортофотопланы) программное обеспечение Agisoft PhotoScan используется сравнительно недавно.
Программное обеспечение Компании Agisoft LLC в большей степени ориентировано на автоматизацию процесса обработки данных, что имеет существенное значение для оперативного получения топографической информации, а также ведет к удешевлению рабочего процесса.
Программа Agisoft PhotoScan в пользовательском отношении отличается от известных ЦФС. В отзывах опытных пользователей встречаются определения этой программы - «программа нажатия одной кнопки». На самом деле это не совсем так. Безусловно, степень автоматизации высока, но для получения качественного результата, обеспечивающего точность измерений, необходимо тщательное выполнение всех требуемых настроек, а также соблюдение последовательности операций.
Для создания цифровых трехмерных моделей объектов программа Agisoft PhotoScan позволяет использовать фотоснимки, полученные любыми цифровыми фотокамерами с любых ракурсов (при условии, что каждый элемент объекта создаваемой модели виден по крайней мере с двух позиций съемки) [8].
Создание трехмерных моделей объектов в программе Agisoft PhotoScan осуществляется в четыре этапа:
- определение параметров внешнего и внутреннего ориентирования камеры;
- построение плотного облака точек;
- построение полигональной модели объекта;
- построение текстуры модели или ортофотоплана.
Результаты обработки данных каждого этапа используются в последующих этапах, а также могут быть экспортированы в обменный формат данных для использования во внешних программах.
Программное обеспечение Agisoft PhotoScan может функционировать в операционных системах Windows XP или более поздних (64 бит), Mac OS X Snow Leopard или более поздних, Debian / Ubuntu (64 бит) [8].
Использование программы Agisoft PhotoScan для обработки данных, полученных с беспилотных летательных аппаратов в СГУГиТ началось сравнитель-
но недавно. Поэтому первые эксперименты было решено провести на материалах, которые ранее были обработаны в ЦФС PHOTOMOD.
Экспериментальные исследования выполнялись на производственных материалах одного маршрута аэрофотосъемки с характеристиками: масштабы залета - 1:6000, фокусное расстояние АФА - 99,829 мм, формат кадра 18x18 см.
Территория объекта (Новосибирская область) представляла собой практически равнинную местность (перепад высот 8м) с разноэтажной застройкой городского и сельского типов, с луговыми массивами, небольшими лесными участками.
Исследования включали следующие этапы:
- создание проекта;
- сгущение опорных данных с использованием результатов фотограмметрических измерений.
Анализ результатов сгущения опорных данных средствами ЦФС PHOTOMOD показал следующее:
- остаточные средние погрешности по расхождениям на опорных геодезических точках сети после внешнего ориентирования не превышали в плане -0.15м, по высоте 0,09 м; на контрольных точках в плане - 0.22м, по высоте -0,17 м;
- остаточные средние погрешности по расхождениям на связующих точках (между стереопарами) не превышали в плане - 0.30м, по высоте - 0,44 м.
Точность фотограмметрического сгущения средствами ЦФС PHOTOMOD соответствовала требованиям нормативного документа [10].
Автоматическая обработка аэрофотоснимков этого же маршрута в программе Agisoft PhotoScan выполнено в нескольких вариантах использования опорных и контрольных точек (маркеров). В результате этой обработки получено разреженное облако точек в трехмерном пространстве.
Анализ результатов расхождений координат и высот на опорных точках Agisoft PhotoScan показал следующее:
- остаточные средние погрешности по расхождениям на опорных геодезических точках сети после ориентирования не превышали в плане - 0.15, по высоте 0.12 м; максимальные погрешности на контрольных точках в плане -0.48м, по высоте - 0,54 м.
Точность полученной цифровой модели (облака точек) по выбранным материалам аэрофотосъемки средствами Agisoft PhotoScan также соответствует требованиям нормативного документа [10].
По результатам проведенных экспериментов можно сделать вывод, что при соблюдении правильности установки начальных параметров и последовательности выполнения операций средствами Agisoft PhotoScan возможно создание измерительной трехмерной модели геопространства для целей проектирования, оценки и расчета метрических параметров объектов.
Дальнейшие исследования планируется выполнять на выбранных ЦФС по материалам БПЛА для последующего моделирования геопространства.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Журкин И. Г., Хлебникова Т. А. Цифровое моделирование измерительных трехмерных видеосцен: монография. - Новосибирск: СГГА, 2012. - 246 с.
2. Хлебникова Т. А. Анализ методов создания трехмерных моделей объектов в ЦФС и ГИС // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 2. - С. 157-162.
3. Антипов И. Т., Хлебникова Т. А. О достоверности вероятностной оценки точности пространственной аналитической фототриангуляции // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск : СГГА, 2011. Т. 4. - С. 47-54.
4. Хлебникова Т. А., Кулик Е. Н. Результаты экспериментальных исследований технологии получения измерительной трехмерной видеосцены по материалам аэрокосмических съемок // Вестник СГГА. - 2010. - Вып. 1(12). - С. 74-82.
5. Антипов И. Т., Хлебникова Т. А. Исследование вероятностной оценки точности пространственной аналитической фототриангуляции // Вестник СГГА. - 2011. - Вып. 2 (15). -С. 50-57.
6. Антипов И. Т., Кобзева Е. А. Об использовании цифровых средне- и малоформатных камер для аэрофотосъемки // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск : СГГА, 2011. Т. 4. -С. 17-27.
7. PHOTOMOD - Руководство пользователя. Версия 5.3 [Электронный ресурс] - Москва: Ракурс. - 2014. - 181 с. - 1 электр. опт. диск (DVD+R).
8. Agisoft PhotoScan Professional Edition - Руководство пользователя. Версия 1.2 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.agisoft.com/pdf/photoscan-pro_1_2_ru.pdf.
9. Сайт компании «Ракурс». [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.racurs.ru/.
10. ГКИНП (ГНТА)-02-036-02. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. - М.: ЦНИИГАиК. - 2002. - 100 с.
© Т. А. Хлебникова, О. А. Опритова, 2016
