CC BY
61
УДК 528.7
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОЧНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПО МАТЕРИАЛАМ БПЛА
Татьяна Александровна Хлебникова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор, тел. (913)474-19-70, e-mail: t.a.hlebnikova@ssga.ru
Ольга Анатольевна Опритова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, руководитель Сибирского учебного научно-производственного картографического центра, тел. (913)940-08-97, e-mail: ooolg@yandex.ru
Сымбат Муратовна Аубакирова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, тел. (913)388-34-86, e-mail: simona5-86@mail.ru
Интенсивное развитие беспилотных авиационных технологий и современный уровень цифровой фотограмметрии сделали возможным получение пространственных данных на интересующие территории в короткие сроки. Используемое программное обеспечение все более ориентировано на автоматизацию процессов обработки. В статье представлены результаты экспериментальных работ по исследованию точности построения фотограмметрической модели по материалам, полученным с беспилотного летательного аппарата.
Ключевые слова: аэрофотосъемка, беспилотный летательный аппарат, фотограмметрическая обработка снимков, фотограмметрическая модель, оценка точности.
EXPERIMENTAL STUDIES OF PHOTOGRAMMETRIC MODEL ACCURACY BY UAV
Tatyana A. Khlebnikova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, D. Sc., Professor, phone: (913)474-19-70, e-mail: t.a.hlebnikova@ssga.ru
Olga A. Opritova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Head of Siberian Training Research and Production Cartographical Center, phone: (913)940-08-97, e-mail: ooolg@yandex.ru
Simbat M. Aubakirova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D. Student, phone: (913)388-34-86, e-mail: simona5-86@mail.ru
The intensive development of unmanned aerial technologies and current level of digital pho-togrammetry allowed obtaining spatial data on the territories of interest within a short time. The used software is focused on automation of processing. This paper presents results of researches of photogrammetric model accuracy by UAV.
Key words: aerial photography, unmanned aerial system, photogrammetric processing, pho-togrammetric model, accuracy evaluation.
Для исследователей, использующих современное ПО ГИС для геоинформационного анализа, стало обыденным оперирование детальными цифровыми моделями объектов и явлений глобального характера и простирания [1]. В этом случае метрические измерения на местности заменяются измерениями по ее цифровой модели - модели геопространства.
В то же время интенсивное развитие беспилотных авиационных технологий и современный уровень цифровой фотограмметрии сделали возможным получение пространственных данных на интересующие участки территорий в максимально короткие сроки. Результаты фотограмметрической обработки аэрофотосъемки с БПЛА в виде различных цифровых продуктов (ортофотопла-ны, плотные модели, полигональные модели, ЦМР) используются для построения модели геопространства. Последняя в свою очередь используется как для мониторинга состояния различных природных и естественных объектов, так и для целей, требующих обеспечения регламентированной точности - создания цифровых топографических планов крупного масштаба, подготовки проектов межевания, землеустроительных дел на земельные участки т. п.
В этой связи особенно важным представляется соблюдение требований к точности промежуточных результатов на всех этапах обработки фотоснимков и получения конечного цифрового продукта для моделирования геопространства.
В настоящее время ряд организаций выполняют аэросъемку с БПЛА [2-8]. Для обработки материалов такой съемки используют программу Аgisoft PhotoScan Professional Edition компании Agisoft LLC[9]. Однако сведений о точностных характеристиках результатов обработки крайне мало.
В этой связи нами ставилось целью исследование точности фотограмметрической обработки материалов аэрофотосъемки с БПЛА двух вариантов опорных данных: с использованием центров проектирования фотоснимков и опорных точек. Оценка качества обработки по каждому варианту осуществлялась по контрольным точкам.
Материалы, рассматриваемые в данной статье представляют собой продолжение работ, опубликованных в [10-12].
Для проведения исследований выбрана программа Аgisoft PhotoScan Professional Edition (версия 1.2.0, компания Agisoft LLC, г. Санкт-Петербург), далее Аgisoft PhotoScan.
Программное обеспечение Аgisoft PhotoScan, по нашему мнению, 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 [10].
Программа Agisoft PhotoScan в пользовательском отношении отличается от известных ЦФС. В отзывах опытных пользователей встречается определение этой программы - «программа нажатия одной кнопки». На самом деле это не совсем так. Безусловно, степень автоматизации высока, но для получения качественного конечного продукта, обеспечивающего точность измерений, необхо-
дим тщательный подбор параметров обработки, а также соблюдение последовательности операций обработки.
Создание трехмерных моделей объектов в Agisoft PhotoScan осуществляется в четыре этапа:
- выравнивание снимков (по терминологии документации программы);
- построение плотного облака точек;
- построение полигональной модели объекта;
- построение текстуры модели или ортофотоплана.
Результаты обработки каждого этапа используются в последующих этапах, а также могут быть экспортированы в обменный формат данных для использования в других программах.
В данной статье приведены результаты оценки точности построения фотограмметрической модели, полученной по результатам аэрофотосъемки с БПЛА Supercam S350. Данный БПЛА относится к самолетному типу с размахом крыла 3,2 м и предназначен для выполнения панорамной и плановой аэрофотосъемки и видеосъемки на высоте от 50 до 500 м, развивает скорость полета от 65 до 120 км/ч. Допустимый вес полезной нагрузки может достигать 2,5 кг. На БПЛА была установлена цифровая фотокамера Sony, ILCE-6000 с фокусным расстоянием 20 мм и размером кадра 4 000 х 6 000 пикселей.
Аэрофотосъемка выполнена на высоте около 280 м, полученное пространственное разрешение фотоснимков составило 5 см/пиксель.
Территория съемки - равнинная, плотно застроенная, площадь съемки -0,44 км . Обработка и оценка точности выполнена по 66 фотоснимкам, входящим в 3 маршрута залета.
На рис. 1 приведена схема расположения снимков, центров проектирования в момент съемки и контрольных точек.
Значения средних (v) и средних квадратических погрешностей (m) координат и высот центров проектирования, а также контрольных точек приведены в таблице.
Результаты оценки точности фотограмметрической модели, полученной с использованием центров проектирования
Число снимков n, погрешности v, m WGS-84 Местная система координат
X (м) Y (м) XY (м) H (м) X (м) Y (м) XY (м) H (м)
n (центры) 66
v 0,12 0,08 0,16 0,16 0,10 0,22 0,26 0,26
m 0,15 0,10 0,17 0,19 0,13 0,34 0,37 0,32
^контрольные) 7
v - - - - 0,70 0,72 1,12 0,92
m - - - - 0,85 0,86 1,21 1,05
Рис. 1. Схема расположения снимков, центров проектирования в момент съемки и контрольных точек
Кроме того, выполнено фотограмметрическое сгущение с использованием опорных и контрольных точек. Координаты опорных точек определены по инженерно-топографическим планам масштаба 1:500 с точностью 0,1 м. В качестве опорных и контрольных точек преимущественно использованы центры смотровых колодцев подземных коммуникаций.
Фотограмметрическое сгущение выполнено в двух вариантах расположения опорных и контрольных точек. Результаты будут опубликованы позже.
Необходимо отметить, что терминология и результаты уравнивания в виде расхождений по осям координат и высот, помещаемые в протокол Аgisoft PhotoScan, требуют дополнительных вычислений для сопоставления полученных результатов с допусками действующей инструкции [13].
В результате исследований сделаны следующие выводы: Программное обеспечение Agisoft РИо1оБсап позволило получить по выбранным материалам аэрофотосъемки цифровую модель (облако точек) (рис. 2), пригодную для создания трехмерных моделей геопространства.
Рис. 2. Цифровая модель, полученная по материалам аэрофотосъемки
Для получения измерительных трехмерных моделей необходимо при обработке БПЛА использовать плановые координаты и высоты контрольных точек. Последние позволят судить о точности и пригодности полученной модели для измерительных целей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Обиденко В. И., Опритова О. А. Об определении метрических параметров больших по площади территорий средствами программного обеспечения геоинформационных систем // Геодезия и картография. - 2016. - Вып. 3. - С. 41-49.
2. Шевня М. С. Использование беспилотных летательных аппаратов для получения материалов дистанционного зондирования Земли // Геодезия и картография. - 2013. - Вып. 1. -С. 44-50.
3. Барбасов В. К., Гаврюшин Н. М., Дрыга Д. О., Батаев М. С. Использование многороторных БПЛА для целей ДЗЗ // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2013. -№ 5. - С. 122-126.
4. Желтов С.Ю., Михайлов А.П., Блохинов Ю.Б., Скрябин С.В., Скрыпицина Т.Н. Построение трехмерной модели гиперболической башни Шухова по материалам стереофотограмметрической съемки // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2015. -№ 1. - С. 53-58.
5. Gra9a N., Mitishita E., Gon9alves J. Photogrammetric mapping using unmanned aerial vehicle // The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XL-1, 2014 / ISPRS Technical Commission I Symposium, 17 - 20 November 2014, Denver, Colorado, USA, Pages 129-133.
6. Gandor F., Rehak M., Skaloud J. Photogrammetricmission planner for RPAS // The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XL-1/W4, 2015 International Conference on Unmanned Aerial Vehicles in Geomatics, 30 Aug-02 Sep 2015, Toronto, Canada. Pages 61-65.
7. Mah S. B., Cryderman C. S. Implementation of an unmanned aerial vehicle system for large scale mapping // The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XL-1/W4, 2015. International Conference on Unmanned Aerial Vehicles in Geomatics, 30 Aug-02 Sep 2015, Toronto, Canada. Pages 47-54.
8. Dayamit O.M., Pedro M.F., Ernestoa R.R., FernandoaB.L. Digital elevation model from non-metric camera in UAS compared with lidar technology // The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XL-1/W4, 2015. International Conference on Unmanned Aerial Vehicles in Geomatics, 30 Aug-02 Sep 2015, Toronto, Canada, Pages 411-413.
9. Agisoft PhotoScan Professional Edition - Руководство пользователя. Версия 1.2 [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.agisoft.com/pdf/photoscan-pro_1_2_ru.pdf.
10. Хлебникова Т. А., Опритова О. А. Экспериментальные исследования технологии моделирования геопространства по материалам аэрофотосъемки // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 1. -C. 16-20.
11. Хлебникова Т. А., Опритова О. А. Экспериментальные исследования современных программных продуктов для моделирования геопространства // Вестник СГУГиТ. - 2017. -Т. 22, № 1. - С. 119-131.
12. Хлебникова Т. А., Опритова О. А. Экспериментальные исследования современных программных продуктов для моделирования геопространства по материалам БПЛА // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2017. XIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 17-21 апреля 2017 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2017. Т. 1. - С. 3-6.
13. 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, С. М. Аубакирова, 2018
