CC BY
89
УДК 629.783:528.44
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ АВИАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ НЕДВИЖИМОСТИ
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
Современное состояние Единого государственного реестра недвижимости отличает повышение требований к точности, актуальности и оперативности внесения сведений об объектах недвижимости. Выполнение этих требований возможно с использованием фотограмметрических моделей объектов недвижимости (зданий, строений, объектов незавершенного строительства), полученных с использованием существующих технических и программных средств.
Целью исследования является оценка возможности применения беспилотных авиационных систем (БАС) для моделирования объектов недвижимости.
Исследование носит экспериментальный характер. В ходе эксперимента на примере 9-этажного жилого строения построена фотограмметрическая модель по материалам аэрофотосъемки (АФС) с использованием БАС вертолетного типа DJI Phantom 4.
Выполнена оценка точности построения фотограмметрической модели по материалам плановой и перспективной АФС, полученным с применением БАС. Точность построенной модели отвечает требованиям Единого государственного реестра недвижимости в части определения координат характерных точек конструктивных элементов зданий, строений, объектов незавершенного строительства.
Для повышения точности и информативности фотограмметрических моделей объектов недвижимости целесообразно дополнительно к плановой выполнять перспективную АФС. В результате совместной фотограмметрической обработки материалов плановой и перспективной АФС обеспечивается равномерность и детальность плотного массива точек, используемого в дальнейшем для моделирования объекта недвижимости.
Ключевые слова: беспилотная авиационная система (БАС), фотограмметрическая обработка, фотограмметрическая 3D-модель объекта недвижимости, плановая аэрофотосъемка, перспективная аэрофотосъемка, плотный массив точек, оценка точности.
Введение
В соответствии с федеральной целевой программой «Развитие единой государственной системы регистрации прав и кадастрового учета недвижимости (2014-2020 г.)» [1] и Распоряжением Правительства РФ от 31.01.2017 № 147-р [2], одной из задач государственного кадастра недвижимости является оперативное получение информации, необходимой для постановки земельных участков и объектов недвижимости на государственный кадастровый учет, а также уточнение их местоположения.
Существенная часть объектов недвижимости в крупных городах представляет собой здания, строения, объекты незавершенного строительства со сложной разноэтажной конфигурацией. Для постановки таких объектов или их час-
тей на кадастровый учет, особенно для кадастровой оценки, необходимо иметь точные сведения о местоположении конструктивных элементов, их состоянии и виде использования. Определение значений указанных параметров возможно при помощи фотограмметрических ЭБ-моделей зданий, строений, объектов незавершенного строительства.
Задача моделирования объектов недвижимости в современных условиях наиболее эффективно решается с применением БАС и методов цифровой фотограмметрии [3-7]. Современные цифровые фотограмметрические системы благодаря автоматизации наиболее трудоемких процессов позволяют в короткие сроки (в течение 1-2 дней) получить исходную основу, по точности и детальности отвечающую требованиям [8] и нормативно-техническим документам, определяющим процесс постановки земельных участков и объектов недвижимости на государственный кадастровый учет.
Методы и материалы
Одним из методов оперативного получения информации о земельных участках и моделирования объектов недвижимости является фотограмметрический метод, который подразумевает использование материалов АФС. В результате фотограмметрической обработки материалов АФС получают стереомодели, плотные массивы точек и ортофотопланы. Все три вида продукции могут служить источником для определения координат характерных точек объектов недвижимости.
Каждый из перечисленных видов продукции обладает преимуществами и недостатками.
Стереомодели позволяют получить визуальное представление о пространственном положении объекта и взаимном расположении его конструктивных элементов, определить пространственные координаты любой точки. Однако для работы с ними необходимо иметь специализированное программное обеспечение и обладать достаточной остротой стереозрения. При этом точность определения характерных точек, хоть и в незначительной степени, будет зависеть от индивидуальных особенностей оператора - остроты стереозрения.
Ортофотопланы представляют собой сплошное ортотрансформированное 2Б-изображение участка местности, полученное по плановым космо- или аэрофотоснимкам, с учетом поправок за рельеф и наклон снимков. Они удобны для применения, могут быть загружены в распространенные геоинформационные системы (ГИС). В то же время, ортофотопланы обладают существенным недостатком: они не позволяют оператору сменить ракурс и содержат лишь косвенные признаки о высоте объектов. Следовательно, при использовании ортофото-планов у оператора недостаточно информации о взаимном пространственном расположении конструктивных элементов зданий, строений, объектов незавершенного строительства. Кроме того, на аэрофотоснимках застроенных территорий с преобладанием высотных строений часть характерных точек объектов недвижимости не видна из-за «завалов» строений, деревьев, плотных теней и т. п. [9].
Наиболее удобными, с точки зрения использования, являются плотные массивы точек, поскольку обладают достоинствами как стереомодели, так и ор-тофотоплана.
Плотные массивы точек являются результатом автоматической фототриангуляции. Известно, что для построения качественных (с точки зрения визуализации) плотных массивов точек необходимо, чтобы каждая точка отображалась на 3-5 снимках. При выполнении плановой АФС для вертикальных и наклонных поверхностей это требование не всегда выполнимо. Как следствие, в результате фотограмметрической обработки материалов плановой АФС плотный массив точек, отображающий вертикальные и наклонные поверхности, имеет недостаточную плотность и не позволяет оператору уверенно идентифицировать местоположение конструктивных элементов.
Восполнить этот недостаток можно путем дополнения материалов плановой АФС перспективными снимками.
Перспективной называют АФС, выполняемую при угле отклонения оптической оси съемочной камеры от вертикали более 3°.
Достоинства, присущие перспективной АФС, не обусловленные современными техническими возможностями, заключаются в следующем:
- объекты легче распознаются;
- содержится больше информации о вертикальных и наклонных элементах объекта;
- легко определяется характер пространственной протяженности и формы объектов;
- легко определяется пространственное взаимное расположение объектов и их частей.
Применительно к съемке объектов недвижимости можно выделить следующие достоинства:
- легче определяется назначение и состояние объекта недвижимости;
- содержится больше информации о конструктивных элементах объекта недвижимости и их особенностях;
- есть возможность определения формы и протяженности конструктивных элементов объектов недвижимости;
- есть возможность определения пространственного взаимного расположения конструктивных элементов объекта недвижимости [10].
Результаты
С целью исследования возможностей применения БАС для моделирования объектов недвижимости проведен эксперимент по моделированию 9-этажного жилого строения по материалам плановой и перспективной АФС, выполненной с БАС DJI Phantom 4. Данный аппарат относится к вертолетному типу и предназначен для выполнения аэрофото- и видеосъемки на высоте до 500 м. На БАС
установлена цифровая фотокамера БЛ БСЗЗО с фокусным расстоянием 4 мм, размером кадра 4 ООО х 3 ООО пикселей, размером пикселя 1,56 х 1,56 мкм.
Плановая АФС выполнена с 8О % продольным и поперечным перекрытием. Схема расположения маршрутов и центров снимков относительно моделируемого строения приведена на рис. 1.
Перспективная АФС выполнена по линии окружности вокруг строения с углом захвата 1О° и под углом к линии горизонта около 3О°. Расстояние между центрами снимков при этом составило около 7 м. Центр окружности совпадает с центром контура моделируемого строения. Схема расположения маршрута и центров снимков относительно моделируемого строения приведена на рис. 2.
Рис. 1. Схема расположения маршрутов и центров снимков плановой аэрофотосъемки:
Рис. 2. Схема расположения маршрута и центров снимков относительно моделируемого строения:
О - центр снимка; - линия маршрута
Планирование маршрутов плановой и перспективной съемки выполнено средствами мобильного приложения Pix4D Poligon Mission. Управление БАС во время АФС выполнялось в автоматическом режиме с помощью автопилота.
Дополнительно в ручном режиме управления БАС выполнена перспективная АФС одного из фасадов строения по вертикальному маршруту на высоте от 30 до 75 м. Результаты АФС представлены в табл. 1.
Таблица 1
Описание результатов АФС
Вид АФС Количество снимков, шт. Высота, м Пространственное разрешение, см/пикс Время съемки, мин
Плановая 25 75 2,9 2
Перспективная по линии окружности 36 75 3,2 4
Перспективная по вертикальной линии 18 30-75 1,6 2
Продольный и поперечный углы наклона снимков плановой съемки не превышали 2,6°. Продольные углы наклона перспективной съемки находятся в диапазоне 25-30°, поперечные - 0,2-3,8°.
Проектирование планово-высотного обоснования (ПВО) выполнено в соответствии с [11]. Для маркировки точек ПВО использованы пластиковые диски контрастного цвета диаметром 0,2 м. В качестве контрольных точек использованы характерные точки объекта недвижимости - углы строения. Координаты контрольных точек и точек ПВО получены с помощью ГНСС-приемника Topcon Hyper SR. Средняя квадратическая ошибка определения точек ПВО составила 0,02 м. Схема расположения опорных и контрольных точек приведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема расположения опорных и контрольных точек: А - опорная точка; □ - контрольная точка
Для фотограмметрической обработки материалов АФС с БАС была выбрана программа Аgisoft PhotoScan Professional Edition (версия 1.2.0, компания Agisoft LLC, г. Санкт-Петербург), далее - Аgisoft PhotoScan [12]. Выбор данного программного обеспечения обусловлен большой степенью автоматизации в сравнении с другими цифровыми фотограмметрическими системами.
В результате фотограмметрической обработки материалов разных видов АФС и их сочетаний получены плотные массивы точек. Изображения полученных плотных массивов точек приведены на рис. 4.
Perspective 30°
Рис. 4. Изображения плотных массивов точек, полученные по материалам разных видов АФС:
а) по материалам плановой АФС; б) по материалам перспективной АФС по линии окружности; в) по материалам перспективной АФС по линии окружности и по вертикали; г) совместная обработка плановой и перспективной АФС
При автоматическом построении плотных массивов точек средствами Аgisoft Р^оБеап определено:
- для плановой съемки - около 9ОО идентичных точек на смежных снимках и около 4ОО - в зоне тройного перекрытия;
- для перспективной съемки - около 1 5ОО идентичных точек на смежных снимках и около 1 ООО - в зоне тройного перекрытия.
На следующем этапе исследований выполнена оценка точности построения фотограмметрической модели по материалам разных видов АФС и их сочетаний.
Оценка точности построения фотограмметрической модели выполнялась путем вычисления средней квадратической ошибки (СКО) определения координат опорных и контрольных точек.
Вычисление расхождений между измеренными и полученными по фотограмметрической модели значениями координат выполнялось по следующей формуле:
АХг = - ХМОД; Ау = - УМОД,
где , - значения координат ¿-й точки, полученные в результате
ГНСС-измерений;
Хмод , Умод - значения координат ¿-й точки, полученные по фотограмметрической модели.
СКО определения координат опорных и контрольных точек была рассчитана по формуле Гаусса:
I \ 2 л 2
Ъ-=1 Ах Аг=1 АУ Г~2 2
тх =^-—-Ц ту =^-т = ^АХ + Ау,
где п - количество точек; т - СКО планового положения.
Результаты оценки точности фотограмметрической модели объекта недвижимости, полученной по результатам обработки материалов указанных вариантов АФС, приведены в табл. 2.
Таблица 2
Оценка точности фотограмметрической модели объекта недвижимости
Вид АФС тх, м ту, м т, м тн, м тх, м ту, м т, м тн, м
на опорных точках на контрольных точках
Плановая О,О13 О,О21 О,О24 О,О32 О,О31 О,О45 О,О49 О,О61
Перспективная по линии окружности О,О2О О,О22 О,О3О О,О35 О,О36 О,О43 О,О48 О,О63
Плановая и перспективная О,О16 О,О23 О,О29 О,О33 О,О44 О,О31 О,О46 О,О61
Анализ полученных результатов показал, что включение материалов перспективной АФС, полученных с БАС, в процесс построения фотограмметрической 3Б-модели объекта недвижимости повышает ее информативность и обеспечивает возможность определения местоположения конструктивных элементов зданий, сооружений, объектов незавершенного строительства в составе вертикальных и наклонных поверхностей. При этом СКО определения планового положения характерных точек границ объекта недвижимости соответствует требованиям нормативных документов [8].
Применение двух видов съемки приводит к увеличению времени съемки, а увеличение количества снимков в фотограмметрическом проекте - к увеличению времени обработки. Однако для моделирования отдельных объектов недвижимости это не имеет принципиального значения ввиду небольших площадей. Таким образом, перспективная АФС в сочетании с плановой может применяться для создания фотограмметрических 3Б-моделей объектов недвижимости для целей кадастра.
Заключение
В ходе выполнения исследования были получены следующие результаты:
1) построена фотограмметрическая 3Б-модель объекта недвижимости по материалам плановой и перспективной АФС, выполненной с использованием БАС;
2) выполнено сравнение плотности и равномерности точек фотограмметрических 3Б-моделей, полученных по материалам разных видов АФС;
3) выполнена оценка точности построения фотограмметрической 3Б-модели объекта недвижимости. Оценка точности показала, что СКО определения положения характерных точек не превышает 5 см в плане и 7 см по высоте.
Благодарности
Автор выражает признательность Е. И. Авруневу, А. П. Гуку, А. В. Комиссарову, Т. А. Хлебниковой за оказанную помощь при написании данной работы, а также Сибирскому государственному университету геосистем и технологий за площадку и оборудование, предоставленные на время выполнения экспериментальной части работ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Об утверждении Концепции федеральной целевой программы «Развитие единой государственной системы регистрации прав и кадастрового учета недвижимости (2О14-2О19 годы)» [Электронный ресурс] : распоряжение Правительства РФ от 28.О6.2О13 № 11О1-р. - Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
2. Об утверждении целевых моделей упрощения процедур ведения бизнеса и повышения инвестиционной привлекательности субъектов Федерации [Электронный ресурс] : рас-
поряжение Правительства РФ от 31.01.2017 № 147-р. - Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
3. Исследование возможностей применения квадрокоптера для съемки береговой линии обводненного карьера с целью государственного кадастрового учета / И. М. Ламков, А. Ю. Чермошенцев, С. А. Арбузов, А. П. Гук // Вестник СГУГиТ. - 2016. - Вып. 4 (36). -С.200-209.
4. Костюк А. С. Особенности аэрофотосъемки со сверхлегких беспилотных летательных аппаратов // Омский научный вестник. - 2011. - № 1 (104). - С. 236-240.
5. Костюк А. С. Расчет параметров и оценка качества аэрофотосъемки с БПЛА // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск : СГГА, 2010. Т. 4, ч. 1. - С. 83-87.
6. Никитин В. Н., Семенцов А. В. Опыт построения ортофотоплана по данным крупномасштабной аэрофотосъемки, выполненной с использованием неметрической цифровой камеры // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. 1Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 1. - С. 12-17.
7. Группа компаний Геоскан. Применение БЛА при решении картографических и кадастровых задач [Электронный ресурс] : отчет. - Режим доступа: http://geoscan.ru.
8. 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 [Электронный ресурс] : приказ Минэкономразвития России от 01.03.2016 № 90. - Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
9. Алябьев А. А., Литвинцев К. А., Кобзева Е. А. Фотограмметрический метод в кадастровых работах: цифровые стереомодели и ортофотопланы // Геопрофи. - 2018. - № 2. -С. 4-8.
10. Кадничанский С. А. Цифровые перспективные аэрофотоснимки и возможности их применения в визуальных информационных системах // Геопрофи. - 2009. - № 6. - С. 42-47.
11. ГКИНП-02-033-79. Инструкция по топографической съемке в масштабах 1 : 5 000, 1 : 2 000, 1 : 1 000, 1 : 500. - М. : Недра, 1982. - 160 с.
12. Agisoft PhotoScan Professional Edition - Руководство пользователя. Версия 1.2 [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.agisoft.com/pdf/photoscan-pro_1_2_ru.pdf.
Получено 13.07.2018
© О. А. Опритова, 2018
STUDIES OF POSSIBILITIES ON USING UAS FOR REAL ESTATE MODELING
Olga A. Opritova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Head of the Siberian Training Research and Production Cartographical Center, phone: (913)940-08-97, e-mail: ooolg@yandex.ru
Modern condition of Unified State Register of Real Estate is characterized by higher requirements to accuracy, reliability and operational efficiency of inserting data about real estate objects. Carrying - out of these requirements is possible with the use of photogrammetric models of immov-
able object (buildings, constructions, work-in-progress objects), which were obtained with the use of technical program means.
The objective of research is the estimation of unmanned aerial systems (UAS) use for modeling immovable objects.
The research is experimental. The result of the experiment is 9-storeyed residential building photogrammetric model, created on the basis of aerial survey (AS) with the use of helicopter-type UAS DJI Phantom 4.
There was performed the accuracy evaluation of the photogrammetric model based on plan and perspective AS, obtained with the use of UAS. The accuracy of the created model meets the requirements of Unified State Register of Real Estate in the part of reference points coordinates determination, construction elements of buildings, constructions and work-in-progress objects.
To increase the accuracy and informative value of photogrammetric models of objects it is necessary to perform perspective AS in addition to planned one. The result of mutual photogram-metric processing of both planned and perspective AS provides uniformity and details of dense points massive, used further for modeling immovable objects.
Key words: unmanned aerial system (UAS), photogrammetric processing, photogrammetric real estate 3D-model, planned aerial photography, oblique aerial photography, dense point cloud, accuracy evaluation.
REFERENCES
1. Order of the government of the Russian Federation of June 28, 2013 No. 1101-p. On the approval of the Concept of the federal target program "Development of a unified state system of registration of rights and cadastral registration of real estate (2014-2019)". Retrieved from ConsultantPlus online database [in Russian].
2. Order of the government of the Russian Federation of January 31, 2017 No. 147-p. About claim of having a pecial purpose models ofsimplification of procedures of doing business and increase ofinvestment attractiveness of subjects of Federation. Retrieved from at http://www.static.government.ru/media/files/dplfMsmcALNGS3lkDrh6XAYscv7quKXK.pdf [in Russian].
3. Lamkov, I. M., Chermoshentsev, A. Yu., Arbuzov, S. A., & Guk, A. P. (2016). The study of the possible application of quadrocopter for shooting the coastline of the flooded quarry with the purpose of state cadastral registration. Vestnik SGUGiT [Vestnik SSUGT], 4(36), 200-209 [in Russian].
4. Kostyuk, A. S. (2011). Features aerial photographs by ultra-light unmanned aerial vehicles. Omskiy Nauchnyy Vestnik. Seriya Obshchestvo. Istoriya. Sovremennost' [The Journal Omsk Scientific Bulletin. Series Society. History. Modernity], 1(104), 236-240 [in Russian].
5. Kostyuk, A. S. (2010). Calculation of the parameters and evaluation of quality with uav aerial photography. In Sbornik materialov Geo-Sibir'-2010: T. 1 [Proceedings of GEO-Siberia 2010: Vol. 1 (pp. 83-87). Novosibirsk: SSGA Publ. [in Russian].
6. Nikitin, V. N., & Sementsov, A. V. (2013). Experience of orthophoto construction by large-scale aerial photographs taken with nonmetric digital camera. In Sbornik materialov Interekspo Geo-Sibir'-2013: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 1. Distantsionnyye metody zondirovaniya zemli i fotogrammetriya, monitoring okruzhayushchey sredy, geoekologiya [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia 2013: Internetional Scientific Conference: Vol. 1. Earth Remote Sensing and Photogrammetry, Environmental Monitoring and Geoenvironmental Ecology] (pp. 12-17). Novosibirsk: SSGA Publ. [in Russian].
7. Geoscan. (2017). Application of UAV in solving cartographic and cadastral tasks. Retrieved from at: http://geoscan.ru. [in Russian].
Вестник CTyTuT, Tom 23, № 3, 2018
8. Order of the Ministry of Economic Development RF of March 01, 2016 No. 90. Approval accuracy requirements and methods for determining the coordinates of characteristic points land boundaries, accuracy requirements and methods for determining the coordinates of characteristic points of the contour of the building, structure or object under construction on the land, and the requirements for defining the area of the building, construction and space. Retrieved from ConsultantPlus online database [in Russian].
9. Alyab'yev, A. A., Litvintsev, K. A., & Kobzeva, E. A. (2018). Photogrammetric method in cadastral works: digital stereomodels and orthophotomaps. Geoprofi [Geoprofi], 2, 4-8 [in Russian].
10. Kadnichansky, S. A. (2009). Digital Oblique Aerial Photoimages and Possibilities of their Usage in the Visual Information Systems. Geoprofi [Geoprofi], 6, 42-47 [in Russian].
11. GKINP (GNTA)-02-036-02. Instruction for photogrammetric works to create digital topographic maps and plans. (2002). Moscow: TSNIIGAIK [in Russian].
12. Agisoft PhotoScan Professional Edition. User Guide. (n. d.). Retrieved from at http://www.agisoft.com/pdf/photoscan-pro_1_2_ru.pdf [in Russian].
Received 13.07.2018
© O. A. Opritova, 2018
