Особенности аэрофотосъемки со сверхлегких беспилотных летательных аппаратов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

НАУКИ О ЗЕМЛЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (104) 2011

УДК 52S.71

А. С. КОСТЮК

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,

г. Омск

ОСОБЕННОСТИ АЭРОФОТОСЪЕМКИ СО СВЕРХЛЕГКИХ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ_______________________

В статье рассмотрены особенности выбора цифровых фотокамер и расчета параметров аэрофотосъемки, выполняемой со сверхлегких беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Изложен способ оперативной оценки качества аэрофотосъемки с БПЛА. Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, выбор цифровых фотокамер, расчет параметров аэрофотосъемки, фотограмметрическая обработка снимков.

Проведение работ по многоцелевому крупномасштабному картографированию и мониторингу территорий выполняется с помощью аэрофотосъемки. Для поддержания информации на современном уровне необходимо системное обновление уже имеющегося картографического материала. Сокращение парка самолетов, пригодных для аэрофотосъемки, отсутствие новых образцов самолетов и конкуренция со стороны космических съемочных систем сверхвысокого разрешения, — все это повышает потребность в разработке аэрофотосъемочных комплексов на базе беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). При локальном обновлении картографического материала интенсивно используемых земель целесообразно использовать сверхлегкие БПЛА массой до 5 кг [1]. Сверхлегкие БПЛА обладают высокой мобильностью и относительно низкой ценой. Областью рационального применения БПЛА является съемка населенных пунктов, площадью до 10 кв. км. Населенные пункты это наиболее активно развивающиеся территории. По данным переписи населения 2002 года в России насчитывалось 152290 сельских населенных пунктов, обновление плановых материалов которых необходимо производить один раз в пять лет. В городе Омске на протяжении последних десяти лет ведутся работы по созданию и эксплуатации аэрофотосъемочных комплексов на базе сверхлегких БПЛА.

Несмотря на всю простоту любительской съемки с БПЛА, при проведении аэрофотосъемочных работ для целей картографирования возникает ряд проблем:

— выбор аэрофотосъемочной аппаратуры;

— расчет параметров и проектирование аэрофотосъемки;

— оперативная оценка качества материалов аэрофотосъемки.

Первая задача связана с выбором аэрофотосъ-емочной аппаратуры. На сверхлегкие БПЛА возможна установка аппаратуры, не превышающей по массе 1 кг. Из одного килограмма полезной нагрузки на аэрофотосъемочное оборудование выделяется не более 0,5 кг. Цифровых фотокамер такой весовой категории на рынке достаточно много. Необходимо оптимально подобрать камеру для целей аэрофотосъемки. Наиболее важными характеристиками камер для аэрофотосъемки являются: наличие функции ручной фокусировки, физический размер матрицы, светосила объектива, разрешающая способность снимков, угол захвата и вес камеры. Паспортные характеристики современных цифровых фотокамер ведущих производителей записываются в единую таблицу (табл. 1).

Кроме паспортных характеристик, представленных в табл. 1, необходимо вычислить производительность для каждой камеры. Производительность

Таблица І

Основные характеристики цифровых фотокамер

Название фотокамеры Длина матрицы, пкс. Ширина матрицы, пкс. Длина матрицы, мм Ширина матрицы, мм 1 пиксель, мм Ф окусное расстояние, мм Светосила объектива Вес, г

Nikon P7000 3648 2736 8.0 6.0 0.0022 28 (экв.) 2.8 360

Samsung EX1 3648 2736 8.0 6.0 0.0022 24 (экв.) 1.8 356

Panasonic DMC-LX5 3648 2736 8.4 6.3 0.0023 24 (экв.) 2.0 231

Olympus E-P1 4032 3024 17.3 13 0.0043 34 (экв.) 2.8 335

Sony NEX5 4592 3056 23.4 15.6 0.0051 16 2.8 297

Canon PowerShot S95 3648 2736 8.0 6.0 0.0022 28 (экв.) 2.0 170

Samsung NX100 4592 3056 23.4 15.6 0.0051 20 2.8 282

//і л

/Сг

У/ р' я \

/ / о

d ■ соб(у - Р)

БІП у

Н =5-со8В.

тах

(1)

(2)

Для расчета расстояния между маршрутами, обеспечивающего 30 % поперечное перекрытие, по формуле (3) вычисляется половина поперечного угла

захвата камеры, где Ьп кадра:

Р" = аіссід

половина ширины

(3)

Высота полета Н определяется с учетом погрешности барометрического датчика по формуле (4):

(4)

Нпол = Ншах 20 м.

Рис. 1. Связь размера пикселя снимка с местностью:

Г — фокусное расстояние камеры в эквиваленте для 35 мм кадра;

Ь — длина половины диагонали матрицы, для 35 мм кадра она составит 21.6 мм;

Н — высота фотографирования во время АФС;

Э — длина половины диагонали снимка на местности

цифровой камеры при аэрофотосъемке выражается в необходимом количестве снимков на один квадратный километр (кв. км.) территории. Высокая производительность будет у камеры с меньшим количеством снимков на кв. км. Для расчета количества снимков на один кв.км. необходимо вычислить оптимальное расстояние между маршрутами аэрофотосъемки и центрами фотографирования (ц.ф.) на маршруте.

Расстояние между маршрутами аэрофотосъемки и ц.ф. на маршруте рассчитывается с учетом точности ГЛОНАСС/СРБ навигации и особенностей пилотирования БПЛА. Параметры удержания самолета на маршруте следующие:

— поперечное смещение от оси маршрута ±10 м;

— удержание БПЛА на запроектированной высоте ±15 м;

— расстояние от запроектированного центра фотографирования до точки срабатывания затвора фотоаппарата ±5 м;

— изменение угла крена БПЛА на маршруте между двумя снимками 10°;

— изменение угла тангажа БПЛА на маршруте между двумя снимками 6°.

Приведенные параметры полета БПЛА были получены в результате постобработки множества материалов производственной и экспериментальной аэрофотосъемки.

Для расчета производительности фотокамер необходимо получить максимально допустимую высоту фотографирования при заданном масштабе создаваемого фотоплана. Связь размера крайнего пикселя снимка с местностью показана на рис. 1. Величина крайнего пикселя снимка на местности не должна превышать 0,07 мм в масштабе создаваемого фотоплана [2]. Расчет разрешающей способности снимка следует производить для пикселей наиболее удаленных от центра кадра. Из рис. 1 следует:

Половина ширины захвата местности камерой вычисляется по формуле (5):

Э = Н • їдЬ"

пол

(5)

Расстояние между маршрутами, в идеальных условиях, получается, по формуле (6):

Ву • = 2 ■ Р7 ■ В,

(6)

где Ру=0,7, при 30 % поперечном перекрытии снимков.

Для обеспечения сплошного покрытия земной поверхности снимками необходимо учесть максимальные отклонения БПЛА от запроектированного маршрута. Минимальное значение половины ширины захвата местности во время аэрофотосъемки с учетом совокупности погрешностей навигационных данных и пилотирования летательного аппарата вычисляется по формуле (7):

Эшп=(Нпол-“І5 м)д(Р-5°)-Ш м.

(7)

Предельное отклонение между двумя маршрутами составит:

8Э = 2 (Э-Э . ).

' ШІП

(8)

Расстояние между маршрутами с учетом поперечного смещения БПЛА относительно оси маршрута, удерживания высоты полета и углов наклона камеры, вычисляется по формуле (9):

Бу = Бу, - 5Э .

(9)

Расстояние между центрами фотографирования на маршруте рассчитывается по аналогии с расстоянием между маршрутами по формуле (10) [3]:

Бх = Бх „ - Ю .

(10)

Необходимое количество снимков для покрытия территории земли площадью один квадратный километр вычисляется по формуле (11):

Ксн =

1000000 м кв.

БУ ■ Бх

(11)

Максимально допустимая высота аэрофотосъемки вычисляется по формуле (2), угол в рассчитывается исходя из величины фокусного расстояния камеры и размера кадра.

По формулам (1) — (11) для выбранных фотоаппаратов вычисляется расстояние между маршрутами аэрофотосъемки и центрами фотографирования на маршруте при создании фотопланов масштаба 1:2000 и производительность цифровых камер выраженная в количестве снимков на один квадратный километр. Результаты, полученные в ходе вычислений, приведены в табл. 2.

По параметрам цифровых фотокамер: вес камеры, светосила объектива и количество снимков на один квадратный километр выставляются баллы. Расчет баллов осуществляется по формуле (12):

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (104) 2011 НАУКИ О ЗЕМЛЕ

НАУКИ О ЗЕМЛЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (104) 2011

Параметры аэрофотосъемки с БПЛА для создания фотоплана масштаба 1:2000

Название фотокамеры Рабочая высота фотографирования, м Расстояние между маршрутами, м Расстояние между центрами фотографирования на маршруте, м Количество снимков на 1 кв. км

Nikon P7000 285 84 78 152

Samsung EX1 221 76 68 194

Panasonic DMC-LX5 221 76 68 194

Olympus E-P1 424 101 100 99

Sony NEX5 282 102 92 107

Canon PoweiShot S95 285 84 78 152

Samsung NX100 402 112 108 83

Таблица 3

Оценка основных характеристик цифровых фотокамер по десятибалльной шкале

Фотокамера Вес камеры Светосила объектива Физический размер пикселя Кол-во снимков на 1 км кв. Средний балл Шаг в баллах

Nikon P7000 0 0 0 4 0,9

1,6

Samsung EX1 0 10 0 0 2,6

1,2

Panasonic DMC-LX5 7 8 0 0 3,8

0,5

Olympus E-P1 1 0 7 9 4,3

1,0

Sony NEX5 3 0 10 8 5,3

0,2

Canon PowerShot S95 10 8 0 4 5,4

0,6

Samsung NX100 4 0 10 10 6,0

Nб.

P - P

max камеры

(Pm

■Pmin) ■ O,1

(12)

где Pmax, Ртп — максимальное и минимальное значение соответствующего параметра из выбранных

камер; Р — значение соответствующего пара*' камеры ^ ^ ±

метра для оцениваемой камеры.

Для расчета количества баллов характеризующих качество изображения, выраженное через физический размер одного пикселя матрицы, используется формула (13):

P - P .

камеры min

(Pm

'Pmin) ■ O,1

(1З)

Параметры, по которым производилась оценка фотокамер, подобраны таким образом, чтобы между ними не было взаимосвязи и они не дублировали друг друга. Результаты оценки параметров фотокамер представлены в табл. 3. По каждой камере вычисляется средний балл, который дает совокупную оценку основных несвязанных между собой параметров фотокамер. Лучшим считается фотоаппарат, получивший наибольший средний балл. По результатам оценки, лучшими для целей аэрофотосъемки

признаны камеры Бопу ЫБХ5, Сапоп PowerShot Б95 и Баш8ипд ЫХ100. Оптимизация выбора цифровой фотокамеры для целей аэрофотосъемки позволяет почти в два раза повысить производительность съемки за один полет. Это влечет за собой сокращение времени на выполнение работ и уменьшение количества посадок на неподготовленную площадку, что минимизирует вероятность поломки БПЛА. Подбор камер с учетом физико-оптических характеристик повышает качество отснятого фотоматериала.

Вторая задача связана с расчетом параметров и проектированием аэрофотосъемки. Расчет параметров аэрофотосъемки производится по формулам (1) — (10) для выбранных фотокамер. Вычисленные значения заносятся в табл. 2.

Проектирование аэрофотосъемки выполняется по вычисленным параметрам в программе построения маршрутов. Программа является приложением к ГИС МарШо и позволяет обеспечить быстрое планирование маршрутов полета (рис. 2). Для составления проекта достаточно задать параметры съемки, выделить рабочую область и указать направление маршрутов. Все параметры построения проекта сохраняются в таблицах ГИС МарШо, что позволяет редактировать маршруты непосредственно на

Рис. 2. Проект аэрофотосъемки

Ша ІРЩлвлшшшт іаїкнвК'.ІІІ

Рис. 3. Навигационная программа

объекте работ и загружать их в навигационную программу [4].

Проектирование аэрофотосъемки позволяет использовать полученные данные в навигационной программе (рис. 3). При управлении БПЛА с помощью навигационной программы, можно осуществлять полет по запроектированным маршрутам. Выполнение аэрофотосъемки по запроектированным маршрутам позволяет применять для создания ортофотопланов существующие цифровые фотограмметрические станции (ЦФС), что существенно сокращает затраты на выполнение работ и создание специализированного программного обеспечения.

Третья задача связана с оперативной оценкой качества материалов аэрофотосъемки. Для этой цели разработано и внедрено в производство программное обеспечение в виде приложения к ГИС МартЮ. Программа по данным, полученным с борта летательного аппарата в момент фотографирования, строит

Рис. 4. Построение условных рамок снимков во время аэрофотосъемки

условные рамки снимков (рис. 4), по которым оценивается покрытие заданной территории аэрофотосъемкой. Разработанная методика оценки качества аэрофотосъемки в реальном времени позволяет избежать повторных выездов на отснятые участки.

Комплексное решение проблем связанных с выбором фотокамер, расчетом параметров и оператив-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (104) 2011 НАУКИ О ЗЕМЛЕ

НАУКИ О ЗЕМЛЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (104) 2011

ной оценкой качества аэрофотосъемки позволяет использовать сверхлегкие беспилотные летательные аппараты как полнофункциональные аэрофото-съемочные комплексы.

Библиографический список

1. Скубиев, С. И. Инновационная деятельность Государственного университета по землеустройству / С. И. Скубиев // Землеустройство, кадастр и мониторинг земель. — 2009. —

№ 9. - С. 50.

2. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. — М. : Федеральная служба геодезии и картографии России, 2002. — 100 с.

3. Костюк, А. С. Расчет параметров и оценка качества аэрофотосъемки с БПЛА / А. С. Костюк // Дистанционные

методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология. Ч. 1. : сб. матер. VI Меж-дунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2010». Т. 4. — Новосибирск : СГГА, 2010. — 180 с.

4. Индустриальные геодезические системы. Специальное программное обеспечение [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://geosystems.aero/category/software (дата обращения : 25.04.11).

КОСТЮК Александр Сергеевич, аспирант кафедры

геодезии.

Адрес для переписки: e-mail: [email protected]

Статья поступила в редакцию 25.04.2011 г.

© А. С. Костюк

УДК 551-524 А. В. КАРАЕВА

И. В. КАРНАЦЕВИЧ

Омский государственный педагогический университет

ЧИСЛО СУТОК В РАЗНЫЕ ГОДЫ С ВЫСОКИМИ ЛЕТНИМИ ТЕМПЕРАТУРАМИ ВОЗДУХА НА ТЕРРИТОРИИ РОССИИ И СОПРЕДЕЛЬНЫХ СТРАН

Произведен подсчет теплых и жарких дней за каждое лето на ряде метеостанций России и сопредельных стран. Составлены графики и карты изотерм.

Ключевые слова: максимальная температура воздуха, число дней.

В различных сферах человеческой деятельности — в быту, на производстве, транспорте, изысканиях, в проектировании, строительстве и эксплуатации, в военном деле, туризме, в медицине — всюду используются и учитываются количественные данные об экстремальных температурных условиях, которые наблюдаются в данной местности.

Материалы многолетних наблюдений по 233-м метеорологическим станциям территории СССР с начала наблюдений до 2006 г., в основном за 20-й век, получены из Интернета на сайте Всероссийского НИИ гидрометеорологии (г. Обнинск) [1]. Система управления базой данных (СУБД WEATHER) разработана в 2006 — 2010 гг. Е. Б. Березиным и И. В. Карна-цевичем [2].

Максимальная температура — наибольшее значение температуры (наиболее высокая температура), зафиксированное за сутки на метеорологической станции специальным прибором — максимальным термометром. В северных областях Сибири, в условиях резко континентального климата амплитуды колебаний экстремальных температур воздуха достигают 100— 105 градусов, в республиках Средней Азии — 75 градусов. На побережьях Северного Ледовитого океана в Сибири летом иногда наблюдается максимальная температура воздуха 34 — 36 градусов [3, с. 96].

Для исследования географического распределения в разные годы числа суток с высокими летними температурами на территории России и сопредельных стран были использованы данные о температурах воздуха, полученные в результате ежесуточных измерений на 21-й метеорологической станции исследуемой территории. В табл. 1 перечислены названия этих метеостанций.

На рис. 1—4 показаны графики колебаний числа дней с максимальными дневными температурами выше 25° и выше 30°. В Омске, например, число дней с температурой выше 25 градусов составляет в некоторые холодные летние периоды всего 20 суток, а в жаркие летние месяцы — 70 — 80 суток. В Москве за 58 лет наблюдений (данные на сайте [1]) наибольшие температуры воздуха наблюдались в 1972, 1981, 1996, 1998 гг. и равнялись 35° трижды: июль, август 1972 г. и июль 1981 г. (табл. 2)

В 2010 году лето в областях Центральной России отличилось аномально жаркой погодой, когда температура в Москве 29 июля превысила все известные рекорды, составив, по данным Гидрометеобюро Москвы и Московской области, значение +38,2° (данные на сайте [4]).

Считать это значение аномальным нет никаких статистических оснований. По теории вероятностей, в тысячелетнем вариационном ряду могут наблю-