CC BY
46
Н.А. Пархоменко, К.В. Зятьков. Создание 3D модели участка автомобильной дороги с использованием беспилотных летательных аппаратов // Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. - 2022. - № 2 (29) апрель -июнь - URL http://e-joumal.omgau.ru/images/issues/2022/2/01002.pdf. - ISSN 2413-4066
Научная статья УДК 528.715:625.72
Создание 3D модели участка автомобильной дороги с использованием беспилотных летательных аппаратов
Н.А. Пархоменко, К.В. Зятьков
Омский государственных аграрный университет имени П.А Столыпина, Омск, Россия
Аннотация: В статье рассмотрены вопросы применения беспилотных летательных аппаратов для создания 3D-моделей участков автомобильных дорог. Решение данных вопросов способствует развитию научно-методических и технических основ создания технологий проектирования, строительства и эксплуатации дорожных комплексов.
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат (БПЛА), картографическая аэрофотосъемка, 3D-модель
Original article
Creation of a 3D model of a road section using unmanned combat aerial vehicles N.A. Parkhomenko, K.V. Zyatkov
Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Omsk, Russia
Annotation: The article deals with the use of unmanned aerial vehicles to create 3D models of road sections. The solution of these issues contributes to the development of scientific, methodological and technical foundations for creating technologies for the design, construction and operation of road complexes.
Keywords: unmanned aerial vehicle (UAV), cartographic aerial photography, 3D model
На данный момент строительство и мониторинг дорог является важной задачей, для решения которой используются современные технологии [1]. В последнее время при проектировании и строительстве дорог активно используются БПЛА. Данные полученные в результате работы БПЛА (снимки) позволяют создавать 3D модели автомобильных дорог для визуального анализа, мониторинга деформацией и проектирования.
Обзорная информация источника [2] указывает на возможность оперативного решения следующих задач:
- выполнение геодезических изысканий при строительстве объектов;
® Н.А. Пархоменко, К.В. Зятьков
- сбора информации для принятия оперативных решений;
- регулярного мониторинга объектов.
Результаты обработки полученной информации позволяют создавать 3D модели исследуемых объектов, технология создания которых состоит из следующих этапов:
- выполнение аэрофотосъёмки объекта при помощи БПЛА или определение координат центров фотографирования ГНСС оборудованием создание 3D моделей на местности с параллельной привязкой к пунктам ГГС с использованием GPS;
- анализ полученной модели.
При выполнении геодезических работ с использованием БПЛА, можно выделить положительные моменты. Данная технология позволяет добиваться высокой точности при решении практических задач (2-4 см в плане и 10 см по высоте). Процесс аэрофотосъёмки и обработки материалов полностью автоматизирован. На основании данных источник [3].Можно сказать, что себестоимость такого вида работ ниже, в сравнении с выполнением полевых работ в геодезической практике.
Основным оборудованием для выполнения данного вида работ являются беспилотные летательные аппараты - летательный аппарат без экипажа на борту, например, от фирм "Геоскан" (Рис. 1,2) или же "Dji". Полученные данные с любого БПЛА обрабатываются в программе Photoscan [4]. Она автоматически прорабатывает данные аэрофотосъёмки и позволяет получать 3D модели местности, и производные продукты геодезических работ, к которым относятся: аэрофотопланы, планы, цифровые модели местности.
При выполнении съёмки под реконструкцию участка автомобильной дороги к населенному пункту, расположенному на юге Омской области, длиной тринадцать километров потребовалось пять дней и четыре исполнителя. На выполнение того же объёма работ с помощью систем БПЛА ушло в два раза меньше дней и меньшее количество специалистов. Без использования технологий БПЛА для создания 3D моделей под строительство дороги пришлось бы выполнять геодезические полевые работы, определять координаты характерных точек ситуации и рельефа, составлять абрис, кодировать значение каждой снятой точки. С использованием БПЛА технологий появилась возможность сразу получать 3D модель территории, пропуская трудоёмкие и денежно затратные полевые работы.
Так же данная технология имеет ряд других преимуществ:
- возможность проводить съёмки на труднодоступных территориях;
- получение детальной модели, на основании качественно выполненных снимков;
- результатом выполненной работы является текстурированная поверхность объекта вместо облака точек [5].
J
Рис. 1. БПЛА Геоскан 101 Рис. 2. Квадрокоптер Геоскан Gemini
Анализируемая технология имеет ряд минусов. В первую очередь присутствие на местности высокой густой травы искажает информацию о высоте дорожного откоса. Работа БПЛА определяется энергоёмкостью его аккумулятора. Заряда батареи квадрокоптера хватает на 30-35 минутный полёт, увеличение времени полёта требует замены батареи или подзарядки. Кроме того, при неблагоприятных природных условиях в виде сильных порывов ветра, выпадении осадков, затрудняется или же полностью блокируется работа БПЛА.
Для обработки данных с БПЛА при создании 3D модели местности в Photoscan выполняются следующие действия:
Импортирование фотографий в программу.
После добавления фотоснимков в проект указываются координаты (широта, долгота, высота или XYZ в случае локальных координат). Также добавляются данные об углах положения камеры в момент съемки, если они имеются (Рис. 3).
ILf.;пйрт LLfH Г| ■ ■1Г ф|Ж|ГЦаф|1111Щ.1ИII я/< 1Г11 i(L5Ji1
н
о
iJHJUpi,
I i OSCWMIjflfl
3 .1 CiiCMS^jCg D ? ОвОКИЭД
'2 ' PKOMSJ.jw : !
3 ■' ЗК0МВДЛЧ
: 1 D5C06BST.j(4
: J окзеаодад ~ .i DSi06ES9.jcs 3 -L DSCdMMLip?
3 -i £KC06M!jpg
1Л Н 0Ш .
iKHbf.. ¡-l'po'b
KM
■Ллсиллйнм* ЛМч РДГС-qpi w 1 Й ;
li
Ferspoctw
3 Лмгнврт CSV
С11СТЕШ HCCCV^WT
Углы ГЧвОрОТа:
□
Рад с л intra,
О Тйбулвдн*
О Тачка с тлпятоЙ J3yrrap
Hid дли чемув * про« ге ■ ш гему »Очщннл i
Кгр- Т«1|ГЯНг KJi J
Столбцы
VHOIWFTE рл =fli nil rt'il li IMKinV столбцами Г ГтПМОМ -J| .1111 к'
" 553
lf£*r£TL МИГ'у;-' Си iTOWRH! J
■] ■ □ Точшстъ
э :
г *
Q Vfmj
ED ^ИЧНЬСТь
ЛрК- ■
: п
□ &ГЩТ« t
ум.ипшкоопепаи*
Щ|«^Д||М-Ч-|'-1 ii 1.i.n'.»ЦпМнШ r |,LMI>.l
Змнгли: 6t»
н«|)>«( V X г -
'ILVT1* Li;iludrA longitudf/X V» pildi yjt
OSCCiSei.jsg SJSbeSiii ¡UCSlJijJJ аящ liJ.li Hi 1
QSCOSSM.« S!«JO.S44 22«1S4A3! uua -iM 1
оккзез^м шит int. rt S.H
77 ЙИЯИ^Т г», oti -ЛЛЗ Щ 1
oscMses^ U7.W -ill 4A л
□scossee^i ¿■».ИБ 144И -S 37 6.M 1
ПСГЛЛАРТ € Д Г Т Ч ■ U ! :"■::. _VH^T „А ЛЛ_ _ n tj;_ L V ►
J - 1 43ЯКММЛ
Рис. 3. Добавление центров фотографирования
Выравнивание снимков выполняется с помощью пункта программы Меню -Обработка - Выровнять фотографии. На этом этапе проводится поиск характерных общих точек на фотографиях, по которым в дальнейшем будет рассчитываться карта глубин (Рис 4).
Выровнять снимки
т Основные
Точность: Низкая
чУ Общая преселекция
у/ Преселекция по призязке Рассчитанные значения
Сбросить текущее выравнивание
► Дополнительно
ОК Отмена
Рис. 4. Процедурное окно "Выровнять фотографии"
Добавление опознаков в проект
После выравнивания проводится расстановка опознаков на фотоснимках. Для этого выбирается первый опознак и с помощью щелчка правой кнопкой мыши отфильтровываются снимки, на которые «попадает» данный опознак (Рис. 5). Далее программа намечает местонахождения этого опознака, а исполнитель контролирует верность его местонахождения.
Рис. 5. Выбор опознака
Оптимизация выравнивания камер
После расстановки опознаков, проводится оптимизация положения камер с помощью кнопки «Оптимизация камер». На этом шаге PhotoScan рассчитывает параметры внешнего и внутреннего ориентирования камер, и в результате облако точек (разряженное на текущем шаге) привязывается к точно расставленным на земле опознакам (Рис 6.).
у »»»-
Рис. 6. Разряженное облако точек
Построение плотного облака точек
После правильного расположения разряженного облака (из общих точек снимков) проводится процедура построения плотного облака (точек). Для выполнения выбирается следующий пункт меню Обработка - Построить плотное облако.
Плотное облако точек - это набор вершин в трехмерной системе координат для представления внешней поверхности объекта (Рис. 7).
Рис. 7. Плотное облако точек
Построение трёхмерной полигональной модели
На основе плотного облака точек (либо части облака при сделанной классификации) на следующем шаге строится модель. Для выполнения выбирается пункт меню Обработка -Построить модель.
Построение текстуры модели
На этом шаге построенная полигональная модель «закрашивается» текстурами, взятых из фотографий. (Рис 8.)
Рис. 8. Пример текстурированной модели Построение карты высот
Карта высот в формате DEM представляет собой TIFF файл привязанный к координатам, каждый пиксель которого отвечает за высоту точки. Для построения карты высот выбирается пункт меню Обработка - Построить карту высот. Построение ортофотоплана
Ортофотоплан в понимании Photoscan - вертикальная проекция цифровой модели с наложенной текстурой из множества фотоснимков (Рис. 9). Основной формат (при экспорте) - GeoTIFF, обычно высокого разрешения. Построение выполняется с помощью пункта меню Обработка - Построить ортофотоплан [6].
Рис. 9. Пример ортофотоплана
На основании анализа данных представленных в статье можно сделать вывод, что несмотря на все минусы использования БПЛА для выполнения геодезических работ,всё же данная технология актуальна и полезна в наше время. Она упрощает и удешевляет процесс строительства дорог, что является крайне положительной тенденцией в развитии геодезии в нашей стране.
Список источников
1. Самбаев, Б.Щ. [Электронный ресурс]: Построение 3D-модели строений по данным с БПЛА 2019 // Молодой учёный - 2019 - № 14 (252). С. 54-58. - URL: https://moluch.ru/archive/252/57859/ (дата обращения: 21.03.2022).
2. Быков В. Л., Пущак О. Н., Новородская М. В., Шерстнева С. И. [Электронный ресурс]: Совершенствование способов автоматического построения цифровых моделей рельефа по материалам космической съемки // Геодезия, землеустройство и кадастры: проблемы и перспективы развития : Сборник материалов II Международной научно-практической конференции - 2020 - С. 32-36. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=42797960 (дата обращения: 21.03.2022)
3. Анисимов, А.В. [Электронный ресурс]: Эффективность и перспективы практического применения БПЛА для построения цифровой информационной модели искусственных дорожных сооружений // "Дорожная держава" №85/20182. - Режим доступа: https://sumpro.ru/articles/article?id=21, (дата обращения: 12.03.2022)
4. Пархоменко, Н. А., Гмыря А. А. [Электронный ресурс]: Использование лазерного сканирования при проектировании и строительстве автомагистралей // Сборник материалов III региональной научно-практической конференции - 2021 - С. 57-62. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=46375387 (дата обращения: 21.03.2022).
5. Кокодеева Н.Е., Семёнова А.Е., Кочетков А.В., Янковский Л.В. [Электронный ресурс]: Инновационные технологии применения беспилотных летательных аппаратов для 3D-моделирования автомобильных дорог и объектов дорожной инфраструктуры // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. - 2015. - Т. 1. - С. 470-478.https://www.elibrary.ru/item.asp?id=23646402(дата обращения: 21.03.2022).
6. Оньков, И.В. Оценка точности ЦМР по материалам аэрофотосъёмки с БЛА «ГЕОСКАН 101» // «Геопрофи» №5 - 2015 - C. 49-51. www.geoprofi.ru/issues/6998 (дата обращения: 21.03.2022).
Referenses
1. Sambaev, B.SHCH. [Elektronnyjresurs]: Postroenie 3D-modelistroenijpodannymsBPLA 2019 // Molodojuchyonyj - 2019 - № 14 (252). S. 54-58. - URL: https://moluch.ru/archive/252/57859/ (dataobrashcheniya: 21.03.2022).
2. BykovV. L., PushchakO. N., NovorodskayaM. V., SHerstnevaS. I. [Elektronnyjresurs]: Sovershenstvovaniesposobovavtomaticheskogopostroeniyacifrovyhmodelejrerefapomaterialamkos micheskojs"emki // Geodeziya, zemleustrojstvoikadastry: problemyiperspektivyrazvitiya : SbornikmaterialovIIMezhdunarodnojnauchno-prakticheskojkonferencii - 2020 - S. 32-36. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=42797960 (dataobrashcheniya: 21.03.2022)
3. Anisimov, A.V. [Elektronnyjresurs]: Effektivnost' iperspektivyprakticheskogoprimeneniyaBPLAdlyapostroeniyacifrovojinformacionnojmodeliiskusst vennyhdorozhnyhsooruzhenij // "Dorozhnayaderzhava" №85/20182. - Rezhimdostupa: https://sumpro.ru/articles/article?id=21, (dataobrashcheniya: 12.03.2022)
4. Parhomenko, N. A., GmyryaA. A. [Elektronnyjresurs]: Ispol'zovanielazernogoskanirovaniyapriproektirovaniiistroitel'stveavtomagistralej //
Sbornikmaterialovniregional'nojnauchno-prakticheskojkonferencii - 2021 - S. 57-62. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=46375387 (dataobrashcheniya: 21.03.2022).
5. KokodeevaN.E., SemyonovaA.E., KochetkovA.V., YAnkovskijL.V. [Elektronnyj resurs] : Innovacionnyetekhnologiiprimeneniyabespilotnyhletatel'nyhapparatovdlya 3D-modelirovaniyaavtomobil'nyhdorogiobMektovdorozhnojinfrastruktury
//Modernizaciyainauchnyeissledovaniyavtransportnomkomplekse. - 2015. - T. 1. - S. 470-478. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=23646402 (dataobrashcheniya: 21.03.2022).
6. On'kov, I.V. Ocenka tochnosti CMR po materialam aerofotos"yomki s BLA «GEOSKAN 101» // «Geoprofi» №5 - 2015 - C. 49-51. www.geoprofi.ru/issues/6998 (dataobrashcheniya: 21.03.2022).
Информация об авторах
Пархоменко Наталья Александровна, канд. с-х. наук, доцент, na.parkhomenko@omgau.org Зятьков Константин Витальевич, студент, kv.zyakov1820@omgau.org
Information about authors
Natalia A. Parkhomenko, Cand. of Agr. Sci., Ass. Prof., na.parkhomenko@omgau.org Konstantin V..Zyatkov, student, kv.zyatkov1820@omgau.org
