Технология создания топопланов масштаба 1:500 по данным съемки с квадракоптера Phantom 4 Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

do:

УДК 691.714

ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ТОПОПЛАНОВ МАСШТАБА 1:500 ПО ДАННЫМ СЪЕМКИ С КВАДРАКОПТЕРА PHANTOM 4

Шин Евгений Рудовикович - старший преподаватель, кафедра городского кадастра и инженерных изысканий, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, siriusone2008@yandex.ru

Щекина Анастасия Юрьевна - ассистент, кафедра городского кадастра и инженерных изысканий, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, aus2016aus@yandex.ru

Черкасов Роман Андреевич - старший преподаватель, кафедра безопасности жизнедеятельности, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Аннотация: при получении качественных данных для составления топографического плана местности могут возникнуть такие сложности как труднодоступность (а именно объекта изысканий, линейная зависимость времени на выполнение необходимых изысканий от объёма работ, наличие водных препятствии, особенности рельефа и другие. Аэрофотосъёмка - одна из технологий, которая позволяет частично решить описанные выше проблемы топографии. На сегодняшний день аэрофотосъемка активно развивается с связи с появлением лёгких доступных летательных аппаратов (и что особенно важно - беспилотных). Такая технология позволяет обойти многие сложности и получить предварительный результат в очень короткие сроки (один день). При этом важно отметить что на получение результатов «обычным» геодезическим способом потребуется достаточно большое количество времени. В данной работе представлен способ создания топопланов масштаба 1:500 по

данным съемки с квадракоптера Phantom 4.

Ключевые слова: летательный аппарат, коптер.__________________________________

Введение.

еспилотные летательные

аппараты (БПЛА) являются искусственными мобильными объектами, многоразового

использования, не имеющими экипажа и способными целенаправленно самостоятельно передвигаться в воздухе с целью выполнения различных функций как и в автономном режиме так и при помощи дистанционного управления.

Технические характеристики любительского беспилотника DJI Phantom 4 дают возможность его использовать его где угодно. Он способен работать при температуре от 0 до 40 град.

Основная часть. В данной работе объектом фотографирования с DJI Phantom 4 является территория муниципального бюджетного образовательного учреждения средней общеобразовательной школы № 50

аэросъемка, топографический пан, квадра-

г. Белгорода, располагающейся по адресу Белгор одская обл., г. Белгород, ул. Есенина,

д. 52, б.

С целью успешного выполнения аэросъемки, удовлетворяющей требованиям точности для создания цифрового плана масштаба 1:500, использовался БПЛА мультироторного типа DJI Phantom 4, имеющий встроенную камеру. Для выполнения расчета параметров полетного задания, применялся калькулятор и программное обеспечение Microsoft office Ехсе1.

Важнейшие полетные характеристики БПЛА это: скорость движения, высота

полета, полетное время. В качестве основных характеристик камеры необходимо отметить размер и тип матрицы, фокусное расстояние, размер пикселя матрицы.

Р азмер матрицы указывается в пикселях 3000^4000, однако при этом размер пикселя н е у к аз ывается в документации (табл. 1).

Содержимое этой работы может использоваться в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution 4.0. Любое дальнейшее распространение этой работы должно содержать указание на автора (ов) и название работы, цитирование в журнале и DOI.

В камере применяется матрица Sony Exmor R V.3’’, согласно этому можно узнать физический размер матрицы.

После получение требуемых данных, нами был построен маршрут полета беспилотника DJI Phantom. На расстоянии за границами снимаемого участка устанавливалась первая точка. Высота выставлялась соответсвенно расчетным значениям,

которые были полученны в предыдущем расчете - 70 м. Курс БПЛА располагался вдоль маршрута, так чтобы кадры располагались строго перпендикулярно к маршруту полета . Вторая и последующие точки располагались так что бы они немного выходили за территорию снимаемого объекта.

Данные для полетного задания

Таблица 1

Параметры камеры

Размер матрицы по оси x (px) 3000

Размер матрицы по оси у (px) 4000

Размер матрицы по оси х (мм) 4,68576

Размер матрицы по оси y (мм) 6,24768

Размер диагонали матрицы (мм) 7,8096

Диафрагменное число 2,8

Размер пикселя (мм) 0,00156192

Физическое фокусное расстояние (мм) 3,61

Угол поле зрения по оси х 65,96691849

Угол поле зрения по оси у 81,74121437

Угол поле зрения по диагонали 94,49303752

Требования к съемке

Размер пикселя на местности (мм) 50

Максимальная высота полета (м) 70,10815748

Масштаб фотографирования 19420,54224

Навигационные па аметры

Длина квадрата (м) 91

Ширина квадрата (м) 121

Требуемое продольное перекрытие (%) 80

Требуемое поперечное перекрытие (%) 60

Продольное перекрытие (м) 72,8

Поперечное перекрытие (м) 72,8

Базис фотографирования (м) 18,2

Расстояние между маршрутами (м) 48,53

Крейсерская скорость БПЛА (км/ч) 15

Крейсерская скорость БПЛА (м/с) 4,17

Выдержка (с) 0,002

Величина смаза (мм) 8,333

Интервал фотографирования (с) 4,368

Далее выстраивался параллельный маршрут, для чего устанавливалась точка, перпендикулярно первому маршруту, при этом контролировалось расстояние между точками.

Далее была установлена точка 4, которая находилась напротив точки 1. Расстояние между точками 1 и 4 контролировалось установлением 5-ой точки поверх первой, после чего поправив положение четвертой.

Далее 5 -я точка удалялась и устанавливалась снова, но уже в правильном месте.

Аналогично устанавливались следующие точки.

В процессе пострьоения маршрута в верхней части экрана отображается суммарное расстояние маршрута а так же время полета. Время полета напрямую зависит от скорости БПЛА крейсерской.

После построения всех маршрутов, нужно поставить последнюю точку. Она должна располагаться около точки взлета, так как при потери сигнала квадракоптер может остаться зависнуть в последней точке.

Суммарное время полета не должно превышать 20...21 мин. Самое оптимальное время полета составляет 18...19 мин. В большой степени этот параметр зависит от погоды.

Дальнейшие вычисления проводились при помощи программного обеспечения Agisoft Photoscan. При работе в этом программном продукте нужно иметь компьютер с процессором серии i5 и сильнее, с 4ГБ оперативной памяти, с видеокартой более 2ГБ. Желательно иметь i7 с 32 ГБ оперативной памяти и видеокартой 4 ГБ.

Для получения рабочего проекта нужно создать свои директории. В качестве начальной директории лучше всего использовать папку с названием проекта. Внутри самой директории проекта необходимо создать поддиректории: для рабочего проекта,

фотографий, и результатов (Projects, Photos, Results). После чего, полученные фотографии требуется скопировать в соответствующую созданную папку Photos.

На этом этапе можно выполнить еще одну фильтрацию по панели «Модель». После отфильтровки полученных материалов, можно перейти к их обработке.

С целью определения взаимного ориентирования снимков в программном обеспечении Agisoft нужно выполнить операцию Выравнивание камер.

В появившемся окне нужно установить параметр «Точность». Этот параметр зависит от сложности объекта и мощности компьютера. Необходимо определить параметры «Переселекции пар». В том случае, если прменяются фотографии с геопривязкой, нужно выбрать параметр «Преселекция» по привязке и «Общая преселекция». В случае когда фотографии не имеют геопривязки достаточно выбирать «Общая преселекция».

Выравненные фотографии будут отображаются как синии прямоугольники, а также становиться доступным «облако точек». Имеется возможность на панели инструментов отключать/подключать видимость интересущих нас элементов. В панели «Проект» у снимков, успешно выровненных, пропадет символ «NA», в папке «Камеры» в скобочках будет указано, сколько снимков выровнялось успешно, а также появится элемент «Связующие точки».

После выполнения всех операций следует переходить построению плотного облака. Для этого нажать: «Меню Обработка ^ Построить плотное облако». Затем в открывшемся окне настроек следует указать Качество.

В результате построений плотное облака отобразится на панели «Проект» в виде элемента «Плотное облако». Все результаты требуется сохранить.

Далее требуется создать триангуляционную модель или TIN-модель, выбрав в меню «Обработка ^ Построение модели». В появившемся окне Тип поверхности оставляем Произвольный, Исходные данные: Плотное облако, Количество полигонов будут так же зависеть от мощности ПК. В результате работы нами получена полигональная модель, она появляется «Проект» и она может быть отображена в панели «Модель» в виде «Каркаса», «Сплошной модели», «Затененной модели». Результаты необходимо сохранить.

Полученная в результате модель является не конечным результатом, потому что все текстуры имеют низкое разрешение. С целью создания модели имеющей высокое качество текстур необходимо произвести текстурирование. В связи с этим необходимо нажать в меню «Обработка ^ Построить текстуру». В открывшемся окне в ы бр ать Режим параметризации: Общий; Режим смешивания: Мозаика; Размер и количество текстур выставляется в зависимости от мощности видеокарты. Рекомендуется уставлять кратным 4096 (4096*1, 4096*2, 4096*4).

В результате итоговая текстурированная модель явилась конечным результатом. Кроме трехмерной модели был выполнен ортофотоплан. Меню «Обработка ^ Построить ортофотоплан». В открывшемся окне выбирать «Проекция ^ Тип: Географ ич е ская проекция ^ WGS 84». После чего обязательно нужно изменить размер пикселя в метрах, для чего нажав кнопку «Метры». В открывшемся окне указать размер пикселя в метрах. Так как нужно, чтобы точность составила 0,1 мм в масштабе карты, то для создания ортофотоплана м асштаба 1:10 000 точность ортофотоплана должна быть 0,1мм-10000 = 1м. Так как это

ортофотоплан, созданный с БЛА необходимо выполнить это требование с запасом, соответственно размер пикселя должен быть не менее 0,5м.

Для составления топографического плана будем использовать программный продукт AutoCAD.

После создания проекта в него необходимо импортировать наш построенный ортофотоплан в формате TIF.

Теперь для того чтобы наш план был масштаба 1:500 необходимо про масштабировать ортофотоплан, то есть увеличить его на 748,44 раза.

После приведения ортофотоплана в нужный для нас масштаб приступаем к

вычерчиванию плана территории. Для того, чтобы планом в дальнейшем было удобно пользоваться, будем чертить разные объекты в разных слоях.

После того как весь ортофотоплан вычерчен можно удалить его и оформить план участка школы. Так как все было сделано в определенном масштабе, то полученные площади участков нужно будет так же перевести в масштаб. Размеры площадей длин линии и много другое можно узнать из свойств того или оного объекта.

В результате работы был получен план участка местности с высокой точностью и в кратчайшие сроки (рис. 1).

Рис. 1. План территории школы №50

Таким образом, по результатам данных, полученных с беспилотного летательного аппарата был построен план участка местности в масштабе 1:500. При этом подробно описаны все процессы создания плана участка. Данный план участка местности был создан по результатам обработки съемочных материалов. Полученные данные, такие как орфоттоплан и объемная модель объекта, можно использовать для получения специальных планов.

Это только малая часть применения данных программных продуктов в жизнедеятельности человека. Данные способы построения моделей, ортофотопланов и

много другое можно применять в других областях, таких как сельское хозяйство, градостроительство, архитектура, дизайн, любое строительство и даже в экспертизе зданий.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гребеников А.Г., Мялица А.К.,

Парфенюк В.В. и др. Общие виды и характеристики беспилотных летательных аппаратов : справочное пособие. Харьков:

2000, Восс Л.

2. Сенюшкин Н.С., Ямалиев Р.Р., Усов Д.В., Мураева М.А. Рынок беспилотных систем растёт и меняется (перевод аналитического обзора компании Frost amp;

Sullivan) // Мир компьютерной автоматизации: мир ВКТ. 2009. № 1.

3. Лоскутников А.А., Сенюшкин Н.С., Парамонов В.В. Особенности классификации БПЛА самолетного типа // Молодой ученый. 2010. №11. Т.1. С. 65-68.

4. Условные знаки для топографических планов масштаба 1:5000 - 1:500. М.: Недра. 1989. 149 с.

5. Берлянт А.М. Картография. М.: Аспект пресс, 2002. 336 с.

6. Инструкция по топографическим съемкам в масштабах 1:5000 - 1:500. М.: Недра,1982. 13 с.

7. Орлов А. AutoCAD 2015. С.П.: 2015. 384 с.

8. https://www.geoscan.aero/ru/photoscan/

9. Баскакова Л., Лавринович И. Благоустройство: четыре года спустя. Режим доступа: http: // www. strojinfo. ru.

10. Квинт И. Создаем ландшафтный дизайн на компьютере. СПб.: Питер, 2010.

11. ГОСТ 17677-82. Светильники. Общие технические условия.

12. СН 541-82. Инструкция по проектированию наружного освещения городов, поселков и сельских населенных пунктов.

13. Семенова Т.Ю. Комплексное развитие городов и городского хозяйства. СПб.: СПб ГИЭУ, 2006. 200 с.

REFERENCES

1. Grebenikov A.G., Myalica A.K., Parfenyuk V.V. i dr. Obshchie vidy i harakteris-tiki bespilotnyh letatel'nyh apparatov: spravochnoe posobie. Xar'kov: 2000, Voss L.

2. Senyushkin N.S., YAmaliev R.R., Usov

D.V., Muraeva M.A. Rynok bespilotnyh sistem rastyot i menyaetsya (perevod analiticheskogo obzora kompanii Frost amp; Sullivan) // Mir komp'yuternoj avtomatizacii: mir VKT. 2009. № 1.

3. Loskutnikov A.A., Senyushkin N.S., Paramonov V.V. Osobennosti klassifikacii BPLA samoletnogo tipa // Molodoj uchenyj. 2010. №11. T.1. S. 65-68.

4. Uslovnye znaki dlya topograficheskih planov masshtaba 1:5000 - 1:500. M.: Nedra. 1989. 149 s.

5. Berlyant A.M. Kartografiya. M.: Aspekt press, 2002. 336 s.

6. Instrukciya po topograficheskim s"emkam v masshtabah 1:5000 - 1:500. M.: Nedra,1982. 13 s.

7. Orlov A. AutoCAD 2015. S.P.: 2015. 384 s.

8. https://www.geoscan.aero/ru/photoscan/

9. Baskakova L., Lavrinovich I. Blagoustro-jstvo: chetyre goda spustya. Rezhim dostupa: http: // www. strojinfo. ru.

10. Kvint I. Sozdaem landshaftnyj dizajn na komp'yutere. SPb.: Piter, 2010.

11. GOST 17677-82. Svetil'niki. Obshchie tekhnicheskie usloviya.

12. SN 541-82. Instrukciya po proektiro-vaniyu naruzhnogo osveshcheniya gorodov, poselkov i sel'skih naselennyh punktov.

13. Semenova T.YU. Kompleksnoe razvitie gorodov i gorodskogo hozyajstva. SPb.: SPb GIEHU, 2006. 200 s.

THE TECHNOLOGY OF CREATING TOPOGRAPHIC PLANES AT A SCALE OF 1: 500 ACCORDING TO SHOOTING DATA FROM A PHANTOM 4 QUADCOPTER

Shin E.R., Shchekina A.Yu, Cherkasov R.A.

Annotation: when obtaining high-quality data for compiling a topographical plan of the area, such difficulties as inaccessibility (namely, the object of research, linear dependence of the time to perform the necessary research on the scope of work, water obstacles, terrain features, etc.) can occur. Aerial photography is partly solve the problems of the topography described above. Today, aerial photography is being actively developed with the advent of light available aircraft (and especially important - unmanned). This technology allows you to bypass many difficulties and get a preliminary result in a very short time (one day). It is important to note that a rather large amount of time is required to obtain results using the “usual” geodetic method. Topoplans at a scale of 1: 500 according to a survey from a Phantom 4 quadcopter.

Key words: aircraft, aerial survey, topographic plan, quadrocopter.

© Шин Е.Р., Щекина А.Ю., Черкасов Р.А., 2019

Шин Е.Р., Щекина А.Ю., Черкасов Р.А. Технология создания топопланов масштаба 1:500 по данным съемки с квадракоптера Phantom 4 // Вектор ГеоНаук. 2019. Т.2. №1. С. 54-59.

Shin E.R., Shchekina A.Yu., Cherkasov R.A., 2019. The technology of creating topographic planes at a scale of 1: 500 according to shooting data from a Phantom 4 quadcopter. Vector of Geosciences. 2(1): 54-59.