ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ НА ПРИМЕРЕ PHANTOM 4 (STANDARD) ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ РЕЛЬЕФА

THE USE OF UNMANNED AERIAL VEHICLES ON THE EXAMPLE OF PHANTOM 4 (STANDARD) FOR CREATION OF DIGITAL TERRAIN MODELS

Mikhail Aleshin

assistant of Agroengineering Department, Agro-Technological Institute, Peoples' Friendship University of Russia.

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена анализу возможностей беспилотных летательных аппаратов при решении задач землеустройства и в частности при расчете объемов земляных масс. В статье изложено сравнение двух способов создания цифровых моделей рельефа. А именно создание ЦМР (цифровой модели рельефа) в результате фотограмметрической обработки снимков, полученных при аэрофотосъемке с БПЛА (беспилотного летательного аппарата) и более традиционный способ наземной съемки с использованием современного тахеометра. Основным критерием качества создаваемой ЦМР является пространственная точность координат точек, на основе которых она создавалась. В подавляющем большинстве случаев в качестве основы для ЦМР выступает топографический план местности М 1:500.  Поскольку на данный момент официальных инструкций и методик для создания топографических планов с использованием БПЛА не существует, возникает необходимость обосновать возможность или невозможность их использования для данного вида работ, а, вследствие, и для расчета объемов земляных масс. В рамках исследования был поставлен эксперимент, по результатам которого установлено, что качество ЦМР, создаваемой по результатам аэрофотосъемки с использованием БПЛА, является неудовлетворительным.  Качество ЦМР можно улучшить, включив в расчет параметры калибровки, а также, используя классическое фотограмметрическое программное обеспечение.

ABSTRACT

The research is devoted to the analysis of the use of unmanned aerial vehicles in solving land survey problems and in particular when calculating the volume of ground masses. The report presents a comparison of the two methods for DTM (digital terrain models) generation. Namely, the DTM generation as a result of photogrammetric processing of images obtained during aerial surveying with UAVs (use of unmanned aerial vehicles) and a more traditional method of ground surveying using a modern total station. Obviously, the main criterion for the quality of the generated DTM is the accuracy of the spatial coordinates of its points. In the most cases, the topographic plan of the terrain at a scale 1: 500 is used as the basis for the DTM. As there are no official instructions and methods for creating topographic plans using UAV, it becomes necessary to justify the possibility or impossibility of using them for this type of work, and in consequence for calculating the volumes of ground masses. An experiment was conducted within the framework of the study, according to which it was established that the quality of the DTM created by the results of aerial photography using UAV is unsatisfactory. The quality of DTM can be improved by including calibration parameters in the calculation, as well as using classical photogrammetric software.

Ключевые слова: цифровые модели рельефа; беспилотные летательные аппараты; объемы земляных масс; аэрофотосъемка; топографический план.

Keywords: digital terrain model; unmanned aerial vehicle; volume of ground masses; aerial surveying; topographic surveying.

Объект исследования: для проведения эксперимента был выбран небольшой участок местности на территории ландшафтного заказника Теплый стан. Участок площадью 2150м² представляет собой небольшой склон с превышением 9 м (рисунок 1).

Рисунок 1. Объект ислледования

Подготовка к проведению эксперимента началась с создания опорной геодезической сети на объекте исследования.  Поскольку площадь объекта исследования сравнительно небольшая, а объекты ситуации не препятствуют видимости, то в качестве съемочного обоснования было принято использовать базис (рисунок 2). Координаты точек базиса были определены в произвольной системе координат, при этом за дирекционный угол линии 1000-2000 был принят магнитный азимут этого направления. 

Рисунок 2. Схема базиса

Для того, чтобы оценить точностные характеристики ЦМР созданной в результате фотограмметрической обработки было принято решение расположить на поверхности участка марки в виде крестов. Кресты были распечатаны на листах бумаги формата А4. Координаты центров крестов были определенны в результате геодезической съемки тахеометром.

Традиционным способом создания ЦМР в современной геодезической практике является программная обработка данных топографической съемки местности в масштабе 1:500, выполняемой согласно инструкции [2].  Для выполнения топографической съемки был использован тахеометр Leica TS09+ 5”.  В качестве пикетов использовались центры крестов. Схема расположения пикетов представлена на рисунке 3. Обработка полевых измерений выполнялась в программе «Credo 3.1.» В результате обработки были получены пространственные координаты всех пикетов. Из программной среды Credo координаты пикетов были экспортированы в формат «txt» и в дальнейшем загружены в программу «AutoCAD» для создания цифровой модели рельефа.

Рисунок 3. Схема расположения пикетов

Непосредственно перед аэрофотосъёмкой необходимо было рассчитать её параметры. Результаты расчета параметров съемки в нескольких вариантах приведены в таблице 1. Многие параметры объясняются техническими возможностями самого БПЛА. Большое перекрытие выбрано из соображения уменьшить влияние дисторсии, поскольку, таким образом, в обработке можно использовать только центральные части снимков. Движение БПЛА вдоль маршрута происходит вдоль короткой стороны снимка, длина которой 3000 пикселей.

Таблица 1.

Предрасчет параметров съемки

В результате аэрофотосъемки было получено более двууста снимков, а после отбраковки было выбрано сорок. Обработка аэрофотосъемки производилась в программе «Agisoft Photoscan». Перед обработкой все телеметрические данные с фотографий были удалены по причине того, что в программе невозможен пересчет координат из одной системы в другую. Таким образом, привязка ЦМР производилась только по опорным точкам. В качестве опорных были выбраны четыре точки по периметру участка. Остальные точки были взяты в качестве контрольных. Координаты центров крестов, полученные в результате обработки в «Agisoft Photoscan», сравнивались с координатами полученные электронным тахеометром. В таблице 2 рассчитаны невязки, исходными координатами здесь являются координаты центров крестов, полученные тахеометром.

Таблица 2.

Невязки по координатам

Как видно из таблицы 2 невязки планового положения точек в некоторых местах достигают 15 mm, а невязки по высоте 24 mm, при допустимых 17 mm. Это говорит о неудовлетворительном качестве ЦМР, создаваемой БПЛА. Факторов, влияющих на такой результат несколько: неучтенное влияние дисторсии, программное обеспечение рассчитано для привязки снимков по данным GPS, а не по наземной опоре, возможны и другие факторы. Этот результат можно улучшить, зная результаты калибровки камеры и используя более гибкое программное обеспечение, например, Photomod lite. И если удастся получить ЦМР точность которой будет удовлетворять требованиям, то это откроет большие перспективы в использовании БПЛА для расчетов объемов земляных масс.

Список литературы:

1. Инструкция по топографической съемке в масштабах 5000, 1: 2000, 1:1000, 1:500. ГКИНП – 02 – 033 – 79, М., Недра, 1982 – 158 с.
2. Лимонов А.Н., Гаврилова Л.А. Прикладная фотограмметрия: Учебник для вузов-М.: Академический проект, 2016-255с.-(Gaudeamus: Библиотека геодезиста и картографа).