БПЛА В ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ: СОЗДАНИЕ 3D-МОДЕЛЕЙ МЕСТНОСТИ С ВЫСОКОЙ ТОЧНОСТЬЮ

UAVS IN GEODESY AND CARTOGRAPHY: CREATING HIGH-PRECISION 3D MODELS OF TERRAIN

Romanyuk Aksinya Aleksandrovna

student, Ulyanovsk Aviation College - Interregional Competence Center,

Russia, Ulyanovsk

Khabieva Liliya Linarovna

scientific supervisor, Teacher, Director's Advisor on Education, Ulyanovsk Aviation College - Interregional Competence Center,

Russia, Ulyanovsk

АННОТАЦИЯ

В статье анализируется применение беспилотных авиационных систем (БАС) в современных геодезических и картографических изысканиях. Рассматриваются ключевые технологии получения данных: цифровая аэрофотосъемка для фотограмметрической обработки и лазерное сканирование (LiDAR). Подробно описан технологический процесс создания высокоточных 3D-моделей местности, включая этапы полетного планирования, геопривязки и камеральной обработки. Особое внимание уделено методам обеспечения сантиметровой точности с помощью систем RTK/PPK и наземных контрольных точек. Автор обосновывает преимущества БАС перед традиционными методами наземной съемки.

ABSTRACT

The article analyzes the application of unmanned aerial systems (UAS) in modern geodetic and cartographic surveys. The key technologies of data acquisition are considered: digital aerial photography for photogrammetric processing and laser scanning (LiDAR). The technological process of creating high-precision 3D models of the terrain is described in detail, including the stages of flight planning, georeferencing and cameral processing. Special attention is paid to the methods of ensuring centimeter accuracy using RTK/PPK systems and ground control points. The author substantiates the advantages of BAS over traditional methods of ground-based surveying.

Ключевые слова: БПЛА, геодезия, картография, фотограмметрия, LiDAR, 3D-моделирование, RTK, PPK, облако точек, ортофотоплан.

Keywords: UAV, geodesy, cartography, photogrammetry, LiDAR, 3D modeling, RTK, PPK, point cloud, orthophoto plan.

Введение

Классическая геодезия на протяжении десятилетий опиралась на использование тахеометров и спутниковых GNSS-приемников. Однако данные методы характеризуются высокой трудоемкостью и низкой скоростью сбора информации на больших площадях. Появление гражданских беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) совершило качественный скачок в картографировании, позволив совместить детальность наземной съемки с охватом космического мониторинга. Сегодня создание трехмерных моделей местности с помощью БАС является стандартом в строительстве, горнодобывающей промышленности и муниципальном управлении [1].

1. Технологические основы дистанционного зондирования с БПЛА

Для создания 3D-моделей используются две основные технологии, каждая из которых имеет свои эксплуатационные особенности:

• Цифровая фотограмметрия: Основана на получении серии перекрывающихся снимков (продольное и поперечное перекрытие обычно составляет 70–80%). Специализированное ПО находит общие точки на разных изображениях и путем триангуляции вычисляет их координаты в трехмерном пространстве. Этот метод позволяет получать текстурированные реалистичные модели и ортофотопланы [3].

• Воздушное лазерное сканирование (LiDAR): Активная система, измеряющая расстояние до объекта по времени возврата лазерного импульса. Преимущество LiDAR заключается в способности «прошивать» растительность, позволяя строить точные цифровые модели рельефа (ЦМР) даже в лесистой местности, что практически невозможно для классической фотограмметрии [4].

2. Этапы создания высокоточных 3D-моделей

Процесс получения итогового продукта разделяется на полевой и камеральный этапы.

• Планирование полетного задания: На данном этапе задается высота полета (определяющая пространственное разрешение — GSD), скорость движения и параметры перекрытия. Современные системы автоматического управления позволяют БПЛА выполнять полет по заданной сетке с сантиметровой точностью удержания траектории [2].

• Обеспечение точности геопривязки: Для того чтобы модель имела не только правильную форму, но и точные географические координаты, используются технологии RTK (Real-Time Kinematic) или PPK (Post-Processing Kinematic). Они позволяют фиксировать координаты центров фотографий с точностью до 2–3 см в момент съемки. Для дополнительного контроля и устранения искажений по краям модели на местности раскладываются опознаки (GCP — Ground Control Points), координаты которых определяются эталонными GNSS-приемниками [4].

• Камеральная обработка: Полученные данные (снимки или «сырое» облако точек) загружаются в фотограмметрическое ПО (например, Agisoft Metashape, Pix4D). Алгоритмы Structure from Motion (SfM) создают плотное облако точек, на основе которого строится полигональная сетка (Mesh) и накладываются текстуры [2].

3. Анализ точности и качественные характеристики выходных данных

Результатом обработки данных с БПЛА являются несколько видов продуктов:

1. Плотное облако точек: Миллионы точек с координатами X, Y, Z, отражающие геометрию всех объектов.

2. Ортофотоплан: Единое изображение местности без перспективных искажений, имеющее точность карты масштаба 1:500.

3. Цифровая модель рельефа (ЦМР): Очищенная от строений и деревьев поверхность земли, необходимая для проектирования дорог и подсчета объемов земляных работ [1].

Использование БПЛА промышленного класса позволяет достигать среднеквадратической ошибки (СКО) в пределах 3–5 см по горизонтали и 5–8 см по вертикали, что полностью соответствует требованиям большинства инженерных изысканий [5].

4. Практическое применение и экономическая эффективность

В горнодобывающей отрасли 3D-моделирование на базе БАС позволяет проводить еженедельный мониторинг выработки карьеров и оперативно подсчитывать объемы добытой породы. В строительстве БПЛА используются для создания BIM-моделей (Building Information Modeling) и контроля соответствия фактического возведения зданий проектной документации. В сельском хозяйстве трехмерные модели помогают анализировать микрорельеф для оптимизации систем орошения и борьбы с эрозией почв [1, 3].

Экономическая эффективность заключается в сокращении времени полевых работ в 5–10 раз по сравнению с традиционными методами. Там, где геодезическая бригада работала бы неделю, БПЛА справляется за один световой день, предоставляя при этом в тысячи раз больше данных о поверхности.

Заключение

Внедрение БПЛА в геодезию и картографию коренным образом изменило подход к сбору пространственных данных. Технологии 3D-моделирования на основе аэрофотосъемки и лазерного сканирования обеспечивают беспрецедентную детализацию и точность, делая процесс изысканий более быстрым, безопасным и дешевым. Дальнейшее развитие отрасли связано с автоматизацией обработки данных с помощью нейросетей, что позволит в реальном времени классифицировать объекты на моделях и выявлять малейшие изменения ландшафта.

Список литературы:

1. Капица, А. П. Геодезия и картография с использованием беспилотных летательных аппаратов: учебное пособие / А. П. Капица. — М.: Изд-во МГУ, 2020.
2. Нечипоренко, А. В. Эксплуатация беспилотных авиационных систем: учебное пособие / А. В. Нечипоренко. — Новосибирск: НГТУ, 2021.
3. Чибуничев, А. Г. Цифровая фотограмметрия: учебник / А. Г. Чибуничев. — М.: МИИГАиК, 2018.
4. Костюк, В. В. Беспилотные летательные аппараты: классификация, устройство, применение / В. В. Костюк. — М.: Техносфера, 2022.
5. ГОСТ Р 59519-2021. Беспилотные авиационные системы. Аэрофотосъемка для картографирования. Общие требования. — М.: Стандартинформ, 2021.