АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ В ПРАКТИКУ АЭРОФОТОТОПОГРАФИЧЕСКОЙ СЪЁМКИ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА НА БАЗЕ КВАДРОКОПТЕРА DJI MAVIC PRO

ANALYSIS OF THE POSSIBILITY OF INTRODUCING THE HARDWARE AND SOFTWARE COMPLEX BASED ON THE DJI MAVIC PRO QUADCOPTER INTO THE PRACTICE OF AERIAL PHOTOGRAPHY

Yevgeny Gorbov

student, Department of geodesy, land management and cadastre, Far Eastern Federal University,

Russia, Vladivostok

АННОТАЦИЯ

В статье приводятся результаты исследования метрологических характеристик аппаратно-программного комплекса на базе квадрокоптера DJI Mavic Pro и возможности внедрения данного комплекса в практику выполнения кадастровых работ. Проведено сравнение результатов работы комплекса с традиционными методами топографической съемки. Сделаны выводы о возможности применения указанного аппаратно-программного комплекса в практике топографо-геодезических работ.

ABSTRACT

The article presents the results of a study of metrological characteristics of the hardware and software complex based on the DJI Mavic Pro quadcopter and the possibility of implementing this complex in the practice of performing cadastral works. The results of the complex operation are compared with traditional methods of topographic survey. Conclusions are made about the possibility of using this hardware and software complex in the practice of topographic and geodetic works

Ключевые слова: аэрофотосъемка, применение беспилотных летательных аппаратов, БПЛА, фотограмметрическая обработка снимков, применение БПЛА, межевание, кадастр, фотограмметрический метод.

Keywords: aerial photography, use of unmanned aerial vehicles, UAVs, photogrammetric image processing, use of UAVs, surveying, cadastre, photogrammetric method.

Современное административное управление – это управление информационное, поэтому его эффективность полностью определяется объемом и достоверностью используемой для управленческих решений информацией [4].

Основными источниками подачи информации является широкий спектр источников, среди которых существенное место занимает кадастровая информация, обеспечивающая значительную часть решений в области эффективного управления муниципальной собственностью, регулировании использования и охраны земельных ресурсов, выработки правильных решений в области территориального планирования и зонировании территорий населенных пунктов.

Основными требованиями, предъявляемыми к кадастровой информации, являются точность, достоверность и полнота отображения свойств объектов: точность сбора кадастровых данных об объектах и явлениях городской среды должна удовлетворять соответствующим требованиям действующих стандартов и обеспечивать возможность определения метрических характеристик объектов учета.

Качество и производительность топограф-геодезических работ, обеспечивающих кадастровую деятельность неразрывно связано с развитием соответствующих средств и методик выполнения измерений. До недавнего времени определение координат характерных точек земельного участка с точностью 0,10 м было достижимо с использованием таких инструментальных методов геодезических измерений, как мензульный и тахеометрический. В современных реалиях, в связи с массовым внедрением в жизнь спутниковых технологий, наиболее распространенным методом определения координат являются спутниковые методы.

Основными преимуществами данных методов являются:

­ ­­– изученность и распространённость методики;

­ – наличие полной нормативной базы;

Однако, и инструментальный, и спутниковый методы, имеют значительный ряд недостатков:

– локальность применения. В частности, сложность выполнения работ на обширных территориях;

– ресурсозатратность. Например, для быстрой и эффективной работы потребуется большое количество как людей, так и оборудования;

– необходимость непосредственного физического доступа к объекту съемки, который не всегда является легкодоступным (болотистая местность, крыши зданий, закрытые территории);

Наряду с постоянно увеличивающимся спросом на кадастровую и геодезическую съемку, фотограмметрический метод является наиболее актуальным. В том числе, использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) стало не только доступным, но и эффективным методом получения данных о местности и работы с ними.  Описание аэросъемочных работ достаточно подробно рассмотрены в публикации Н. М Бабашкина [2].

К достоинствам аэрофотосъемки с применением БПЛА стоит отнести:

– меньшая ресурсозатратность независимо от размеров территории (для выполнения съемки в основном необходим только БПЛА и внешний пилот). Как следствие, повышается скорость работы и ее экономическая выгода.

– выполнение работ на труднодоступных территориях;

– доступ к неограниченным аспектам местности при выполнении дальнейших работ;

– универсальность использования данных.

Безусловно существуют и недостатки:

– зависимость от погодных условий;

– обязательное наличие специального программного обеспечения.

Данные, полученными методом аэрофотосъемки, могут активно использовать различные организации и ведомства: геодезисты и кадастровые инженеры; различные структуры, осуществляющие контроль за использованием земель; органы архитектуры и градостроительства; администрации муниципальных образований; сельскохозяйственные предприятия; лесники, экологи, дорожники т.д.

Использование аппаратно-программных комплексов аэрофото-топографической съемки активно развивается. Существуют отечественные комплексы Геоскан 101 и Геоскан 201 исследование метрологических характеристик которых, проведено в работе И.А.Аникеева и др [1].

Следует отметить, что средняя квадратическая погрешность местоположения характерных точек земельного участка, отнесенного к землям населенных пунктов, согласно приказу Минэкономразвития России от 01.03.2016 г № 90, составляет не более 0,1 м [3].

Для аппаратно-программных комплексов Геоскан 101 и Геоскан 201  процессе их исследовательских испытаний значения метрологических характеристик позволяют определять координаты немаркированных характерных точек (естественные контуры) границ земельных участков и контуров зданий для всех категорий земель и разрешенных использований земельных участков, в том числе земельных участков, отнесенных к землям населенных пунктов, фотограмметрическим методом при высоте фотографирования 200 м – 400 м, а при высоте фотографирования до 900 м – для всех категорий земель, кроме земель населенных пунктов.

С целью. установления возможности достижения необходимой точности данных, получаемых с БПЛА, было проведено исследование зависимости точности от условий съемки с помощью аппаратно-программного комплекса на основе квадрокоптера DJI Mavic Pro оснащенного камерой производства DJI: 28 мм, f/2.2, дисторсия <1.5%, 1/2.3″, 12.35 МгПикс;

В качестве объекта исследования был выбран участок местности, на котором расположен промышленный объект, представляющий собой комплекс из двух резервуаров вертикальных стальных (РВС), здания насосной, кабельной и трубной эстакады. Объект имеет сложную геометрию и большое количество мелких деталей.

Аэрофотосъемка местности проводилась с разных высот: 30м, 50м, 100м. и с использованием наземных опорных точек. Плановые и высотные координаты опознаков определялись методом GNSS измерений при помощи спутникового геодезического оборудования с точностью от 15 до 20 мм, как в плановой составляющей, так и в высотной. Помимо определения координат опорных маркеров, была произведена контрольная топографическая съемка местности, в ходе которой определены координаты не менее 500 точек.

Время, затраченное на подготовку к полету, в том числе закладку опознаков, и проведение аэрофотосъемки составило 47 минут (примерно 8 минут на один полет). На проведение контрольной съемки этой же территории потребовалось около 3 часов. Обработка фотографий заняла 3 часа, но она проводилась в автоматическом режиме и не требовала присутствия оператора.

В результате обработки фотографий получено плотное облако точек, которое представляет собой набор огромного количества точек поверхности рассматриваемого объекта, каждая из которых определена в пространстве. Плотное облако точек позволяет определить координаты любого объекта.

По полученному облаку точек можно создать объемную фотореалистичную модель местности (рисунок 1). Данная модель позволяет наглядно представить объемы и рельеф объекта и местности.

Основной задачей аэрофотосъемки можно считать получение ортофотоплана. Снимки, сделанные с беспилотника, преобразовываются из центральной проекции в ортогональную, после чего пропадает эффект параллакса и дисторсии (искажения по краям снимка).

Рисунок 1. Фотореалистичная модель местности, полученная в процессе обработки

Для оценки точности данных, полученных при съемке с разных высот, они были сравнены с контрольной топографической съемкой в программе AutoCad. Результат загрузки всей необходимой информации можно видеть на рисунке 2.

Рисунок 2. Результат загрузки информации в программный пакет AutoCAD

На рисунке можно видеть, полученный ортофотоплан в виде растрового изображения (в данном случае представлен ортофотоплан полученный при съемке дроном с высоты 100 м), построенную по плотному облаку точек поверхность в виде горизонталей, а также точки контрольной наземной съемки. Контрольная наземная съемка проводилась по четко различимым контурам, таким как бордюры, срез кромки асфальта и другие, хорошо различимые объекты. Из рисунка видно, что все контрольные точки отлично совпадают с растровым изображением.

Для анализа высотных отметок были отмечены точки на поверхности, полученной при обработке данных с БПЛА, рядом с контрольными точками в разных местах и на разных высотах.

При высоте аэрофотосъемки в 100 метров на квадрокоптер DJI Mavic Pro минимальная разрешающая способность полученного ортофотоплана составляет 3,14 см. То есть размер одного пикселя на местности приравнивается к 3,14 см. Таким образом учитывая ошибку привязки снимков погрешность определения плановых координат по полученному ортофотоплану не превышает 7 см. Точность определения высотных отметок по полученной поверхности зависит от типа покрытия. В травянистой местности были получены ошибки высот в пределах 10-15 см, на ровных участках, покрытых асфальтом или бетоном, а также крыши построек и других плоских объектах, ошибка не превышает 4 см.

При высоте аэрофотосъемки в 50 метров минимальная разрешающая способность полученного ортофотоплана составляет 1,59 см. То есть размер одного пикселя на местности приравнивается к 1,59 см. Точность определения плановых координат составила 4 см. Точность определения высотных отметок по полученной поверхности также сильно зависит от типа покрытия. В травянистой и закустаренной местности точность также колеблется в пределах 10-15 см. На плоских территориях точность составляет 1-3 см.

При высоте аэрофотосъемки в 30 метров минимальная разрешающая способность полученного ортофотоплана составляет 9,72 мм. То есть размер одного пикселя на местности приравнивается к менее чем 1 см. Точность определения плановых координат составила 2 см. Точность определения высоты по модели местности сравнима с точностью при 50 метрах и составляет так же при определении в травянистой местности – 10-15 см и на плоских поверхностях 1-3 см.

Данные, полученные при съемке дроном с 50 и 30 метров также позволяют с большой точностью определить высоты таких сложных объектов, как трубы и эстакады, что порой, даже невозможно сделать путем наземной съемки.

Наглядность и точность ортофотопланов полученных при помощи аппаратно-программного комплекса на базе квадрокоптера DJI Mavic Pro позволяет заменить полевые инструментальные работы по координированию поворотных точек границ на камеральные до высоты полета в 100 м. Стоимость и сроки всего производственного процесса при этом в значительной степени сокращаются за счет практически полного отсутствия полевых работ. Особенно это актуально для больших площадных объектов со значительным количеством поворотных точек окружной границы.

Список литературы:

1. Аникеева И.А., Бабашкин Н.М., Кадничанский С.А., Нехин С.C., Исследовательские испытания программно-аппаратных комплексов Геоскан 101 и Геоскан 201 // Геодезия и картография. – 2020. – Т. 81. – № 1. – С. 19-25.
2. Бабашкин Н.М., Кадничанский С.А., Нехин С.С. Сравнение эффективности аэрофототопографической съемки с использованием беспилотных и пилотируемых авиационных систем // Геопрофи. — 2017. — № 1. — С. 14-19. URL: http://www.geoprofi.ru/technology/sravnenie-ehffektivnosti-aehrofototopograficheskoj-s-emki-s-ispol-zovaniem-bespilotnyhkh-i-pilotiruemyhkh-aviacionnyhkh-sistem (дата обращения: 20.05.2020).
3. Приказ Министерства экономического развития Российской Федерации от 01.03.2016 № 90 «Об утверждении требований к точности и методам определения координат характерных точек границ земельного участка, требований к точности и методам определения координат характерных точек контура здания, сооружения или объекта незавершенного строительства на земельном участке, а также требований к определению площади здания, сооружения и помещения» URL: https://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/ 71274166/ (дата обращения: 29.05.2020).
4. Тепляничева И. А. Кадастровая информация и ее роль в решении социально-экономических задач // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2011. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kadastrovaya-informatsiya-i-ee-rol-v-reshenii-sotsialno-ekonomicheskih-zadach (дата обращения: 29.05.2020).