Аэрофотосъемка с использованием бпла. Применение перепиленных гражданских дронов для профессиональной геодезической аэрофотосъёмки местности

Приводим приблизительные расценки на аэросъёмочные работы, осуществляемые при помощи БПЛА.
Расценки могут меняться в зависимости от ПЛОЩАДИ СЪЁМКИ , ТРАНСПОРТНЫХ РАСХОДОВ , ВРЕМЕНИ ГОДА (наличия листвы/снега). Наилучшее соотношение цены/качества/скорости получается в промежутке между таянием снега и появлением листвы на деревьях.
Минимальная площадь съёмки одного объекта 6 км 2 , если есть несколько объектов с расстояниями между ними до 30 км, то мин объём 4 км 2 .

Цена аэрофотосъёмки БПЛА

Цены на аэрофотосъёмку БПЛА приведены на 1 км 2 .
1. Ортофотоплан в WGS84
Масштаб 1:500 (4 см./пикс) – 35 000 рублей 1 км 2 .
Масштаб 1:1000 (7 см./пикс) – 22 000 рублей км 2 .
Масштаб 1:2000 (10 см./пикс) – 17 000 рублей км 2 .
Масштаб 1:5000 (15 см./пикс) – 12 000 рублей км 2 .

2. Создание ортофотоплана с привязкой к местным системам координат:
Масштаб 1:500 + 10 000 рублей км 2 .
Масштаб 1:1000 + 6 000 рублей. км 2 .
Масштаб 1:2000 + 4 500 рублей км 2 .
Масштаб 1:5000 + 3 000 рублей км 2 .

3. Построение ЦМР или горизонталей:
Сечение 0,5 м + 12 000 рублей за км 2 .
Сечение 1 м + 8 000 рублей за км 2 .
Сечение 2 м + 5 000 рублей за км 2 .

4. Рассекречивание материалов ДЗЗ – 40 000 рублей за объект.
5. Отрисовка топографического плана по результатам съёмки БПЛА: оценивается индивидуально – от 5 000 рублей за км 2 .
Таким образом, стоимость 1 км 2 плана масштаба 1:2 000 при выходе на бумагу будет стоить 34 500, т.е. по 345 р/га – такую цену невозможно получить никаким другим способом!

Для больших площадей съёмки в более крупных масштабах (до 1:500) нами разработан способ комбинированных работ, включающих как съемку при помощи БПЛА, так и тахеометрию с проложением магистрального хода и подсъёмкой основных элементов местности.

Качество не раз проверялось инструментально с земли, в том числе силами заказчиков.

Преимущества технологии аэрофотосъёмки беспилотными летательными аппаратами.

Технология аэрофотосъёмки беспилотными летательными аппаратами развивается уже много лет но только в последнее время подошла по своим точностным характеристикам к классическим способам геодезической съемки и на уровне масштабного ряда от 1:500 и мельче сравнялась с ними. На данный момент АФС БПЛА находится на переднем крае развития геодезических технологий, вытесняя в обширном сегменте такие методы как тахеометрия, спутниковое позиционирование в режимах RTK, пилотируемая АФС, воздушное лазерное сканирование, делая их неконкурентоспособными как по стоимости, так и по срокам.
При больших объемах, слабо залесенной и слабо застроенной площади аэрофотосъемка БПЛА делает нерентабельными тахеометрическую и GPS съемку уже при площади в 70 га. В то же время воздушное лазерное сканирование и пилотируемая аэрофотосъёмка могут конкурировать с БПЛА лишь при объемах от 50 кв. км площадных объектов или от 200 пг км линейных. Итак, на данный момент развития технологий АФС БПЛА достаточно вольготно себе чувствует на открытых территориях в диапазоне объема работ от 0,7 до 50 кв. км.

К недостаткам АФС БПЛА стоит отнести ее метеозависимость и сезонозависимость (снежный покров или наличие очень густой растительности чаще всего препятствует получению достаточного для построения инженерно-топографического плана материала). Следует отметить, что эти факторы абсолютно в той же мере препятствует и другим способам съёмки. В масштабном ряду съёмка ограничена диапазоном от 1:5000 до 1:1000 (мельче 1:5000 целесообразнее использовать космические снимки, крупнее 1:1000 необходимы комбинированные с наземными средствами методы).
Растительность также может влиять на результат. В нашей практике мы сталкивались с бамбуковыми зарослями на южных Курильских островах, которые оказались не просвечиваемы практически на 100%, то же касается тростника заболоченных участков Юга России (например, дельта Волги) и, по всей видимости, тропической растительности юга Черноморского побережья. Лесные массивы средней и северной части страны, а также Сибири и Дальнего Востока, как правило, не являются помехой для АФС БПЛА.
Плотная городская застройка может накладывать ограничения на сам процесс полёта, а также скрывать за своими структурами множество элементов, не видимых сверху. Тем не менее, для таких объектов как СНТ, АФС БПЛА становится незаменимым решением ввиду ограничения доступа на каждый участок, значительно ускоряя процесс съёмки.

Применение аэрофотосъёмки БПЛА

Кроме топографической съёмки беспилотные технологии применяются нами и для различных форм мониторинга, объектами которого могут выступать несанкционированные свалки твердых бытовых отходов, линейные объекты - ЛЭП, трубопроводы, транспортная инфраструктура. Также БПЛА решает вопросы определения объемов земляных масс и их динамики при разработках месторождений открытым способом, карьеров. По сравнению с космическим мониторингов БПЛА дает несоизмеримо более актуальную информацию - при заказе космического снимка на конкретную территорию вы можете либо воспользоваться снимком их архива 1-3 месячной, а то и годовой давности или наоборот, ждать долгое время подходящей телеметрии спутника и своей очереди на съёмку вашей территории – данные с беспилотника вы можете получить в работу через несколько часов.
Аграрный сектор в последнее время становится одним из основных потребителей технологии. Агрохолдинги и крупные сельскохозяйственные объединения, обладающие большими площадями незастроенной и открытой местности, заинтересованы не только в производстве инженерно-геодезических изысканий для реконструкции и нового строительства, но и в мониторинге, инвентаризации сельхозугодий, оценки всхожести культур, прогнозе урожайности, мониторинге эрозионных процессов. Нами используется нормализованный вегетационный индекс (NDVI), позволяющий на основе разности ближней инфракрасной и красной областях спектра определять фотосинтезирующую активность биомассы.

Пространственное разрешение аэрофотоснимков с БПЛА

Сравнение снимка Google и аэрофотоснимка с БПЛА

Данные съёмки с БПЛА, показанные на этой странице, предоставлены . Технология обработки материалов съемки в ПО Agisoft PhotoScan предоставлена ООО "Плаз" .

Применение беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) позволяет существенно снизить затраты на производство аэрофотосъемочных работ. С точки зрения традиционной фотограмметрии качество подобной съемки вероятнее всего будет оценено, как неприемлемое, поскольку на БПЛА, как правило, устанавливаются камеры бытового сегмента, не используется гиростабилизирующая аппаратура, при съемке нередки отклонения оптических осей от вертикали в несколько градусов, что значительно усложняет процесс первичной обработки снимков. Однако для современного фотограмметрического программного обеспечения эти недостатки не представляют значительных проблем. Более того, развитие цифровых методов фотограмметрической обработки уже привело к появлению программ и программных комплексов, способных обрабатывать даже такие "некачественные" данные аэрофотосъемки в высокоавтоматизированном режиме, при минимальном участии оператора.

Рассмотрим технологическую цепочку получения топографической карты с использованием следующих компонентов:

БПЛА для выполнения аэрофотосъемки;
ПО Agisoft PhotoScan в качестве инструмента обработки материалов съемки;
инструментарий ГИС Панорама для векторизации ортофотопланов и получения топокарт.

Аэрофотосъемка с использованием БПЛА

В техническом плане процесс аэрофотосъемки с использованием БПЛА состоит из трех этапов: подготовительного, собственно съемки, и постобработки полученных данных.

Подготовительный этап
На данном этапе производится:

изучение имеющихся материалов; формирование или сбор требований к материалам, которые нужно получить по результатам съемки – тип и масштаб карты, границы объекта съемки; приведение их в технические требования к съемочным материалам: разрешение, координаты контура участка съемки, перекрытие снимков, точность определения координат центров фотографирования, требования к наземной опорной сети (при комбинированной съемке, например, когда привязка фотоплана производится по точкам наземной опорной сети, требования к точности определения КЦФ вообще не предъявляются);
формирование полетного задания для БПЛА. Выполняется программой – планировщиком полета, входящей в состав комплекса. Оператор должен выбрать используемый комплекс БПЛА (в случае, если программа позволяет работать с несколькими конфигурациями БПЛА и фотоаппаратуры), задать на карте контур участка съемки и примерное положение стартовой площадки, установить требуемое разрешение и перекрытие, после чего программа рассчитывает план полета и проверяет его выполнимость.

Выполнение аэрофотосъемки
По прибытии на стартовую площадку производится:

уточнение положения стартовой площадки, задание точки возвращения и ввод данных о скорости и направлении ветра на рабочей высоте, если таковые известны;
автоматическое уточнение плана полета и повторная проверка его выполнимости;
старт БПЛА с пускового устройства;
выполнение съемки в автоматическом режиме;
посадка.

Выполнение съемки местности с использованием БПЛА

При использовании комбинированного способа выполняется определение координат опорных точек, выбранных для привязки.

Постобработка данных
Заключается в:

снятии данных (фотоснимки и журнал полета) с бортовых носителей информации;
визуальной оценке качества фотографий и отбраковке "технических" кадров, если такие записаны. Под техническими кадрами понимаются снимки, сделанные вне пределов участка съемки - при подлете к участку, на дугах разворота и т.п.;
генерация файла привязки центров фотографирования. В ходе полета аппаратура управления ведет запись различных параметров, среди которых – координаты, скорость и параметры ориентирования летательного аппарата. После окончания съемки из файла журнала полета необходимо выбрать координаты, соответствующие моментам фотографирования, и приписать их конкретным снимкам. Такая обработка, как правило, выполняется в той же программе – планировщике полетного задания.

В соответствии с требованиями отраслевых инструкций , для получения топокарт масштаба 1:2000 необходима фотооснова, имеющая разрешение 15 см/пикс и имеющая погрешность определения координат в каждой точке не выше 60 см. Такое разрешение легко обеспечивается при съемке с БПЛА с использованием компактных фотоаппаратов. Например, съемка камерами типа Canon S-95 или Sony NEX-5 (с объективом SEL30M35) с высоты порядка 200-300 м дает снимки, имеющие разрешение 5 см/пикс.

Привязка требуемой точности достигается измерением координат центров фотографирования с использованием высокоточных GNSS-приемников в пределах референцной сети, или задействованием наземной опорной сети, точки которой привязаны с погрешностью не выше 30 см.

Обработка аэрофотоснимков в ПО Agisoft PhotoScan

Программа Agisoft PhotoScan - универсальный инструмент для генерации трехмерных моделей поверхностей объектов съемки по фотоизображениям этих объектов. PhotoScan с успехом применяется как для построения моделей предметов и объектов разных масштабов – от миниатюрных археологических артефактов до крупных зданий и сооружений, так и для построения моделей местности по данным аэрофотосъемки и генерации матриц высот и ортофотопланов, построенных на основе этих моделей. Обработка данных в PhotoScan предельно автоматизирована – на оператора возложены лишь функции контроля и управления режимами работы программы.

Построение и привязка модели местности в программе состоит из трех основных этапов:

построение грубой модели. На этом этапе производится автоматическое определение общих точек на перекрывающихся снимках, восстановление проектирующих лучей, определение координат центров фотографирования и элементов взаимного ориентирования снимков, расчет параметров, описывающих оптическую систему (дисторсия, коэффициент ассиметрии, положение центральной точки). Все эти расчеты выполняются в программе за одну операцию;
привязка полученной модели к внешней (геодезической, географической) системе координат и уравнивание всех параметров системы – координат центров фотографирования и наземных опорных точек, углов ориентирования снимков, параметров оптической системы с использованием параметрического метода уравнивания. В качестве весовых коэффициентов для уравнивания выступают погрешности определения координат точек съемки (центров фотографирования), определения координат точек наземной опорной сети, дешифрирования и маркирования опорных точек на снимках;
построение полигональной модели поверхности местности на основе определенных на предыдущем этапе параметров. В программе реализован экспресс-способ, заключающийся в триангуляции только общих точек, полученных на первом этапе, и более точные способы обработки, заключающиеся в определении пространственного положения для каждого пиксела изображения (в зависимости от заданной степени детализации обрабатывается каждый первый, каждый четвертый, каждый шестнадцатый, и т. д. – всего пять возможных уровней).

Затем полученная модель используется для генерации ортофотопланов и матриц высот.

С точки зрения оператора процесс работы с программой выглядит следующим образом:

Выбор системы координат и загрузка данных привязки центров фотографирования

Формирование точечной модели поверхности Земли

При наличии наземной опорной сети – установка отметок опорных точек на фотоснимках и загрузка координат точек опорной сети

Оптимизация модели (уравнивание параметров привязки)

Генерация полигональной модели поверхности Земли

Экспорт данных – ортофотоплан, матрица высот

Приведенные скриншоты окна программы наглядно иллюстрируют процесс обработки материалов аэрофотосъемки на примере съемки полигона "Заокский", материалы которой предоставлены ОАО "Газпром космические системы" . Обработка данных материалов на ПК, оснащенном 4-хядерным процессором Intel Core i7 2600K и имеющем 16 Гб оперативной памяти, заняла порядка трех-четырех часов – от загрузки фотографий до экспорта ортофотоплана и цифровой модели местности в формате GeoTiff. Из этого времени около одного часа ушло на дешифирование и маркирование опорных точек – ручной труд оператора, а остальное время заняло выполнение расчетов.

Имеется возможность формирования пакетного задания на обработку. Загрузив исходные снимки, можно сразу указать параметры для каждого из этапов, и программа самостоятельно выполнит весь цикл обработки.

Непосредственно в графическом интерфейсе программы можно производить базовые измерения на полученной модели - измерять расстояния, площадь поверхности и объем модели.

Развитый API позволяет создавать скрипты на языке Python, управляющие обработкой и отображением данных, что позволяет еще более автоматизировать решение типовых задач.

1) Фотографии загружены. В свойствах проекта видно, что проект состоит из блоков (chunks) – обрабатываемых независимо частей проекта со своими фотографиями, моделью, СК, параметрами калибровки оптики и т.п. В данном проекте - один блок, состоящий из 415 фотографий. Метки NA (not aligned) рядом с фотографиями показывают, что положение этих снимков в пространстве модели еще не известно.

2) Выбор системы координат

4) Метки в форме синих шариков отображают взаимное расположение точек съемки (КЦФ), после уравнивания они будут заменены метками другого вида, соответствующим положению плоскостей кадров

5) После выполнения первого этапа обработки – первичного уравнивания и построения точечной модели, формируется облако точек, описывающее модель, и набор параметров взаимного ориентирования фотоснимков. Положение выбранного снимка отображается в области просмотра модели. Снимки, которые не удалось уравнять, по-прежнему отображаются сферами/шариками, и в списке фотографий отмечены меткой NA (not aligned). В данном проекте таких нет

6) Установка маркеров (меток опорных точек). Если известно положение маркеров на снимках (в системе координат снимка), можно просто импортировать эти данные в PhotoScan. Если маркеры еще не дешифрированы, придется задавать их расположение прямо в программе. Для каждого маркера достаточно отметить их положение на одном-двух снимках, и PhotoScan автоматически определяет их положение на других снимках, выделяя снимки, на которых присутствует выбранный маркер, специальными метками. На каждом снимке можно подтвердить итли уточнить автоматически выбранное положение маркера

7) Маркеры расставлены. Можно выполнять построение модели местности

8) Модель готова. Ее можно экспортировать как матрицу высот (цифровую модель местности) и сформировать на основе этой модели ортофотоплан местности.

9) В завершение можно построить текстуру модели и рассматривать ее прямо в программе.

10) Внутреннее представление модели поверхности Землки в PhotoScan - сеть триангуляции Делоне, TIN модель

11) Ортофотоплан всего участка съемки.

12) Цифровая модель местности всего участка съемки

Получение карт на основе ортофотопланов в ГИС Панорама

Комплекс автоматизированного дешифрирования и векторизации по данным ДЗЗ, разработанный на базе ГИС "Панорама" , предназначен для автоматической векторизации линейных и площадных объектов по цветным растровым изображениям земной поверхности.

Процесс автоматической векторизации состоит из следующих основных этапов:

предварительная обработка растра;
классификация;
обработка растра классификации;
преобразование растра в вектор;
векторная обработка.

Предварительная обработка является необязательным этапом, включает масштабирование и фильтрацию растра. Масштабирование позволяет значительно ускорить обработку при избыточном разрешении снимка. Фильтрация уменьшает шумы изображения, что положительно влияет на результаты распознавания.

Классификация – процесс определения принадлежности отдельных пикселей исходного растра тому или иному распознаваемому объекту. Классификация состоит из трех основных этапов. На первом этапе пользователь определяет обучающие выборки – указывает области на снимке, однозначно принадлежащие распознаваемым объектам. Затем происходит обучение классификатора – процесс выявления и запоминания статистических дешифровочных характеристик, присущих распознаваемым объектам. Эти данные используются собственно в классификации - определения принадлежности отдельных пикселей исходного растра распознаваемому объекту.

Вычисление статистических дешифровочных характеристик при обучении и классификации выполняется для скользящего окна. При обучении окно перемещается в пределах обучающих выборок, при классификации на всем остальном снимке. В качестве статистических дешифровочных характеристик используется спектральные (средний цвет) и текстурные характеристики (контраст, энергия, корреляция).

К загруженному ортофотоплану в формате GeoTiff применяется технология классификации и распознования

Результатом классификации является растр классификации – растр принадлежности пикселей исходного растра тому или иному распознаваемому объекту. Растр классификации содержит много шумов – неправильно классифицированных пикселей. Их можно отфильтровать исходя из предположения, что плотность расположения неправильно классифицированных пикселей меньше правильно классифицированных.

На следующем этапе производиться фильтрация лишней информации, ее сглаживание и перевод с в линейный и площадной вид

Для этого используются морфологические операции - изменение бинарного состояния пикселя на основе анализа состояния его соседей. К таким операциям относятся:

эрозия – замена на ноль единичных пикселей, если рядом есть хоть один нулевой пиксель;
наращивание – замена на единицу нулевого пикселя, если рядом есть хоть один единичный пиксель;
удаление небольших областей – замена восьмисвязных локальных групп единичных пикселей на нули, если количество пикселей меньше допуска;
заливка небольших дырок – замена восьмисвязных локальных групп нулевых пикселей на единицы, если количество пикселей меньше допуска;

После обработки растр классификации преобразуется в набор векторных объектов – линий или площадей. В процессе преобразования в линии создаются непересекающиеся линейные объекты. При преобразовании в площади создаются площадные объекты, имеющие общие части контура. На окончательном этапе распознанные объекты объединяются или удаляются на основе анализа их взаимного расположения. Объединенная сеть объектов совместно сглаживается и фильтруется перед сохранением в создаваемую карту.

Результат автоматизированного дешифрирования и векторизации ортофотопланов можно посмотреть и отредактировать в ГИС "Панорама"

При обновлении цифровых карт имеющиеся контура объектов используются для автоматического обучения программы дешифрирования и векторизации. При необходимости оператор может выбрать отдельные участки, которые попадают на наиболее характерные изображения дешифрируемых объектов.

Программа сопоставляет контура объектов и соответствующие им области снимков, запоминает свойства изображения и выполняет уточнение контуров объектов по реальным границам областей с подобными свойствами изображения. При этом создаются и новые объекты в тех местах снимка, где будут найдены близкие по изобразительным свойствам области.

Литература
1. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов ГКИНП (ГНТА)-02-036-02. Москва, ЦНИИГАиК, 2002

В одном мы уверены точно: высокая цена не всегда означает высокое качество.

Мы окунемся в индустрию и узнаем, как дроны покажут себя при съемке.

В этом исследовании используются термины и специфический жаргон, но они не помешают вам разобраться в сути. В данном исследовании была произведена обработка данных в DroneDeploy и получена высокая точность привязки - 9 см.

Описание

Топографическая съемка является неотъемлемой частью всех проектов в области землеустройства.

В этом примере мы рассмотрим участок земли, на котором должен был быть построен новый поселок. До начала работ было необходимо провести точную топографическую съемку по нескольким причинам:

Осуществить начальное освоение земель, чтобы спроектировать сток воды для дренажа.
Провести топографическую съемку поймы прилегающей реки для предотвращения возможных наводнений.

Если вы собираетесь открыть собственный отдел беспилотной съемки, готовьтесь к тому, что он станет объектом крупных инвестиций, и в итоге времени на проект может быть потрачено больше.

Геодезия 101

Для традиционной топографической съемки требуется сбор координат точек в заранее определенной сетке. В этом случае использовалась сетка размером 150х150 см:

Измерения производились каждые 150 сантиметров, на каждом перекрестке:

Всего на площади съемки 34,5 Га было собрано 1632 координаты.

Без дрона, снимающего со скоростью 20 точек/час (1 точка, каждые 3 минуты), сбор данных занял бы приблизительно 82 часа.

82 часа традиционной съемки означают, что инженер вынужден ждать как минимум неделю, чтобы приступить к обработке данных. Далее понадобится еще 3-4 дня, прежде чем работа будет сделана.

Проведя ту же съемку с использованием БПЛА, полевая команда смогла предоставить разработчику более быстрый вариант обзора.

Прежде всего, не нужно было собирать 1600 точек по всей площади. Вместо этого потребовалась съемка всего 10 наземных меток, расположенных в зоне обзора:

Для более крупных проектов Наземные опорные точки (GCP) лучше расставить по сетке.

10 наземных меток или 1632 точки:

10 опорных меток могут быть сделаны за 1-2 часа.

Те, кто знаком с фотограмметрией, знают, что точки, собранные с поверхности воды - неприемлемы для использования в подобных съемках.

Завершив сбор GCP, были собраны точки традиционным методом в участках со стоячей водой - комбинация двух методов, описанных выше.

Конечные собранные точки:

В итоге мы получили 117 точек (10 GCP + 107 на участках со стоячей водой).

Время на съемку:

Теоретически: 10 наземных меток + сбор точек = 1-2 часа

Фактически: 117 точек (10 GCP + 107 на участках со стоячей водой) при скорости сбора 20 точек / час = 5,85 часа

Традиционный метод: 1,632 точки при скорости сбора 20 точек / час = 81,6 часа

В течение часа были завершены все действия с БПЛА, включая сборку, предполетные проверки, запуск, посадку, разборку и первоначальную сшивку карты.

Таким образом мы получили:

БПЛА (1 час) + сбор точек (5,8 часа) =

Общее время полевых работ: 6,8 часа

Сравнение:

34,5 Га/ полевые работы с использованием БПЛА = 6,8 часа

34,5 Га/ полевые работы по традиционному методу = 81,6 часа

Общая экономия: 74,8 часа

Анализ данных

После проведения полевых работ, полученные данные требуют тщательной обработки. Сначала обрабатываются наземные метки, при этом при этом их позиция должна быть полностью скорректирована.

Далее, скорректированные точки (файл.las) должны быть экспортированы для создания основы топографических данных. Однако, большое количество точек в файле.las означает, что начальные топографические контуры выходят довольно грубыми:

Контуры должны быть сглажены, чтобы впоследствии создать согласованную линию, не теряя точность. В ином случае полученные данные - непригодны.

После 2 дней дополнительной обработки, результирующие топографические контуры стали точными в пределах 9 сантиметров, как по горизонтали (X, Y), так и по вертикали (Z):

Общие сроки выполнения проекта:

Метод с использованием БПЛА::

Полевые работы (6.8 часов) + обработка данных (24 часа) =

30,8 часов (около 4 дней)

Обычный метод:

Полевые работы (81,6 часов) + Обработка данных (24 часа)=

105,6 часов (около 13 дней)

Используя технологию с использованием беспилотника, инженер получил окончательный топографический обзор примерно за 75 часов

По полученным данным выяснилось, что:

1. Требуется дополнительное освоение земель, чтобы построить сточный дренаж в низколежащих районах, где вода удерживается.

2. Работники теперь смогут эффективно прогнозировать и планировать даты строительства дорог, домов и т.д.. - что поможет выполнять работы точно в срок.

3. Инженер узнал о недорогой и рентабельной съемке с БПЛА и планирует снова использовать этот метод для проведения окончательного «встроенного» топографического исследования в ближайшие недели.

Здесь Вы можете больше и лучшие модели беспилотников.

Выбор беспилотника

Для начала определимся с задачей, которую пришлось решать в этой работе. Первая задача - построение 3D модели (ортофотоплана) достаточно большой территории сельскохозяйственных угодий одного из заказчиков, у которого по сути поля находятся в окружении лесов, или как мы шутили в последствии - полей, которые встречаются в лесу. Эта характерная ситуация для сельского хозяйства в Томской области, которая является чрезвычайно залесённой. Да посмотрите сами - всё станет понятно без слов.

Большая территория и совершенно устаревшие данные по земельным отводам не дают объективной оценки состояния земель, поэтому собственникам земельных угодий становится не только интересно, но и выгодно понимать, какими ресурсами они владеют (или не владеют) на самом деле.

Собственникам земель доступны вот такие допотопные карты-планшеты, склеенные из бумаги с данными по отводу земель 30-40 летней давности. Цветным даже нанесены данные по содержанию в земле питательных веществ, что является важнейшей для агронома информацией, которая также в большинстве случаев уже не соответствует действительности. Короче, век хоть XXI, по сути живем данными и картами середины прошлого века. Конечно, получить объективную и актуализированную информацию о состоянии угодий полезно не только для инвентаризации имеющейся земли, но и для ввода новых земель в оборот, за которые можно получить приличные субсидии от государства. Осталось только найти эти земли среди болот и лесов. Начинаем поиски.

Для съемки таким больших территорий используется специальное промышленное летное оборудование - БПЛА самолетного типа (конструкция тип «крыло»). Эти аппараты позволяют за 1 полётную сессию покрывать до 1500 км 2 территории и получать снимки с необходимым качеством для дальнейшей постобработки. Выбор БПЛА на рынке достаточно большой. Как импортные, так и отечественные БПЛА на любой карман. Правда, дорогие и по моему мнению совершенно не оправдано. Но видно так диктует рынок. Цены от 1 млн. за достойный аппарат. Предлагаю немного прерваться и посмотреть короткое видео (2 мин 30 сек), которое я специально снял для читателей Хабра для этой статьи, чтобы сразу понять, что это за промышленный БПЛА и как это выглядит.

Съемка с использованием БПЛА

Самолет сам по себе никуда не полетит, если его не запустить в полет и не сделает того, что должен сделать. А что, собственно, должен делать БПЛА? Он должен строго следовать полётной инструкции и провести съемку в полном соответствие с планом съемки, который содержится в летном задании.

Летное задание

Летное задание – специализированная инструкция, состоящая из указаний операторам по проведению процесса съемки, содержит все необходимые требования, включая утверждение масштаба фотографирования и фокусного расстояния фотооборудования, формат аэрофотоснимка, заданные проценты продольного и поперечного перекрытий, размеры съемочного участка. По этим исходным данным определяют высоту и базис съемки, интервал между экспозициями, число аэрофотоснимков в маршруте и на съемочный участок, а также ориентировочное время, необходимое для аэрофотосъемки всего участка. При этом важно не забывать, что снимки должны быть в строгом соответствие с выбранным масштабом съемки.

Что такое масштаб съемки?

По масштабу аэросъемки условно подразделяют на сверхкрупномасштабные (крупнее 1:2000, разрешение до 20 см), крупномасштабные (от 1:2000 до 1:10000), среднемасштабные (от 1:10000 до 1:30000), мелкомасштабные (от 1: 30000 до 1:100000) и сверхмелкомасштабные (мельче 1:100000). Здесь и далее речь идет о соответствие размеров объектов в действительности, соотнесенные их изображению на цифровом снимке для 1 пикселя. То есть, к примеру, на сверхкрупномасштабном снимке 1:2000 изображение 1 пикселя соответствует объекту размером 20 см.

Съемка местности с перекрытием

Для того, чтобы получить качественную картографическую информацию и построить 3D модель местности, необходимо провести съемку территории с перекрытием, т.е. снимать участок земли так часто, чтобы последующий снимок как-бы «перекрывал» предыдущий, по аналогии с кровлей крыши, где каждая плитка накрывает часть предыдущей. То есть, съемка с БПЛА осуществляется так, как показано на рисунке - с перекрытием.

А всю территорию надо разбить на маршруты, т.е. мы получаем n-количество снимков вдоль и поперек, соответственно с продольным и поперечным перекрытием, так как показано на следующем рисунке

Величина продольного перекрытия между соседними аэрофотоснимками одного маршрута как правило в пределах 55-70 %, а поперечное - не менее 20%.

Перекрытия имеют особенности. Грабли номер раз

Перекрытия между соседними снимками одного маршрута, которые называются продольными (Px), имеют свою специфику. Слишком малые, так и слишком большие перекрытия снимков для задач построения 3D моделей территории не пригодны. Для получения стереоскопического (объемного) изображения в теории достаточно иметь продольное перекрытие в 50%. Однако из-за краевых эффектов и аберраций (искажений изображений) снимков продольное перекрытие несколько увеличивают. Большие перекрытия также недопустимы, так как это резко снижает объемность изображения, и, как следствие, ухудшают качество построение 3D моделей. При почти 100% перекрытии получаются два одинаковых снимка, у которых нет стереоскопического эффекта и это является не допустимым. Перекрытия между соседними снимками в равнинных условиях съемки должны находиться в пределах 55-70%, в горных условиях и при наличии существенных перепадов в рельефе местности перекрытие можно значительно увеличить вплоть до 80-90% без потери качества построения 3D модели местности.

Такой вид съемки, который используется в большинстве случаев, относится к площадной съемкой с перекрытием.

Перед началом работ проверяют все необходимое оборудование, материалы и полетные карты, проводят тренировку экипажей и составляют график полетов (прохождения маршрутов съемки) в соответствие с летными задачами, затем проверяют все необходимые расчеты параметров съемки.

Таблица содержит все необходимые исходные данные для проведения аэрофотосъемки и расчета всех её параметров. Конечно, ввод этих данных идет в автоматическом режиме, но я приведу формулы расчета, чтобы иметь общее представление, что всегда полезно.

Для получения необходимо разрешения снимков, съемку с БПЛА необходимо вести на строго определенной высоте полета H пол.

где H пол - высота полета, м; GSD - разрешение пикселя, м/пкс; l х - размер матрицы камеры (по оси абсцисс), пкс.

Расстояние между соседними снимками (В) для последующего расчета их количества по продольному маршруту определяется как

где P x – продольное перекрытие, %; GSD – размер пикселя на местности.

Ширина маршрута на местности (L M) зависит от размера матрицы (в направлении ординат) (l y) применяемой в комплексе с БПЛА цифровой камеры и определяется следующим соотношением:

где l y – ширина матрицы по оси «y», пкс.

Определить расстояние между смежными маршрутами L y съемки с условием поперечного перекрытия P y можно рассчитать по формуле

где длина участка D x равна длине среднего маршрута в продольном направлении от левого края первого аэрофотоснимка до правого края последнего аэрофотоснимка с запасом на 1 снимок.

Количество маршрутов N м вычисляют с учетом ширины участка D y , который измеряют в поперечном направлении посередине от верхней стороны снимка первого маршрута до нижней стороны снимка последнего маршрута с запасом в 1 маршрут.

Суммарное количество снимков на исследуемый участок N уч определяют как общее количество снимков по всем маршрутам съемки, а минимальное полетное время съемки, которое, в частности, может использоваться для соответствующих экономических расчетов затрат на проведение работ, вычисляется по формуле:

где V – средняя скорость БПЛА в процессе съемки территории.
Конечно, это расчетное время съемки и оно никак не связано со временем реальной работы, которое в зависимости от количества разбросанных граблей по которым приходится шагать, может и на на пару порядков отличаться от расчетного, но все-же)

Как говорилось выше, все необходимые вышеуказанные параметры съемки задаются в автоматическом режиме с учетом использования современного БПЛА оборудования, оснащенного специализированными контроллерами и современным программным обеспечением. Однако, при обеспечении внутреннего контроля работ необходимо проконтролировать точность введения исходных данных, а полученные снимки должны быть выборочно (либо целиком) проконтролированы на качество. Для этого необходимо вести (в бумажном или цифровом виде) дефектовочные карты проведенных съемок (оценка снимков проводится по 5-бальной шкале). Дефектовка проводится на месте, чтобы при необходимости переснять неудачные участки, чтобы не повторять командировку вновь.

И немного о погоде. Очередные грабли

Съемку земной поверхности осуществляют через толщу атмосферы, характеристики которой непостоянны. Состояние атмосферы определяет условия и результаты съемки. Физическое состояние атмосферы характеризуют ее прозрачность и рефракции лучей в ней, температура воздуха, атмосферное давление, влажность воздуха, облачность, перемещение воздушных масс. Наибольшее влияние на результативность съемки в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра оказывают степень прозрачности атмосферы, освещенность и облачность.

В слое атмосферы между земной поверхностью и съемочной системой, установленной на БПЛА, всегда в той или иной степени содержатся мельчайшие (0,01-1 мм) частицы газов, водяных паров, пыли, дыма. Они вызывают рассеяние света в атмосфере и обусловливают дополнительную яркость самого воздуха, чем снижают контрастность деталей земной поверхности. Свечение или мутность атмосферы за счет рассеяния света от взвешенных в воздухе частиц называют дымкой. При преобладании в атмосфере молекул газов и водяного пара сильнее рассеиваются лучи с короткой длиной волн и атмосферная дымка имеет преимущественно голубой или синий цвет. Если же преобладают взвешенные частицы пыли, дыма и других посторонних тел, дымкой в равной степени рассеиваются лучи всех цветов спектра и сама она принимает серый или белесый цвет. Такая дымка чаще бывает в районах с задымленностью от лесных пожаров и промышленных предприятий или в зонах распространения частиц пыли и песка.

Аэрофотосъемка возможна и при высокой сплошной облачности, расположенной выше БПЛА, выполняющего съемку. Высокая сплошная облачность позволяет получать бестеневые аэрофотоснимки со смягченными тонами теней, в результате чего полог лесных насаждений просматривается глубже, лучше видны его затененные части.

Для целей дешифрования лесной растительности, важное значение имеет влияние высоты Солнца в момент проведения съемки: чем оно выше, тем контрастнее выделяется соотношение между освещенными и затененными сторонами крон в пологе насаждений. Также более отчетливо отбрасываются тени.

При высоте Солнца более 30° общий вид изображения полога насаждений яркий и пестрый, так как сомкнутые насаждения состоят из светлых крон и темного фона от затененных промежутков между кронами.

Обычно съемку начинают не ранее чем через 2 ч после восхода Солнца и заканчивают за 3 часа до его захода. В большинстве случаев аэрофотосъемочное время дня ограничивается тремя-четырьмя часами, поскольку после 9-10 ч, особенно в лесных районах, появляется кучевая облачность, достигающая наибольшего развития к 13-15 ч. Не догма, наблюдение из собственного опыта.

Прямым ограничением проведения съемок является наличие сильного дождя, снега, грозовых явлений, либо резких порывов ветра с горизонтальной скоростью более 10-15 м/с и вертикальными порывами более 3 м/с. Однако, не смотря на то, что современные промышленные БПЛА могут эксплуатироваться в условиях значительной ветровой нагрузки, целесообразно иметь системы метеорологического мониторинга полетных условий, которые должны сопровождаться контролем горизонтальной и вертикальной скорости ветра и влажности воздуха, так как влажность существенно влияет на плотность воздуха и, как следствие, на аэродинамические свойства БПЛА. Не смотря на то, что производители БПЛА пишут в рекламе, что их аппараты летают при практически любой погоде - лучше летные мероприятия проводить в нормальную погоду. Потерять БПЛА намного дороже, чем выждать подходящие метеоусловия. Ведь бОльшая часть таких аппаратов гибнут по двум причинам - раздолбайство операторов и неподходящая погода. То и другое является для производителей БПЛА «золотым дном», ведь дорогостоящие ремонты БПЛА тоже ооооочень доходный бизнес. Поэтому нельзя экономить на подготовке операторов и торопить события с желанием все быстро сделать. Это как раз тот случай, когда спешка и смех находятся в самой прямой зависимости.

Осторожно, суровые законы!

Представим, что вы имеете отличное оборудование, промышленные БПЛА и великолепных операторов, заказчиков работ, но все равно попали в тюрьму. Да, именно так, ведь несоблюдение требований законодательства к организации летных мероприятий и открытия воздушного пространства совершенно спокойно может привести к таким последствиям. Ничего не попишешь, в этом смысле в России придумано всё так, чтобы даже при условии соблюдения всех правил можно что-то не учесть. Вообще процесс получения официального разрешения на полеты (открытия воздушного пространства) еще тот концерт. Каждый случай специфичен. Общие же принципы таковы. Для осуществления летных мероприятий с использованием БПЛА необходимо строго руководствоваться требованиями законодательства. Основным документом для работы по открытию воздушного пространства является постановление Правительства РФ от 11 марта 2010 г. N 138 «Об утверждении Федеральных правил использования воздушного пространства Российской Федерации». Второй параграф Правил содержит определение БПЛА: беспилотный летательный аппарат - летательный аппарат, выполняющий полет без пилота (экипажа) на борту и управляемый в полете автоматически, оператором с пункта управления или сочетанием указанных способов.

Таким образом, для выполнения требований Законодательства для обеспечение полетных мероприятий (в общем случае) необходимо выполнить ряд обязательных мероприятий. Необходимо подготовить Сообщение о плане полета беспилотного летательного аппарата (далее - сообщение о плане запуска). Сообщение представляет собой сведения о планируемой деятельности по использованию воздушного пространства, которые направляются пользователем воздушного пространства или его представителем в орган обслуживания воздушного движения (управления полетами) по авиационной наземной сети передачи данных и телеграфных сообщений, по сети Интернет или на бумажном носителе, включая факсимильное сообщение.

Сообщение о плане запуска по авиационной наземной сети передачи данных и телеграфных сообщений, а также на бумажном носителе, включая факсимильное сообщение, направляется в виде формализованной телеграммы, состоящей из трех частей: адресной, информационной и подписной.

Адресная и подписная части телеграммы заполняются в соответствии с установленными правилами адресования и передачи телеграфных сообщений.

Информационная часть телеграммы заполняется в последовательности и по правилам, определенным Табелем сообщений о движении воздушных судов в Российской Федерации и требованием Законодательства.

Сообщение о плане запуска по сети Интернет направляется путем заполнения информационной части плана полета воздушного судна на веб-сайте органа ОВД в последовательности и по правилам, определенным настоящим Табелем сообщений.

Текст сообщения о плане запуска заполняется печатными буквами в соответствующих случаях латинского или русского алфавита. В виду динамично развивающего Законодательства в области использования воздушного пространства, указанные правила изменяются. Невыполнение или частичное выполнение указанных правил может привести к административной ответственности физических или юридических лиц, а в случае тяжких последствий – к уголовной ответственности в установленном в Законодательстве порядке.

Требования к операторам БПЛА и руководителю полетов

Современные профессиональные БПЛА представляют собой средства повышенной опасности. Наличие маршевых двигателей, существенный вес БПЛА и сложность эксплуатации накладывают определенные требования к квалификации операторов. Съемки залесенной территории в Сибирском регионе связана с опасностью попадания в зону действия лесных пожаров, дополнительным фактором опасности является наличие клещей и гнуса. Персонал должен строго соблюдать требования инструкции по ТБ оператора, работы выполнятся как минимум двумя операторами. Люди, выполняющие полевые летные работы, должны быть привиты от клещевого энцефалита, иметь специальную защитную одежду, удостоверение оператора БПЛА и гражданский паспорт, комплект разрешительных документов на открытие воздушного пространства, аптечку и средства связи. В зонах отсутствия или неустойчивости связи сотовых операторов – радиостанции УКВ и КВ диапазонов. При организации съемок с БПЛА в местах появления опасных животных руководитель полетов должен иметь средства для их отпугивания (шумовые патроны и спецсредства) или огнестрельное оружие (при наличии лицензии). В случае необходимости применения оружия данный факт сообщается правоохранительным органам и(или) специалистам лесного хозяйства для актирования случая.

При появлении любых опасных явлений в зоне проведения полетов, они должны быть незамедлительно прекращены, а руководитель полетов должен предпринять все разумные усилия для обеспечения безопасности операторов и срочно покинуть опасное место, к примеру, при приближении очага лесного пожара.

Ну вот примерно так происходит подготовка к проведению БПЛА съемки с помощью промышленного лётного оборудования. В последующих сериях (статьях) рассмотрим технологии обработки и интерпретации полученных БПЛА снимков с целью получения качественной картографической информации и 3D моделей местности. Также поговорим о дешифровке различных интересных объектов на снимках с БПЛА. Будет интересней! Хорошего дня!