Фотограмметрия с помощью дронов в качестве альтернативы классическим методам

С тех пор, как в геодезические исследования пришла аэрофотосъемка и компьютерные методы обработки данных, был сделан первый шаг к новой эпохе в этой востребованной сфере человеческой деятельности. Вторым шагом можно уверенно считать внедрение беспилотных летательных аппаратов, оснащенных компактным оборудованием для сбора данных. Вместе с новыми программными приложениями, мобильными устройствами (смартфонами и планшетами), а также облачными сервисами для работы с данными беспилотные технологии произвели если и не революцию в геодезии, то уж точно доказали свою надежность, экономическую эффективность и высочайшее качество данных.

Традиционные методы геодезических исследований и их недостатки

Наземные методы геодезических исследований сложны и довольно затратны по времени и человеческим ресурсам. Как известно специалистам, с некоторых пор “джентльменским набором” геодезистов стали тахеометры, GPS-приемники и наземные лазерные сканеры, которые позволяют получать пространственные данные высокого разрешения для топографии поверхности земли. 

Но с непрерывным прогрессом в беспилотных авиационных технологиях в течение последних нескольких лет беспилотники стали заметным инструментом для съемки и картографирования. Для выполнения картографических задач дроны оснащают цифровыми камерами высокой точности, устанавливают модули геопозионирования, а также дополняют аппаратное и программное обеспечение для повышения точности и надежности работы. Оснащенные таким образом БПЛА могут выполнять задачи: 

• по созданию цифровых 3D-моделей местности,
• по созданию фотосхем и фотопланов посредством аэрофотосъемки
• по созданию ортофотопланов и топографических планов. 

Для создания точных реальных 3-мерных моделей из 2-мерных изображений в технологии картографии с помощью дронов применяют метод, который называется фотограмметрией. Путем объединения и обработки нескольких аэроснимков с географической привязкой фотограмметрические методы используются для создания выходных данных: трехмерных облаков точек, растровых цифровых моделей рельефа и ортомозаики.

Преимущества использования БПЛА для фотограмметрии

Специалисты, которые уже используют беспилотники для геодезических работ, сумели оценить множество преимуществ нового метода. Об этом говорит и тот факт, что помимо стандартных моделей дронов, оборудованных специализированными штатными камерами и другими аксессуарами для высокоточной съемки, встречаются даже самодельные модели на базе беспилотников DJI. Некоторые решаются вносить собственные изменения в конструкцию, дополняя возможности надежных и мощных моделей китайского лидера рынка БПЛА собственным функционалом. 

Так какие же преимущества дронов в геодезических исследованиях чаще всего подчеркивают специалисты? Вот наиболее важные: 

• наличие систем точного позиционирования;
• автоматизация полетов и технологии съемки;
• автоматизация полетного задания, включая маршрут полета;
• много возможностей для установки дополнительного оборудования (особенно на модели серии Matrice);
• возможность работать в неблагоприятных погодных условиях (преимущественно для серии DJI Matrice 200);
• возможность работать при низких температурах (также для серии DJI Matrice 200);
• мощная силовая установка и интеллектуальная система управления питанием;
• достаточная для выполнения задач длительность полета;
• наличие интеллектуальных систем пилотирования;
• компактность и быстрота развертывания.

Одним из самых важных преимуществ картографии с применением беспилотников можно считать значительную экономию времени. За гораздо более короткие сроки геодезисты, использующие беспилотные технологии, выполняют намного больший объем работ, чем их коллеги, работающие посредством традиционных методов.  То есть, тот объем съемочных работ, который традиционно выполнялся на протяжении недели, а то и больше, команда, “вооруженная” беспилотником сделает за 1 день. А сокращение сроков работа при сохранении высокого качества означает также и значительную экономию бюджета. 

Быстрота и гибкость развертывания беспилотников вместе со вспомогательным оборудованием позволяют использовать их в самых разных местах. Это крайне важно, так как исключает необходимость отправки геодезической команды в опасные зоны: в зоны со сложным рельефом, районы интенсивного дорожного движения, области неустойчивых грунтов и крутых насыпей. Даже вышки сотовой связи и верхушки деревьев уже не являются непреодолимым препятствием, если работы производятся с помощью БПЛА.

Универсальность и гибкость беспилотников и очевидные их преимущества в сфере фотограмметрии стали превращать в ряде обзоров эти аппараты чуть ли не в единственное средство решения задач геодезического исследования. Действительно, во многих работах говорится о высокой точности беспилотников. Но так ли это на самом деле? Одно дело – теория. А что нам говорит практика применения БПЛА для целей геодезии? Обоснованно ли считать дроны эффективным инструментом для фотограмметрии?  

Результаты тестирования

Хотя реальные работы по фотограмметрии уже выполняются не первый год, некоторые результаты научных исследований и тестирования будут не лишними для положительного ответа на поставленный выше вопрос. 

В декабре 2019 года в “Журнале беспилотных систем” (“Journal of Unmanned Vehicle Systems”) был опубликован отчет о применении новейших беспилотных систем и оборудования для них. Тестирование выполнялось для проверки упомянутых технологий в вопросе обработки данных картографирования и возможности их дальнейшего использования для геодезии. Тестирование доказало, что БПЛА вместе со специализированным оборудованием и программными модулями позволяют выполнять высококачественную съемку и обработку данных для нужд картографии. В зависимости от ситуации эти методы могут либо дополнять традиционные наземные технологии, либо заменить их полностью. 

В подтверждение своих слов исследователи выполнили триангуляционную съемку церкви, которая располагалась на участке площадью в 1,6 га. Съемка выполнялась 7 раз с помощью дрона DJI Inspire 2 с высокоточной системой PPK GNSS и камерой Zenmuse X4S. На участке располагались объекты с разными типами поверхности и разной формы. Например, объекты с гладкой поверхностью всегда были легкой задачей для дронов (создание моделей парковок, поля, крыш зданий и др.). Кроме них на участке также были и более сложные для моделирования строения и объекты: стены, провода в воздухе и покрытая растительностью земля. Исследователи использовали данные из пар стереоизображений, чтобы заполнить пропущенные или искаженные характеристики.

Использование дрона профессионального уровня с системой позиционирования означала отсутствие наземных точек контроля. Но, несмотря на это, команде, занимавшейся съемкой, удалось собрать 23 хорошо распределенных контрольных точки, чтобы вычислить преобразование для избыточности и предоставить достаточно данных, удовлетворяющих задачам исследования. При этом процесс создания снимков для последующей их обработки занял всего половину дня работы в поле. А сам процесс обработки был завершен за полтора дня. Если бы эту же задачу выполняла команда, работающая по традиционным технологиям, то на весь процесс сбора и обработки данных потребовалось бы не менее 3 дней. 

При выполнении картографирования с помощью дронов исследователи отметили последовательность и высокую точность (среднеквадратичная ошибка составила всего 2 см (RMSE)). То есть, технологию можно использовать для многих практических задач, которые являются типовыми при наземной топографической съемке. При этом исследователи также отметили, точность съемки была выше, когда беспилотник находился на малой высоте. Единственным недостатком такого решения была чуть меньшая эффективность. Тестовые полеты и съемка, выполненные исследователям, показали, что при таком применении БПЛА для геодезической съемки экономия по времени и финансовым затратам составила бы 33% и 58% соответственно.

Для большей объективности и для иллюстрации практичности технологии картографирования с помощью дрона исследователи также выполнили обследование кровли для установки солнечных панелей на ней. В качестве объектов съемки были взяты 3 продуктовых магазина (точнее, их крыша), а площадь объектов составляла от 1,2 до 2,8 га. Работы по аэрофотосъемке были выполнены за один день. Все детали, включая линии газоснабжения, вентиляционные и отопительные системы, световые люки и электрические панели, которые были в районе кровли, снимались без присутствия кого-либо из людей на крыше. Если бы работы выполнялись с помощью традиционных наземных средств, то, по подсчетам специалистов, вся работа заняла бы до двух недель (точнее, 12 дней): от начала проекта до его сдачи заказчику. БПЛА позволили сократить на 58% по времени и на 41% по расходам, так как все работы были выполнены за менее чем 7 дней. 

В качестве другого примера было взято поле для гольфа площадью 105 га в качестве объекта полного топографо-контурного обследования с помощью аэрофотосъемки. Все работы по сбору данных были выполнены за 1 день. Напротив, если бы команда использовала классические методы, то для выполнения работ потребовалось бы набрать 3 бригады специалистов и выделить примерно 30 дней для полного сбора всех данных. 

Разумеется, беспилотники не могут быть (по крайней мере, пока) полной заменой наземным методам, потому что в некоторых районах с мощным растительным покровом приходится еще действовать обычными методами. Но даже в таких случаях или тогда, когда рельеф не слишком закрыт растительным покровом, беспилотники с успехом решают поставленные задачи, составляя точную карту таких объектов с помощью стереокомпиляции и выбора подходящей стереомодели. В описанном выше примере всю работу по нанесению на карту удалось завершить за 15 дней, снизив затраты бюджета на 75%, а временные затраты на 50%.

*****

Подводя итог, скажем, что сегодня беспилотники стали чрезвычайно ценным дополнением в инструментарии геодезистов и все чаще дополняют или заменяют наземные методы геодезического исследования для различных нужд. Картографический дрон следующего поколения, такой как DJI Phantom 4 RTK, уже позволяет геодезистам достигать точности данных на сантиметровом уровне, требуя меньшего количества контрольных точек. А с помощью мощного картографического программного обеспечения, такого как DJI Terra, позволяющего использовать 2D-ортофотопланы и 3D-модели с повышенной абсолютной точностью, специалисты-геодезисты могут получить желаемое качество продукции для важных проектов.