Исследовательские испытания аппаратно-программных комплексов Геоскан 101 и Геоскан 201

В течение последнего десятилетия широко внедряются в практику аэрофототопографической съемки для целей кадастра и картографирования беспилотные воздушные суда (БВС), что привело к разнообразию получаемых ими результатов, как по параметрам съемки, так и по точности. В этих условиях актуальной становится задача оценки точности конечного продукта, получаемого по материалам аэрофотосъемки с БВС, например, ортофотоплана или цифровой модели рельефа. ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД», располагая метрологической службой, аккредитованной Росстандартом на право проведения метрологической аттестации методик измерений и метрологической экспертизы документов, проводит исследовательские испытания комплексов технических и программных средств цифровой аэрофотосъемки и фотограмметрической обработки, в результате которых определяются значения метрологических качеств аппаратно-программных комплексов. В статье приведены результаты таких испытаний применительно к аппаратно-программным комплексам на основе БВС Геоскан 101 и Геоскан 201, оснащаемых камерами Sony DSC-RX1 и Sony DSC-RX1RM2, и полученные показатели точности применительно к создаваемым ортофотопланам, цифровым моделям поверхности и рельефа, определяемым координатам маркированных и немаркированных характерных точек (естественные контуры) границ земельных участков и контуров зданий для всех категорий земель и разрешенных использований земельных участков в соответствии с требованиями Приказа Минэкономразвития России от 01.03.2016 № 90.

Использование беспилотных воздушных судов (БВС) в комплексе работ по аэрофототопографической съемке приобретает всё большую актуальность [1-4]. В результате аэрофототопографической съемки, выполняемой с применением БВС, получают такие виды продукции, как ортофотоплан, цифровая модель рельефа (ЦМР), цифровая модель поверхности (ЦМП), 3D модель территории и объектов, цифровые топографические планы и карты, координаты точек границ и контуров объектов недвижимости. При этом точность результата аэрофототопографической съемки зависит от качества аэрофотокамеры, свойств беспилотного воздушного судна, с которого выполняется аэрофотосъемка (АФС), качества (точности) бортового приемника глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) и возможностей программного средства фотограмметрической обработки.

Переход на цифровые методы АФС вызвал разнообразие применяемых цифровых фотокамер, а появление беспилотных авиационных систем добавило к этому разнообразию бытовые цифровые фотокамеры. Для того, чтобы эффективно и с требуемой точностью получать конечный результат аэрофототопографической съемки, используемая фотокамера должна удовлетворять следующим требованиям:

• стабильность (постоянство значений) элементов внутреннего ориентирования;
• наличие данных заводской или иной фотограмметрической калибровки фотокамеры;
• математическая модель построения изображения (в геометрическом аспекте) должна позволять восстановить связку лучей по калиброванным значениям элементов внутреннего ориентирования с требуемой точностью (в пределах пикселя).

От аэродинамических качеств БВС зависит устойчивость судна в полете (ускорение и скорость случайных угловых движений) и как результат угловой «смаз», а также возможность обеспечения необходимых перекрытий аэрофотоснимков. Точность бортового ГНСС приемника определяет требуемое количество опорных точек при планово-высотной подготовке аэрофотоснимков.

Возможности программного средства фотограмметрической обработки, а именно соответствие математической модели (в геометрическом аспекте), реализованной в программном продукте, математической модели аэрофотосъемки с использованием данного типа фотокамеры, описываемой конкретным набором параметров внутреннего ориентирования фотокамеры, значения которых получены в результате фотограмметрической калибровки; качество методов и алгоритмов, реализованных в программном продукте, также влияют на точность результата.

Возникает вопрос: на какую точность конечного продукта, например, ортофотоплана или цифровой модели рельефа можно рассчитывать и при каких условиях, используя те или иные технические и программные средства аэрофотосъемки и фотограмметрической обработки? Особенно это актуально для съемки границ и контуров объектов недвижимости в населенных пунктах, где требования к точности наиболее высоки. Учитывая специфику аэрофотосъемки с борта БВС, уверенный ответ на этот вопрос может быть получен только в результате исследовательских испытаний аппаратно-программного комплекса (АПК) аэрофототопографической съемки, включающего в себя:

• беспилотное воздушное судно;
• фотокамеру с конкретным объективом;
• бортовой ГНСС приемник;
• программный продукт фотограмметрической обработки.

Целью испытаний является: установление метрологических характеристик комплекса при определенных условиях и эксплуатационных параметрах. Такими условиями являются:

• высота фотографирования, плотность точек планово-высотной подготовки (опорных точек);
• номинальное продольное и поперечное перекрытие аэрофотоснимков, скорость ветра (допустимая и фактическая);
• количество базовых станций и их удаление от объекта съемки.

Федеральный научно-технический центр геодезии, картографии и инфраструктуры пространственных данных, располагающий метрологической службой, по договору с ООО «Геоскан» в 2017 и 2018 г. провел исследовательские испытания трех аппаратно-программных комплексов аэрофототопографической съемки [4], состав которых представлен в табл.1. Основные характеристики фотокамер приведены в табл.2.

Таблица 1. Состав аппаратно-программных комплексов

Таблица 2. Характеристики фотокамер

Исследовательские испытания проводились по разработанной и согласованной программе, в соответствии с которой выполнялась аэрофотосъемка полигона, обеспеченного маркированными опознаками, используемыми в качестве контрольных точек, а также немаркированными контрольными точками, совпадающими с характерными точками границ и контуров объектов недвижимости. В качестве полигона использовался геодезический полигон МИИГАиК, расположенный в Заокском районе Тульской области и имеющий следующие основные характеристики: число маркированных опознаков – 95; средняя квадратическая погрешность (СКП) определения координат опознаков относительно базовой станции - 0,02 м. На рис. 1 показаны примеры внешнего вида маркированных опознаков с разным типом марок.

Аэрофотосъемка выполнялась специалистами компании Геоскан. На рис.2. показана схема расположения центров фотографирования снимков и маркированных опознаков полигона при выполнении исследовательских испытаний АПК Геоскан 101-Sony DSC-RX1 в 2017 г.

В табл.3 приведены условия и значения соответствующих показателей проведения исследовательских испытаний.

Таблица 3. Условия и значения соответствующих показателей проведения исследовательских испытаний

Точность фотограмметрических определений пространственных координат маркированных точек местности оценивалась по расхождениям плановых координат и высот на контрольных точках после уравнивания сети фототриангуляции программным продуктом Agisoft Metashape Pro [5]. Фототриангуляция выполнялась в режиме самокалибровки элементов внутреннего ориентирования, включая параметры дисторсии без использования опорных точек. В качестве начальных значений параметров внутреннего ориентирования использовалось приближенное (номинальное) значение фокусного расстояния равное 35,0 мм. Результаты фототриангуляции, полученные после выполнения процедуры «выравнивание» представляются в том числе следующими выходными данными: полученные в результате самокалибровки элементы внутреннего ориентирования фотокамеры, включая параметры дисторсии, расхождения плановых координат и высот на контрольных маркированных точках.

Точность определения планового положения немаркированных точек границ объектов недвижимости оценивалась путем визуального опознавания и измерения координат характерной точки контура по нескольким перекрывающимся снимкам и сравнения их со значениями из каталога. Работа выполнялась с использованием разработанной в ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД» Методики измерения координат немаркированных точек границ и контуров объектов недвижимости на перекрывающихся аэрофотоснимках с использованием программного продукта Agisoft Metashape (PhotoScan) Pro. В процессе исследовательских испытаний была выполнена оценка точности ортофотоплана и цифровой модели рельефа по маркированным контрольным точкам и оценка фактической разрешающей способности аэрофотоснимков по пограничной кривой [6, 7]. В табл. 4 приведены некоторые характеристики блоков фотограмметрической сети для всех вариантов аппаратно-программных комплексов.

Таблица 4. Характеристики блоков фототриангуляции

В результате проведенных исследовательских испытаний аппаратно-программных комплексов аэрофототопографической съемки были установлены их метрологические характеристики, представленные в табл. 5.

Таблица 5. Результаты исследовательских испытаний

В приведенных в табл. 5 данных можно заметить, что точность фотограмметрических определений плановых координат по результатам уравнивания блока фототриангуляции с уменьшением высоты фотографирования с 400 м до 200 м не улучшилась, а для некоторых других показателей не улучшилась в соответствующей пропорции. Объяснением этому может быть то, что средние квадратические погрешности координат центров проекции снимков, используемых в качестве единственных данных планово-высотной подготовки аэрофотоснимков одинаковы для всех высот фотографирования, и их значения ограничивают точность конечного результата при уменьшении высоты фотографирования. Однако полноценное обоснование ограничивающего влияния этого фактора на точность результата требует отдельного исследования, которое не охватывается темой статьи.

Выводы

Исследовательские испытания аппаратно-программных комплексов аэрофототопографической съемки позволяют с высокой степенью надежности оценить возможность использования конкретного комплекса для решения какой-либо практической задачи с требуемой точностью. В частности, для аппаратно-программных комплексов Геоскан 101 и Геоскан 201 полученные в процессе их исследовательских испытаний значения метрологических характеристик позволяют:

• создавать ортофотопланы, гарантировано удовлетворяющие требованиям к точности планов масштаба 1:500 и мельче при высоте фотографирования до 900 м;
• создавать цифровые модели поверхности и рельефа с точностью высот, характеризуемой средней квадратической погрешностью 0,08 м - 0,013 м при высоте фотографирования 200 м и 0,09 м – 0,31 м при высоте фотографирования 400 м; 
• 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 в соответствии с требованиями Приказа Минэкономразвития России от 01.03.2016 N 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" при высоте фотографирования 200 м – 400 м, а при высоте фотографирования до 900 м – для всех категорий земель, кроме земель населенных пунктов.

Используемая литература:

1.Солощенко Ф.В., Гринько Е.В., Курков М.В., Суздальцев Н.Р. Ф.В. Опыт ГК «Геоскан». Создание высокоточной трехмерной модели тульской области//Геопрофи. – 2018. - № 2. – С.10 – 14.
2. Trinder John, Yincai Zhou (2017) UAS Applications Are Ubiquitous. GIM International, 31, 4, рр. 6–7.
3. Wim Van Wegen (2017) High-end UAVS. A Key Link in the Value Chain. GIM International, 31, 4, рр. 30–31.
4. Лаптева М.И., Маслянко В.Я., Финажин Д.Н., Чижов М.Н. Использование данных ДЗЗ с применением аэрофотосъемочного комплекса GeoScan'101 в САПР AutoCAD Civil 3D (опыт работы на угольных разрезах СУЭК) // Автоматизация в промышленности. — 2014. — № 9. – С.13 – 17.
5. Иноземцев Д.П. Беспилотные летательные аппараты: теория и практика. Часть 2. Модель обработки аэрофотоснимков в среде Agisoft PhotoScan // Автоматизированные технологии изысканий и проектирования. — 2013. — № 3(50). — С. 48–51.
6.Для цитирования: Аникеева И. А., Кадничанский С. А. Оценка фактической разрешающей способности аэро- и космических фотоснимков по пограничной кривой // Геодезия и картография. – 2017. – Т. 78. – № 6. – С. 25–36. DOI: 10.22389/0016-7126-2017-924-6-25-36.
7.Методика исследовательских испытаний цифровых комплексов аэрофототопографической съемки. [Текст] / И.А.Аникеева [и др.] // Татарский нефтегазохимический форум. VI Междунар. научно-практ. конференция «Актуальные вопросы геодезии и геоинформационных систем». 6-7 сентября 2017 г., Казань: сб. материалов - Казань. 2017. – с. 35-43.

Авторы статьи: И.А.Аникеева, Н.М.Бабашкин, С.А.Кадничанский, С.С.Нехин.

Статья опубликована в журнале «Геодезия и картография» №1, январь 2020