Оценка точности плотной цифровой модели поверхности и ортофотопланов, полученных по материалам аэрофотосъемки с БЛА серии Supercam

0

M. В. Шинкевич, Н. Г. Воробьева, М. А. Алтынцев, Р. А. Попов, С. А. Арбузов, А. В. Флоров

Современные специализированные программные продукты позволяют в автоматическом режиме по материалам аэрофотосъемки получить плотную цифровую модель поверхности (ЦМП) в виде плотного облака трехмерных точек. Точность такой модели зависит от многих факторов, таких как: качество исходных снимков, наличие и точность определения координат центров фотографирования, координат точек планово-высотного обоснования, и в значительной степени определяется техническими характеристиками беспилотного летательного аппарата (БЛА), применяемого для аэрофотосъемки, а также установленным на нем оборудованием.

Разработанные группой компаний «Беспилотные системы» БЛА серии Supercam обладают высокой надежностью и стабильностью автоматического полета, позволяют обеспечивать аэрофотосъемку с высоким разрешением на протяжении от 3 до 7 часов в зависимости от модификации БЛА. В конструкциях БЛА серии Supercam заложены все необходимые системы для получения высококачественных снимков с точной геодезической привязкой к местности и возможностью дистанционного изменения параметров съемки в зависимости от погодных условий. Рассмотрим возможности применения БЛА серии Supercam для выполнения аэрофотосъемки и создания ЦМП и ортофотопланов по ее результатам.

Для проведения детального исследования точности создания ЦМП и ортофотопланов, компанией «Беспилотные технологии» была произведена аэрофотосъемка вблизи г. Новосибирска. Аэрофотосъемкой была охвачена территория двух поселков и шоссе между ними. Протяженность участка съемки составила 4800 м, перепад высот — 20 м.

Для целей аэрофотосъемки был использован БЛА Supercam S250 (рис. 1), оснащенный двухчастотным приемником, камерой Sony Alpha ILCE-6000 с матрицей 24 Мпикс, объективом с f=20 мм и с параметрами съемки ISO 800, выдержка 1/1000. Аэрофотосъемка производилась с различных высот (150, 200 и 250 м).

Аэрофотосъемка выполнялась по двум маршрутам в разных направлениях, продольное перекрытие составило 80%, поперечное 60%.

ris_1
Рис. 1. БЛА модели Supercam 250

 

Методом инструментальных геодезических измерений на участке съемки были получены координаты 30 опорных и 15 контрольных точек с точностью, необходимой для сгущения фотограмметрического блока.

По каждому из трех полетов было построено пять фотограмметрических моделей с разным набором исходных данных для планово-высотной привязки материалов аэрофотосъемки:

  • по координатам центров фотографирования;
  • по координатам центров фотографирования и 30-ти опознакам через 250 м;
  • по координатам центров фотографирования и 16-ти опознакам через 500 м;
  • по координатам центров фотографирования и 12-ти опознакам через 1000 м;
  • по координатам центров фотографирования и 6-ти опознакам через 2300 м (по краям и середине участка).

Таким образом, было построено 15 основных вариационных моделей. Построение всех моделей местности выполнялось в ПО Photoscan.

По результатам сравнения точности построения фотограмметрических моделей, полученных с разных высот, был сделан вывод, что, в данном случае аэрофотосъемки, оптимальной высотой полета для обеспечения точности съемки масштабов 1:500 с сечением рельефа 0,5 и 1 м является высота 200 м:

  • на всех пяти перечисленных вариантах при построении фотограмметрических сетей средние величины расхождений планового положения опорных точек не превысили 5–10 см, контрольных точек 5–15 см, что соответствует точности съемки масштаба 1:500;
  • средние величины расхождений высотного положения опорных точек в фотограмметрических сетях, полученных с использованием центров проекции и опознаков, расставленных через 250, 500, 1000 и 2300 м не превысили 5–7,5 см, контрольных — 5–10 см, что соответствует точности съемки с сечением рельефа 0,5 м;
  • средние величины расхождений высотного положения опорных точек в фотограмметрической сети, полученной с использованием центров проекции и опознаков, расставленных через 4600 м, не превысили 15 см, контрольных 20 см что соответствует точности съемки с сечением рельефа 1 м.

В результате, для построения ЦМП был выбран вариант с использованием при построении сети 16 опорных точек и координат центров проекции. Цифровая модель поверхности в виде плотного облака точек и ортофотопланы были созданы в двух системах координат: в WGS-84 /UTM44 N и в местной системе координат МСК-54 зона 4.

Для проведения подробной оценки точности созданной продукции, Сибирским государственным университетом геосистем и технологий (СГУГиТ) совместно с администрацией г. Новосибирска было выполнено мобильное лазерное сканирование (МЛС) исследуемого участка (рис. 2). Съемка выполнялась при движении транспортного средства со средней скоростью 40 км/ч. Применялась мобильная лазерная сканирующая система Riegl VMX-250. По заявленным техническим характеристикам данная система обладает абсолютной точностью измерения координат точек местности 5 см. Вдоль участка съемки было выполнено сканирование как в прямом, так и в обратном направлениях.

Рис. 2. Ортофотоплан с траекторией МЛС
Рис. 2. Ортофотоплан с траекторией МЛС

 

Данные мобильного лазерного сканирования впоследствии были откалиброваны, уравнены, а также трансформированы в местную систему координат. Обработка данных мобильного лазерного сканирования выполнялась специалистами регионального центра лазерного сканирования СГУГиТ. В табл. 1 приведены результаты относительной точности уравнивания по опорным точкам, а в табл. 2 — по контрольным точкам. Всего было использовано 26 опорных и 10 контрольных точек.

Таблица 1. Относительная оценка точности уравнивания данных мобильного лазерного сканирования по опорным точкам

X, м

Y, м

Z, м

Средняя ошибка 0,002 0,002 0,002
СКО 0,006 0,007 0,003
Максимальная ошибка 0,037 0,041 0,028

 

Таблица 2. Относительная оценка точности уравнивания данных мобильного лазерного сканирования по контрольным точкам

X, м

Y, м

Z, м

Средняя ошибка 0,012 0,010 0,003
СКО 0,015 0,013 0,005
Максимальная ошибка 0,033 0,037 0,011

Для абсолютной оценки точности уравнивания данных мобильного лазерного сканирования на исследуемом участке с помощью GPS-приемников Trimble 5700 в статическом режиме были измерены координаты 7-и контрольных точек, располагающихся на углах дорожной разметки и бордюров. В табл. 3 приведены результаты абсолютной оценки точности уравнивания данных мобильного лазерного сканирования по координатам контрольных точек, измеренных с помощью GPS-приемника.

Таблица 3. Абсолютная оценка точности уравнивания данных мобильного лазерного сканирования по контрольным точкам

X, м

Y, м

Z, м

Средняя ошибка 0,009 0,030 0,029
СКО 0,021 0,053 0,034
Максимальная ошибка 0,044 0,131 0,051

Согласно [1] «Точки съемочной геодезической сети, используемые для фотогpамметpического сгущения, должны иметь среднюю погрешность в плане, не превышающую 0,1 мм в масштабе составляемой карты (плана) и 0,1 принятой высоты сечения рельефа — по высоте (относительно ближайших пунктов государственной геодезической сети и геодезических сетей сгущения)». Т. е., полученные материалы мобильного лазерного сканирования (рис. 3) могут быть использованы в качестве планово-высотного обоснования и в качестве источника контрольных точек.

ris_3
Рис. 3. Фрагмент модели с визуализацией положения точек фотографирования в момент съемки

 

Для исследования точности планового положения точек ортофотоплана, построенного по ЦМП, использовались точки, расположенные на контурах объектов застройки и городской инфраструктуры. Сравнивались координаты точек, измеренных на ортофотоплане с координатами соответственных точек, полученных по материалам МЛС. На рис. 4 красным цветом показан пример точки. Всего для контроля было выбрано порядка 100 точек.

а)
а)

ris_4b
б)

Рис. 4. Размещение точек для оценки точности планового положения ортофотоплана: а) ортофотоплан, б) данные МЛС

В табл. 4 приведена оценка точности положения точек ортофотоплана. СКО на контрольных точках по координате X составила 0,068 м, а по координате Y – 0,095 м, что соответствует требованиям к созданию планов масштаба 1:500.

Таблица 4. Оценка точности  положения точек ортофотоплана

X, м

Y, м

Средняя ошибка 0,047 0,074
СКО 0,068 0,095
Максимальная ошибка 0,214 0,226

Оценка точности высотного положения точек ЦМП выполнялась также по материалам МЛС. Визуальный анализ показал, что участки ЦМР, непосредственно прилегающие к фильтрованным объектам, а также ограждения несколько искажают модель, особенно на застроенной части. Поэтому измерялись высотные отметки на поперечных профилях дороги. Профили строились через каждые 100 м и измерялось по 3 точки на каждом профиле. В таблице 5 приведена оценка точности высотного положения точек ЦМП.

Таблица 5. Оценка точности высотного положения точек ЦМП

Z, м

Средняя ошибка 0,048
СКО 0.082
Максимальная ошибка 0,384

Принимая во внимание результаты оценки точности по высоте, можно сделать вывод, что точки цифровой модели местности, полученные в результате фотограмметрической обработки снимков, прилегающие к поверхности земли, и отстоящие от высотных объектов на некотором расстоянии, имеют точность цифровой модели рельефа, достаточную для съемки с сечением рельефа 0,5 м.

Таким образом, была выполнена детальная оценка точности построения плотной цифровой модели рельефа и ортофотопланов, созданных в ПО Photoscan по материалам аэрофотосъемки с БЛА Supercam-250. Результаты исследований показали, что данная продукция соответствует точности, необходимой для создания топографических планов масштаба 1:500 с сечением рельефа 0,5 м.

Необходимо отметить, что для получения точной картографической продукции не всегда достаточно только наличия ортофотоплана и ЦМП, необходимо иметь возможность видеть полученную фотограмметрическую модель в стереорежиме, контролировать ЦМР, полученную в автоматическом режиме, в частном случае, видеть точки, которые можно использовать для построения рельефа, проводить метрические измерения в абсолютных координатах проекта, выполнять различные операции с наносимыми векторными объектами и работать с классификаторами картографической информации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. ГКИНП (ГНТА)-02-036-02 «Инструкции по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов», М., ЦНИИГАиК 2002 г.
  2. ГКИНП (ОНТА)-02-262-02 «Инструкция по развитию съемочного обоснования и съемке ситуации рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS», М., ЦНИИГАиК, 2002 г.