Возможности по 3D-реконструкции объектов городской среды с применением дронов DJI Phantom4 RTK

0

Автор: Рыльский Илья Аркадьевич

Если задать любому пользователю дронов вопрос: «Какой дрон сейчас является аналогом автомата Калашникова для отрасли?», то 99 из 100 опрошенных ответят: “DJI».  И это будет правдой. 

Что такое решения от DJI? В первую очередь, легендарная надежность и безотказность в любых мыслимых условиях. Современный Youtube, Facebook, видеорепортажи, картографические съемки и интеллектуальное земледелие уже немыслимы без этой марки и ее продукции. Сочетание надежных и элегантных инженерных решений с демократичной ценой обеспечили этим дронам массовость, которая в прямом смысле скоро будет соперничать с количеством существующих в мире автоматов Калашникова. 

До недавнего времени DJI специализировался в основном все-таки именно на дронах. Программное обеспечение для них реализовывалось в части планировки полетов. Но с недавних пор политика компании изменилась. В конце 2019 года компания выпускает несколько дополнительных специализированных аппаратных решений для геоинформационной отрасли, а также мощный программный комплекс для обработки собираемой дронами информации. 

Начнем с более традиционного решения: знакомьтесь, Phantom4 RTK. 

image1

Специализированный дрон для ведения высокоточных аэросъемочных работ для создания трехмерных моделей территории. Оснащение и его особенности:

— 20-мегапиксельная камера с 1-дюймовой матрицей и механическим затвором (для предотвращения искажений на фото, возникающих при движении и серьезно снижающих  точность фотограмметрических решений);

— наличие высокоточного ГНСС-приемника, синхронизированного с работой камеры; это  обеспечивает точность определения центров координат снимка на уровне 15 мм по высоте и 10 мм в плане;

— усиленный передатчик, позволяющий держать связь с дроном на дистанции до 7 км;

— улучшенное энергообеспечение обеспечивает длительность полета до 30 минут.

— в комплект поставки входит мобильная станция для работы в RTK-режиме спутниковых измерений — DJI D-RTK 2 Mobile Station;

— программное обеспечение для планирования полетов оптимизировано для управления расположением точек фотографирования во время полета;

— информация о времени съемки и длительности экспозиции кадра автоматически учитывается при расчете координат центров фотографирования;

ГНСС-решения DJI позволяют работать как от поставляемой компанией-производителем базовой станции, так и от базовых станций других производителей, а также работать с использованием различных ГНСС-сервисов, доступных на территории ведения работ.

image2 image3

Остановимся более подробно на программных решениях. Основным планировщиком для съемочных миссий является ПО GS-RTK FLIGHT PLANNING. Его особенность – возможность легко и интуитивно-понятно планировать различные типы миссий. Типы миссий (основные):

-обычная 2Д-съемка (для плоских территорий наподобие полей)

image4-2

-линейно-протяженный объект; автоматически происходит разбиение миссий на части (для линейных объектов, для съемок крупных территорий), в том числе – для автоматического использования нескольких дронов.  

image5-2

-площадная съемка в режиме огибания рельефа; крайне удобный режим при работе в холмистой и гористой местности, позволяющий обезопасить дрон и существенно повысить производительность и качество съемки.  

image6

-миссия для 3Д-картографировани городов (двойная решетка);  

image7

Еще одной особенностью P4RTK является возможность одновременного управления несколькими дронами. При этом (перед загрузкой полетных планов в память дронов) программное обеспечение автоматически разбивает исходную миссию на куски для каждого из задействованных дронов. Съемка в этом случае ведется с одновременно (или с небольшой задержкой) несколькими аппаратами, самостоятельно отправляющимися в  назначенный каждому из них район съемки. 

После завершения всех миссий пользователю достаточно скачать данные со всех дронов на компьютер для обработки, добавив данные наземной базовой станции, и начать автоматический расчет ГНСС-решения. Итогом работы является массив из нескольких сотен, тысяч или десятков тысяч фотографий, в метаданные каждой из которой вписаны точные (на уровне 10-15 миллиметров) координаты центров фотографирования, а также предварительно рассчитанные курс, крен и тангаж каждого из снимков. 

Казалось бы, что во всем этом такого? Многие  производители дронов ставят ГНСС-приемники и пытаются определять координаты центров фото. Но эти решения не дают столь высокой точности – по ряду причин. В их числе – недостаточный уровень интегрированности работы камеры в процесс измерения координат  (приводит к появлению задержек в срабатывании затворов или запаздыванию регистрации их срабатывания), не учитывается смещение камеры за время ее экспозиции (например, при скорости 9 м/с и выдержке 1/300 секунды камера смещается на 3 см), не учитывается смещение ГНСС-антенны относительно центра проекции камеры и так далее.  Все эти, казалось бы, малозначительные моменты привносят  дополнительные 50-70 мм итоговой погрешности в координаты центров фотографирования.  И 15 мм превращаются в 65-85 мм. 

Попытка построить из данных с подобной исходной погрешностью определения центров приводит к высоким погрешностям в итоговом облаке 3Д-точек, к невозможности  локализовать в пространстве объекты с размерами менее 10 см (столбы, висячие конструкции, прочее), ухудшает качество прорисовки углов и мелких деталей. И даже съемка практически «в упор» не решает указанную проблему, так как итоговый фотограмметрический блок получается недостаточно «жестким». И конечно, он требует использования наземных опорных точек для уточнения рассчитанных параметров внешнего ориентирования кадров.  

Но P4RTK обеспечивает честные 10-15 мм точности благодаря  высочайшему уровню интеграции всех использованных компонентов, включая  заводскую калибровку объектива каждой камеры, оснащенной механическим затвором (что тоже улучшает итоговое качество данных). Именно эта особенность позволяет по данным Р4RTK получать очень «чистые» грани и тонкие объекты в виде трехмерных объектов:

image8

image9

Дальнейшая обработка этих фотоснимков с точно определенными координатами центров ведется в  также новом ПО от DJI – DJI TERRA.

Что такое DJI TERRA?  Как сейчас модно выражаться – это убийца «однокнопочных»  фотограмметрических решений сторонних производителей.  DJI TERRA предназначена для обработки исходных  фотосъемок  (неважно, с дронов DJI или сторонних съемочных платформ) и создания 3Д-моделей и текстур для них. Отличительные особенности: 

гораздо более быстрая обработка данных  (до 8 раз быстрее чем Metashape);

— сегментация задач, что не приводит к переполнению оперативной памяти и позволяет обсчитывать на одном компьютере со 128 Гб RAM блок с 50000 фотоснимков (20 мПикс);

автоматическое использование координат центров съемки и углов ориентации изображений для фототриангуляции и уравнивания блока;

— удобный интерфейс по добавлению контрольных и проверочных точек на местности;

очень плотные облака 3Д-точек, получаемые без риска «зависания» компьютера на неопределенное количество дней;

— улучшенный алгоритм фильтрации 3Д-поверхностей, который дает возможность корректно отрисовать грани сооружений, сохранив при этом тонкие и/или мелкие элементы конструкции;

автоматическая сегментация на небольшие фрагменты (и 3Д модели, и текстур) при экспорте во внешние 3Д-форматы; это позволяет гораздо удобнее и легче использовать данные для создания виртуальных сред;

— интуитивно-простой интерфейс, позволяющий освоить программное обеспечение за 1-2 дня;

Подводя итоги, можно отметить, что решения от DJI вышли на принципиально новый уровень – вместо «игрушки с мыльницей» пользователю доступны наиболее совершенные и точные фотограмметрические и съемочные решения вкупе с очень быстрым и легким в освоении ПО.