Геодезия

Използване на безпилотни летателни апарати за кадастрално заснемане

ЯНИЦА ЯНКОВА, ДОКТОРАНТ КЪМ КАТЕДРА „ГЕОДЕЗИЯ И ГЕОИНФОРМАТИКА” С НАУЧЕН РЪКОВОДИТЕЛ ДОЦ. Д-Р ИНЖ. ХРИСТО ДЕЧЕВ

Въведение (Абстракт)

През последните години започна масово прилагане на технологии, с които лесно може да се набави актуална информация за пространствените обекти от дадена територия. При това често информацията е огромна по обем, съдържаща много от характеристиките на пространствените обекти. Това предоставя широки възможности за приложение на безпилотните летателни апарати. В различни публикации ( „Анализ и оценка на приложимостта на въздушно безпилотно заснемане в геодезията и кадастъра“- д-р инж. Иван Калчев, „Гео плюс“ ЕООД, Ивелина Христозова ) са представени резултати от прилагане на фотограметрични заснемания, проведени с безпилотни летателни апарати за изработване на кадастрална карта и кадастрални регистри. В настоящата статия  е описан метод за заснемане на реален обект за нуждите на кадастъра, осъществен с дрон и сравнение  на резултатите с извършена полярна снимка на същия обект. Показан е и алгоритъмът на работа за получаване на крайния резултат, като за целта е използван специализиран софтуер Pix4D (www.pix4d.com)

Предимства на използваната технология

Сферите на приложение на безпилотните летателни апарати са много- геодезия и GIS ( картографиране), търсене и спасяване, сигурност, въздушна фотография и видеозаснемане, наука и научни изследвания и други. В зависимост от конкретното предназначение дроновете могат да бъдат оборудвани с допълнителна техника като камери, GPS системи, сензори и др. Също така могат да бъдат с различни форми и размери. По-често предпочитаните модели са тези с малки размери и изработени от леки материали за улесняване на тяхната маневреност.

За целите на настоящото изследване е използван дрон Phantom 4 Pro. Теглото му е почти 1.4 кг, а размерът му по диагонал е 35 см. Малките му размери го правят изключително лесен за управление и преодоляващ препятствия.  Максималната продължителност на полет е 28 минути. При вятър до 10m/s дронът е стабилен и изображенията, които са получени при заснемане с този модел, притежават необходимото качество за последваща обработка. Phantom 4 Pro притежава 20 MP CMOS ( Complementary Metal-Oxide Semiconductor ) сензор с размер 1 inch (25.4 mm). Размерът на сензора е от голямо значение за полученото изображението, защото позволява по-добра детайлност, рязкост и осветеност. Това улеснява откриването и по-точното определяне на образните координати на контролните точки и на характерни ръбове на сгради, огради, стени и други заснети елементи. Камерата на DJI използва механичен затвор, който максимално елиминира дисторзията, появяваща се при висока скорост на летене.  Според българското законодателство полетите на дистанционно управляеми въздухоплаветелни средства се провежда след писмено разрешение на Главна дирекция „ Гражданска въздухоплавателна администрация“ , като са описани дейността, необходимия участък, дата на заснемането с начален и краен час, както и отговорник по време на заснемането и негови контакти. Има зони, в които полетите са категорично забранени (https://www.dji.com/flysafe/geo-map?fbclid=IwAR2WWB2loP63fBceeRxQ12_uTQArdX2RHOD9fIRUazcL27ee_mhYXBBGXQ).

1

фиг. 1 Зони, забранени за летене

Разликата в цената на Phantom 4 Pro и предходния модел Phantom 4 не е особено голяма, но Phantom 4 Pro притежава значителни подобрения- по- добра камера, повече възможности за избягване на препятсвия, по- добра батерия и други.

Приложение на безпилотните летателни апарати за кадастрално заснемане

Експериментът включва заснемане на обекти на територия от около 140 дка.,  с прилагане на две технологии – конвенционална с полярна снимка и цифрова фотограметрия с кадри, получени от Phantom 4 Pro. Територията е в близост до с. Алдомировци, община Сливница. Местността е открита, което създава добри условия за провеждане на подобни експерименти. От друга страна често срещаните за тази територия ветрове, каквито имаше по време на заснемането, са сериозна пречка за качеството на заснемане с малките летателни апарати. Върху територията са определени 7 контролни точки чрез GNSS измервания в RTK режим.

shema 1

фиг. 2 Схема разположение на точките

45167936 310580832869481 5244021378968977408 n

фиг. 3 марка на картон

36175899 1682846168431953 6233029657201999872 n

фиг. 4 марка с боя

От същата геодезическа основа е извършено и заснемане на подробни точки от границите на сградите и поземлените имоти – път, жп ареал, изградени на място огради. Една от целите на експеримента е да се сравни точността в положението на точки от границите на обектите на кадастъра, чиито координати са получени от цифров модел, създаден от заснемане с безпилотен апарат и от полярна снимка, извършена с тотална станция SOKKIA SET530RK. Точността на отчетените посоки е 5”  и в дължини ±(3+2ppm x D) mm. За създаване  на качествен цифров модел от заснемането с безпилотен апарат са от значение следните условия:

1. Избор и задаване на оптимален план на летене. Изборът на адекватен план на летене зависи от множество фактори, между които атмосферни условия, размера на територията, видовете обекти, разчлененост на релефа на терена и най-вече целта на конкретната задача. За конкретните цели е добре в плана на летене да се включи заснемане на фасадите на сградите – облитане около сградите, а не само над тях. В случая е използван план на летене, подходящ за създаване на ортофото изображение, но въпреки това получените резултати са обнадеждаващи. Височината на летене е 45 м при 80% застъпване на кадрите, а полетът е извършен при наличие на вятър. Заснетата територия от над 200 дка., с около 60 дка в повече от територията, предмет на задачата, е заснета с 3 полета всеки, от които с продължителност от около 10 мин. В оборудването на Phantom 4 Pro са включени 3 батерии  (тип LiPo 4S), които позволяват продължителност на заснемане от приблизително 30 минути.          

 Планът на летене  се изготвя и задава лесно, ако се използва специализирано приложение. В конкретния случай е използвано приложение Pix4DCapture (https://www.pix4d.com/product/pix4dcapture/ ), което работи на OS андроид и може лесно и бързо да се инсталира на смартфон или друго подобно устройство. Приложението поддържа 19 модела безпилотни летателни апарата, между които са и дроновете DJI. Връзката с интернет и изпoлзване на google maps позволяват лесно да се зададе територията на заснемане. При зададен вид на плана на летене, застъпване и височина на полета системата сама определя продължителността на полета и възможността да се изпълни с едно летене.

41900288 515384508873137 3949395468609388544 n

41985094 2219413638347989 6357725369692323840 n

фиг. 5 Настройки при използване на приложението Pix4DCapture за андроид

В резултат на заснемането са получени 635 снимки на територията. В същото време се извършва и полярната снимка за сгради и други инфраструктурни обекти на територията. Полярната снимка на същата територия е извършена приблизително за 5 часа.

2. Използване на подходящ софтуер за обработка на изображенията

За обработка на изображенията е възможно да се използват различни софтуерни продукти- DroneDeply, Agisoft PhotoScan, Botlink, Pix4D и други. DroneDeploy (https://www.dronedeploy.com/ ) е най- лесното и най- бързо решение за създаване на въздушни карти и модели. Услугата има два компонента. Първият е автоматизация на полета и събиране на данни- клиентите, използващи DJI дронове, могат да заснемат изображения с помощта на приложение DroneDeploy, което опростява планирането на полетите и осигурява подходящо покритие и препокриване на изображенията. Вторият компонент позволява обработка на данните и анализ на получените резултати. AgiSoft PhotoScan ( https://www.agisoft.com/ )   позволява автоматично генериране на облаци от точки, текстурни модели, ортофото изображение и дигитален модел на терена/ повърхнината ( DTM/ DSM). Agisoft PhotoScan има линеен работен поток, който позволява бърза обработка, осигуряваща много точни резултати. Botlink (https://botlink.com/ )  е операционна платформа, базирана на облаци, която свързва дроновете с индустрията в реално време. Платформата позволява на потребителите да събират, обработват и доставят въздушни изображения навсякъде, включително в съществуващ бизнес софтуер. В конкретния случай е използвана софтуерна система Pix4Dmapper.

Обработката на изображенията в Pix4Dmapper е процес, изискващ дълго време и ресурс по отношение на хардуера на машината, на който ще се извършва тя. В случая е използвана работна станция с 32 MB RAM, Processor i7-4820K CPU @ 3.70 GHz, SSD 500 MB.

Преминава през три основни етапи, всеки, от който има своите особености. Още при създаването на проекта е много важно да се укажат координатната система на входните данни, както и координатната система, в която да бъдат получени резултатите от обработката. Форматът на данните за координатната система e PRJ файл, както това е показано:

prjfile

Описанието на координатната система може да бъде свалено във файл и от https://www.epsg-registry.org/ с EPSG код 7802.

От особено значение е да се направят допълнителни настройки на камерата, които елиминират дисторзията при заснемане с висока скорост. За това има специално разработен интерфейс.

2

фиг. 6 Настройки на камерата за елиминиране на дисторзията

Повече за настройките може да се прочете на https://support.pix4d.com/hc/en-us/articles/202560169-How-to-use-the-Editing-Camera-Model-Options , https://support.pix4d.com/hc/en-us/articles/208460436-How-to-correct-for-the-Rolling-Shutter-Effect.

distorsion

фиг. 7  Ефект на дисторзията в изображението

3

фиг. 8  Изображение, което показва липса на дисторзия в модела

Също така се извършва оптимизация на камерата ( Camera Optimization) като така могат да бъдат зададени параметрите, които да бъдат оптимизирани. Необходимо е да се зададе модел на камерата, който да бъде един и същ за всички снимки в проекта.

4

фиг. 9 Настройки на модела на камерата

Ако се приеме, че камерата е монтирана така, че оста x на камерата да е насочена към дясното крило, оста у да е насочена към опашката и обектива е насочен надолу, ъглите yaw, pitch, roll  ( завъртане) се дефинират по следния начин:

15

фиг. 10 Ъгли yaw, pitch и roll ( https://support.pix4d.com/hc/en-us/articles/205675256 )

Ъглите  ω, φ, κ са определени като ъглите  на завъртане около X, Y, Z на геодезическа координатна система и привеждане в съответствие с координатната система на изображението.

16

фиг. 11 Ъгли на ротация ω, φ, κ ( https://support.pix4d.com/hc/en-us/articles/202558969-How-are-defined-omega-phi-kappa-)

Успешното преобразуване на ъглите yaw, pitch и roll към ω, φ, κ зависи от позицията на камерата на земята и изходната координатна система и осигурява по- точни резултати. Pix4D работи с редица партньори на безпилотни летателни апарати автоматично изчисление на ω, φ, κ с помощта на Yaw, Pitch и Roll, съхранени в дневника на полетите.

Най- важните вътрешни параметри на камерата са фокусното разстояние и първите два параметъра на радиална и тангенциална дисторзия, а най- важните външни елементи са ориентацията и позицията на камерата.

25

фиг. 12 Параметри на камерата (https://support.pix4d.com/hc/en-us/articles/202559089-How-are-the-Internal-and-External-Camera-Parameters-defined-)

17

18

фиг. 13 Влияние на вътрешните и външните параметри на камерата

5

фиг. 14 Настройки на параметрите на камерата

Настройката на параметрите е описано на https://support.pix4d.com/hc/en-us/articles/202559089-How-are-the-Internal-and-External-Camera-Parameters-defined-, https://support.pix4d.com/hc/en-us/articles/202559369-Reprojection-error, https://support.pix4d.com/hc/en-us/articles/202560169-How-to-use-the-Editing-Camera-Model-Options.

При първия етап Initial Processing се откриват общите точки в различни изображения (Keypoints). Чрез Keypoints Image Scale се определя размера на изображението, от което се извличат ключови точки в сравнение с първоначалния размер на изображенията. В настоящото изследване е избрана опцията Full  Image Scale за получаване на  прецизни резултати.

6

7

фиг. 15 Настройка за първия етап на обработка

С направените настройки стартира първия етап от обработката, който за конкретния случай  трае около 3 часа. В резултат от етапа се създава първичен модел от цифрови изображения, които географски са разположени приблизително на територията в избраната координатна система ( с точност до 2м от действителното им положение) . Местоположението на модела се определя от определените с монтирания в Phantom 4 Pro GPS приемник координати на центъра на снимката и определените общи точки между отделните кадри.

След приключване на етапа се извършва георефериране. Използват се седемте точки от работната геодезическа основа. Всяка една от тези точки има своите идентични точки на изображенията. Софтуерът позволява допълнително да се определят съвпадащи точки в различните изображения. Това става с функцията Rematch and Optimize, за да се изчислят повече съвпадения между изображенията и се извършва нова оптимизация на параметрите на камерата. Процесът трае няколко минути.

8

фиг. 16 Изпълнение на функцията Rematch and Optimize

( https://support.pix4d.com/hc/en-us/articles/202558309-Menu-Process-Rematch-and-Optimize )

С последващите два етапа се създава облак от точки ( Point Cloud and Mesh) при втория етап и модел на повърхнината и ортофото изображение ( DSM, Orthomosaic and Index) при третия. Вторият етап Point Cloud and Mesh  увеличава плътността на 3D точките на 3D модела, изчислен в първия етап на обработка, което води до по- висока точност както на цифровия модел на повърхнината DSM, така и на ортофото изображението. Позволява на потребителя да дефинира параметри за уплътняването на облака от точки, както и да класифицира получения облак. Вторият етап на обработка е най- продължителен- около 5- 6 часа.

9

10

фиг. 17 Настройки за втория етап на обработка

Третият етап DSM, Orthomosaic and Index  позволява на потребителя да определи пространствена разделителна способност, използвана за генериране на цифров модел на повърнината DSM и Orthomosaic, да дефинира параметри, които да филтрират и заглаждат  точките от облака от точки, използван за получаване на DSM, да избира формат за изходния растерен DSM и Orthomosaic. Този етап на обработка продължава около 2 часа.

11

12

фиг. 18 Настройки за третия етап на обработка

В резултат от получения векторен модел чрез Pix4D и от определените с полярна снимка координати на идентичните точки от сградите се изчисляват координатните разлики. Направено е сравнение между контури на някои от сградите от полярната снимка и контурите на същите сградите, изчертани като полилинии в Point Cloud в Pix4D. Полилиниите са експортнати в dxf формат и са сравнени идентични точки от сградите.

19 20 21

фиг. 19 Изчертаване на полилинии по ръбовете на сграда

 Стойностите на dx и dy са в интервалите съответно (-0.59; 0.42) и (-0.25; 0.37).

X[m]

Y[m]

x[m]

y[m]

ΔX

ΔY

1

4752253.91

296285.12

4752253.65

296285.37

0.260

-0.250

2

4752239.24

296324.08

4752239.12

296323.8

0.120

0.280

3

4752227.61

296319.42

4752227.84

296319.29

-0.230

0.130

4

4752242.32

296280.82

4752242.37

296280.86

-0.050

-0.040

5

4752226.46

296345.78

4752226.54

296345.61

-0.080

0.170

6

4752217.98

296342.38

4752218.01

296342.21

-0.030

0.170

8

4752224.78

296349.86

4752224.83

296349.87

-0.050

-0.010

9

4752221.74

296364.42

4752221.52

296364.44

0.220

-0.020

10

4752210.75

296360.13

4752210.67

296360.18

0.080

-0.050

11

4752196.47

296396.3

4752196.39

296396.23

0.080

0.070

13

4752164.85

296296.29

4752164.58

296296.06

0.270

0.230

14

4752170.97

296298.78

4752171.04

296298.83

-0.070

-0.050

15

4752166.35

296310.15

4752166.63

296310.07

-0.280

0.080

16

4752160.18

296307.77

4752160.01

296307.4

0.170

0.370

17

4752164.48

296296.08

4752164.58

296296.06

-0.100

0.020

18

4752152.56

296325.81

4752152.59

296325.78

-0.030

0.030

19

4752143.82

296322.16

4752144.41

296322.21

-0.590

-0.050

20

4752156.19

296292.67

4752156.12

296292.55

0.070

0.120

21

4752144.12

296337.2

4752144.17

296337.33

-0.050

-0.130

25

4752136.29

296357.9

4752135.87

296357.82

0.420

0.080

26

4752127.88

296354.73

4752127.84

296354.52

0.040

0.210

27

4752135.99

296334.05

4752136.14

296334.03

-0.150

0.020

Табл. 1 Разлики в координати на точки от полярната снимка и векторния модел

Общият брой на точките в сравнението зависи от броя на обектите, които в случая не са достатъчно, за да се направи достоверно изследване на разпределението на случайните величини .    

При сравнението са използвани два статистически реда за оценка на точността:

Δxi=Xi – xi ( формула 1)

Δyi=Yi – yi (формула 2)

Минималната и максимална абсолютна стойност по x са 0.03m и 0.42m, а по –  0.02m и 0.37m. Математическото очакване и стандартът по x и y са съответно Mx= 0.00091, σx= 0.21385, My= 0.062727 и σy= 0.141965.

При заснемането с дрона са направени 635 снимки, от които след обработката са получени облакът от точки и ортофото изображението. Заснаменeто с дронове може да се извършва само от един човек. В сравнение с полярната снимка методът е много по- бърз, не е необходим екип от много хора и получените резултати показват, че е достатъчно ефективен за нуждите на кадастъра.

Резултатите показват възможността за използване на предлаганата технология за кадастрално заснемане. По отношение на точността – резултатите удовлетворяват изискванията на чл. 18 от  Наредба РД 02-2005 за съдържанието, създаването и поддържането на кадастрална карта. Предимство на подхода е бързината и качеството на модела, получен от изображенията. При това цената на продукта се понижава значително. Най-скъпо струващия инструмент в предлаганата технология е софтуерът за обработка(тенденцията за цената на необходимия хардуер е да се понижава).

 Интерес би представлявало подобно изследване за гъсто застроени урбанизирани територии с комбинация от планове за летене, включително и заснемане на фасадите на сградите. Тук ще се проявят и недостатъците на технологията, предизвикани от препятствия върху територията и други трудности за изпълнение на полета. Очакванията са да се получи качествен модел, който да послужи за създаване на 3D обекти на кадастъра, особено за видимите части на самостоятелните обекти в сгради и съоръжения на техническата инфраструктура.

Използване само на предлаганата технология не е достатъчна за получаване на модел на обектите от реалността, но тя се явява мощно средство, когато се комбинира с други методи за набиране на пространствена информация.

Описаният експеримент е осъществен с техническите средства, извършване на полски работи, помощта и  полезните насоки  на геодезическа фирма „АРКСИ” ООД.

{module [180]}

Автор

Geomedia Magazine

И все пак тя се върти…
Rotating_earth
Rotating_earth
От категорията
Гео-портал на минестерството на отбраната

Contact Us