Застосування БПЛА в цілях аерофотознімання

2.2.1. Особливості даних знімання з з БПЛА

Аерознімання з БПЛА принципово не відрізняється від знімання з великих літаків але має певні особливості, які ми далі розглянемо [18]. Політ БПЛА, як правило, здійснюється з крейсерською швидкістю 70-110 км/год(20-30 м/c) в діапазоні висот 300-1500 м. Для знімання зазвичай використовуються неметричні побутові камери з розміром матриці 10-20 мегапікселів. Фокусна відстань камер зазвичай складає близько 50 мм (у 35 мм еквіваленті) що відповідає розміру пікселя на місцевості (GSD) від 7 до 35 см.

Часто знімки з БПЛА обробляються простими нестрогими методами (афінне перетворення знімків на площину). В результаті, користувач отримує накидні монтажі, які окрім низької точності можуть утримувати розриви контурів на стиках сусідніх знімків.

При розгляді особливостей знімання з БПЛА і складанні рекомендацій по її проведенню із строгої фотограмметричної обробки даних, в результаті якої можна чекати точність отримуваних результатів (як правило, ортофото-мозайки) порядку одного GSD. При значеннях параметрів знімання вказаних вище, результати відповідають по точності орото-планам масштабів від 1: 500 до 1: 2000 залежно від висоти знімання.

Для строгої фотограмметричної обробки даних аерознімання і отримання максимально точних результатів необхідно, щоб знімки в одному маршруті мали потрійне перекриття, а перекриття між знімками сусідніх маршрутів при площадковому зніманні складало не менше 20%. На практиці, при зніманні з БПЛА ці параметри витримуються далеко не завжди. Політ БПЛА не стійкий, на нього впливають пориви вітру, турбулентність і політ БПЛА не стійкий, на нього впливають пориви вітру, турбулентність і інші обурюючі чинники. Якщо знімання із звичайних літаків планують з перекриттям уздовж маршруту 60%, а між маршрутами 20-30%, то проектувати знімання БПЛА слідує з перекриттям уздовж маршрутів 80%, а між маршрутами - 40%, щоб, по можливості, виключити розриви у фото-тріангуляційному блоці.

На БПЛА, як правило, встановлюються цифрові камери Canon. Це пов'язано з легкістю електронного управління камерами цієї фірми. Використання побутових камер має як переваги (невисока вартість, легкість заміни при "жорсткій посадці"), так і недоліки.

Основним недоліком є те, що побутові камери спочатку не відкалібровані - невідомі їх точні фокусні відстані, головна точка, дисторсія. При цьому нелінійні спотворення оптики (дисторсія), допустимі при побутовому зніманні, можуть складати до декількох десятків пікселів, що на порядок знижує точність результатів обробки. Проте, такі камери можуть бути відкалібровані у лабораторних умовах що дозволяє отримувати точність обробки, практично такі ж, як і для професійних малоформатних фотограмметричних камер.

Прийнятніше встановлювати на такі камери об'єктиви з фіксованим фокусним відстанню. При зніманні слід виставляти фокусування н нескінченність і відключати функцію "автофокусу".

Другий недолік використовуваних на БПЛА камер відноситься конкретно до камер Canon– в них, на відміну від професійних фотограмметричних камер, використовується щілинний затвор, внаслідок чого експозиція різних частин зображення робиться в різні моменти часу і відповідає різним положенням носія. Так, якщо витримка при зніманні складає 1/250 c, то при швидкості БПЛА в 20 м/с зміщення камери при зніманні кадру складає 8 см, що порівнянно з дозволом зніманні на малих висотах і викликає додаткову систематичну помилку в знімку. Такі помилки можуть накопичуватися в процесі фотограмметричного згущування (зрівнюванні) при зніманні протяжних територій. Для того, щоб зменшити вплив цього ефекту і для ліквідації "смаза" знімків, слід здійснювати знімання з БПЛА з найменшими можливими витримками (не довше 1/250 c, максимальна витримка залежить від висоти). Частково проблему щілинного затвора могли б вирішити камери з центральним затвором, що мають порівнянне з камерами Canon якість об'єктиву і матриць. Проте, щоб уникнути "смаза" витримки все одно слід обмежувати.

Знімки цифрових камер, як любительських, так і професійних, мають прямокутну форму. Вигідніше розташовувати камеру так, щоб довга сторона знімка розташовувалася упоперек польоту - це дозволяє знімати велику площу при тій же довжині маршруту. Знімання слід робити з максимальною якістю - з найменшим jpeg стискуванням або в RAW, якщо останнє можливо.

Сучасний рівень розвитку навігаційних засобів дозволяє робити виміри елементів зовнішнього орієнтування (ЭВО) безпосередньо в процесі знімання. Типові точність таких вимірів досягає одиниць сантиметрів по просторових координатам X, Y і Z і 0.005 градуса по кутах крену, тангажа і рискання для найточніших систем Applanix POS AV, що встановлюються на великі літаки. Часто цього вистачає щоб здійснювати обробку без використання опорних точок. У будь-якому разі, наявність таких даних значно спрощує обробку і дозволяє виконувати деякі етапи обробки повністю в автоматичному режимі. Сучасні досягнення мікроелектроніки дозволяють зібрати механічний (точніше MEMS - электронно-механічний) гіроскоп в корпусі розміром в декілька мм, вартістю від 250 $. Такі гіроскопи не дають точність професійних, мають значний відхід (порядку одного градуса за годину) при експлуатації, але істотно спрощують подальшу обробку даних. При типових постачаннях Птеро E4, Дозор 50 на борт можуть бути встановлені такі малогабаритні інерціальні системи – IMU (на Дозор- 50 ставиться IMU розробки ТОВ "Транзаз Телематика") і високоточні дводіапазонні GPS (TOPCON euro 160 на Птеро-E4, вбудований ГЛОНАСС/GPS приймач на Дозор- 50). Паспортна точність цих GPS приладів складає 10 мм + 1,5 мм × B (B - видалення до базової станції в км) в плані і 20 мм + 1,5 мм × B по висоті. На жаль, зазвичай на борт БПЛА встановлюють більше дешеві GPS приймачі і не встановлюють IMU датчики. Дані про центри проекції знімків в телеметричній інформації знімаються через протокол NMEA і мають в такому випадку точність до 20-30 м, а кути тангажа, крену і рискання обчислюються через вектор швидкості GPS вимірів. Точність кута рискання в такій телеметричній інформації невисока і може перевищувати 10 градусів, а самі значення містять систематичні помилки, що ускладнює подальшу обробку даних. Якщо при зніманні використовувався дводіапазонний GPS приймач в диференціальному режимі (чи PPP обробка даних GPS), то потрібно мінімальне число опорних точок для отримання найбільш точних результатів обробки, зазвичай достатня 1-2 точки на 100 знімків, у ряді випадків обробку можна проводити без опорних точок. У разі, коли неточних центрів проекції, вимоги до планово-висотного обгрунтування стандартні: однапланово-висотна точка на 6-10 базисів знімання.

2.2.2. Специфіка фотограмметричної обробки даних аерознімання з БПЛА

Обробка аерознімання з БПЛА в цифрових фотограмметричних системах (ЦФС) в цілому аналогічна обробці аерофотознімання з великих літаків. Проте особливості даних з борту БПЛА часто не дозволяють використати автоматичні процедури стандартних пакетів - частина операцій (наприклад, розставляння зв’язуючих точок) доводиться робити в ручному режимі. Нижче розглядаються особливості обробки аерознімання з БПЛА в ЦФС PHOTOMOD 5.2. Саме у цій версії PHOTOMOD введені спеціальні функції для обробки таких даних, що істотно спрощують і що автоматизують отримання кінцевої продукції.

Як і при обробці інших даних, спочатку в ЦФС створюється проект, в нього вводяться знімки і телеметрична інформація. На підставі даних про центри проекції і кути робиться створення накидного монтажу, розбиття по маршрутах. Знімки, що потрапили на розвороти БПЛА, віддаляються в ручному режимі. Неточні кутові елементи зовнішнього орієнтування призводять до досить грубого накидного монтажу (Рис. 2.2):

Рис. 2.2. Накидний монтаж за телеметричною інформацією

Автоматичний пошук зв’язуючих точок в таких випадках ускладнений або вимагає значного часу роботи комп'ютера. Для уточнення накидного монтажу в таких випадках в ЦФС PHOTOMOD використовується автоматичний накидний монтаж, який уточнює взаємне розташування знімків (Рис. 2.3).

Рис. 2.3 Накидний монтаж після автоматичного уточнення

Знімання з борту БПЛА здійснюється зі збільшеними перекриттями.Нестабільність польоту літального апарату іноді може привести до дуже великим перекриттям між сусідніми знімками, що викликає складнощі в стандартних фотограмметричних пакетах.

Рис. 2.4. "Переплутування" знімків при маленькому базисі зніманні

Різні кути і висоти знімання сусідніх кадрів призводять до збільшення зони пошуку єднальних точок і збільшенню числа грубих помилок в порівнянні із стандартними аеропольотами. Після створення уточненого накидного монтажу виконується процедура автоматичного виміру єднальних точок. На перших проходах накидний монтаж знову уточнюється:

Рис.. 2.5. Накидний монтаж після перших проходів автоматичного виміру зв’язуючих точок

На наступних проходах робиться вимір зв’язуючих точок. Декілька проходів потрібні у разі, коли телеметрична інформація не містить усіх кутів орієнтування, або кути відомі з точністю 10-30 градусів. Якщо ж телеметрична інформація містить кутові елементи орієнтування з точністю в декілька одиниць градуса, то досить і одного проходу - надійність автоматичних вимірів в цьому випадку підвищується. Для боротьби з можливими грубими помилками при автоматичних вимірах в PHOTOMOD 5.2 введено поняття довірчої групи зв’язуючих точок, коли програма шукає найбільше число зв’язуючих точок для стереопар з найменшим поперечним паралаксом, інші зв’язуючі точки, що не потрапили в групу вважаються помилковими.

Після виміру зв’язуючих і опорних точок робиться процедура зрівнювання. У ЦФС PHOTOMOD можна використати початкове наближення для алгоритму зрівнювання як за уточненою схемою блоку, так і побудоване іншими методами. Починаючи з версії 5.2 для зрівнювання аерознімання з БПЛА рекомендується використати новий режим – зрівнювання 3D. При зрівнюванні в PHOTOMOD і достатньому числі опорних точок можна використати самокалібрування. Це дає можливість використання тих, що не калібрують ся камер. Очікувана точність вихідних результатів при строгій фотограмметричній обробці складає приблизно 1-2 GSD в плані і 2-4 GSD по висоті. Після фотограмметричного зрівнювання, результати якого і визначають точність вихідних продуктів, робиться побудова рельєфу (ЦМР) в автоматичному режимі. При необхідності, після зрівнювання може бути зроблена стереовекторізация - малювання вручному режимі будівель, споруд, мостів, гребель і інших об'єктів. Побудований рельєф використовується для ортотрансформування знімків. На останньому етапі з ортотрансформуванних знімків створюється безшовна мозаїка - робиться розрахунок ліній порізів, вирівнювання яркостей, стикування контурних об'єктів. Самокалібрування можна включати і за відсутності опорних точок, правда, в цьому випадку можна розрахувати тільки коефіцієнти k1, k2 радіальною дисторсій. При використанні камер з щілинним затвором можна додатково включити розрахунок аффінних спотворень. У випадку стабільності кутів орієнтування при зніманні таке самокалібрування може підвищити точність зрівнювання.

Якщо використовується камера, що не калібрується, і відсутні опорні точки, то можна говорити про точність в декілька десятків метрів, яка визначатиметься точністю GPS центрів проекцій і дисторсій об'єктиву (до декількох десятків пікселів). У таких випадках можна застосовувати спрощену автоматизовану послідовність обробки. Безшовний накидний монтаж вказаної точності при цьому виходить за рахунок трансформації початкових знімків в модулі PHOTOMOD GeoMosaic. В цьому випадку використовуються прості методи трансформації, що не враховують рельєф місцевості а стикування контурів здійснюється за рахунок автоматично єднальних, що розраховуються точок уподовж автоматично побудованих ліній порізів.