Использование дронов в топографической съемке. Сравнение с классическими методами измерения. - аэрофотосъемка

Использование дронов в топографической съемке. Сравнение с классическими методами измерения.

Главная цель применения промышленных БПЛА заключается в получении изображений конкретных объектов или территории с заданными характеристиками. Дроны предоставляют пространственные данные для создания топографических планов наиболее экономически и технологически оправданным способом.

Использование дронов в топографической съемке. Сравнение с классическими методами измерения. - аэрофотосъемка

Методы и технологии

Лазерное сканирование 

Воздушное лазерное сканирование считается одним из самых эффективных методов получения геопространственных данных. За счет высокой плотности измерений, удается “пробить” поверхностные слои (густую растительность, кроны деревьев и т.п.), чтобы обнаружить визуально скрытые объекты и максимально точно рассчитать их физические размеры. Принцип технологии простой: лазерный сканер с высокой частотой излучает импульс и фиксирует отражения. 

Важно учитывать отражательную способность, которая относится к соотношению отраженной лазерной энергии к принятой лазерной энергии. Объекты разной плотности отражают импульс с разной интенсивностью, за счет этого можно точно идентифицировать предметы из разных материалов. 

С помощью алгоритма классификации удается оперативно преобразовать полученные данные в цифровую модель рельефа, которую в дальнейшем можно использовать в качестве основы для топографического плана.

Преимущества

  • Быстрый результат (скорость обработки составляет менее 1 часа с момента проведения сканирования).
  • Возможность получения ЦМР в залесенной местности.
  • Непосредственный метод измерений.
  • Высокое качество данных, независимо от освещения.

Недостатки

  • Сравнительно высокая стоимость оборудования.
  • Большая сложность обработки данных.
  • Меньшая информативность по сравнении с фото.
  • Требуется низкая высота полета (при увеличении высоты теряется точность).

Цифровая аэрофотосъемка

Аэрофотосъемка с БПЛА ― это альтернативный и наиболее популярный метод получения пространственных данных. Технология заключается в фотографировании поверхности определенной территории с привязкой к координатным данным, а также создании серий изображений рельефа, которые формируются с небольшим перекрытием. Обработка данных основана на поиске связующих (общих) точек на разных изображениях и сопоставлении их для создания облака точек, характеризующих местность. После этого можно получить готовые продукты (ортофотоплан, 3D-модель и т.п.).

Преимущества

  • Высокая производительность, прежде всего, за счет высоты полета.
  • Большая детальность полученных изображений.
  • Меньшая стоимость оборудования и, соответственно, низкий порог вхождения в эту технологию.
  • Масштабируемость (от маленьких дронов до носителей с ДВС).

Недостатки

  • Качество данных непосредственно зависит от освещенности.
  • Требуется больше времени для обработки результата съемки.
  • Невозможно получить ЦМР в условиях леса и высокой травы.
  • Аналитический метод построения моделей.
  • Возможная непостоянность получения одинакового результата (эта проблема связана с электронными затворами камер).

Получаемые результаты

Лазерное сканирование позволяет получить облако точек с правильной ЦМР. 

Аэрофотосъемка предоставляет облако точек с вариативной степенью достоверности. Это значит, что можно рассчитывать на высокую достоверность в случае исследований твердых поверхностей: вспаханных полей, асфальта, грунтовых дорог, строительных площадок. Если съемка проводится на территориях, покрытых травой, снегом или в условиях лесной местности, не следует полностью полагаться на высокую точность данных.

Результаты аэрофотосъемки используются для создания ортофотопланов и трехмерных моделей.

Термины и определения

  • Облако точек — результат фотограмметрии или работы лазерного сканера, набор отдельных, не связанных между собой точек, имеющих определенную позицию и цвет.
  • Цифровая модель рельефа (ЦМР) представляет собой карту высот поверхности земли без учета находящихся на ней объектов.
  • Цифровая модель местности (ЦММ) — совокупность данных плановых координат и высот конкретного участка местности. Помимо рельефа на ЦММ представлены другие объекты: здания, сооружения, растительность и т. п.
  • Ортофотоплан — это цифровое трансформированное (плоское) изображение местности или объектов, сформированное по перекрывающимся исходным фотоснимкам. По ортофотоплану можно проводить инвентаризацию различных объектов.
  • 3D-модель — математическое представление трехмерного объекта или местности с привязкой на точной геодезической основе.

Промышленные решения DJI 

DJI Phantom 4 RTK

Компактная и точная платформа для картографирования на небольших высотах. В этот дрон интегрирован RTK-модуль, поэтому пользователи могут рассчитывать на позиционирование в реальном времени с сантиметровой точностью. Резервный GNSS модуль обеспечивает стабильность полета в районах с низким уровнем сигнала. Дрон оснащен калиброванной 20-Мпикс камерой с механическим затвором, который предотвращает риск смазанности изображения при резких движениях. Технология TimeSync применяется для синхронизации системы с микросекундной точностью. Phantom 4 RTK подходит для картографирования больших территорий, благодаря возможности находиться в воздухе до 30 минут и бесперебойной передаче видео и HD-изображений на расстояние до 7 км.

DJI Matrice 300 RTK

Универсальный дрон с расширенными возможностями искусственного интеллекта и эффективной системой позиционирования и обнаружения препятствий в 6 направлениях. БПЛА идеально подходит для аэрофотосъемки и лазерного сканирования, можно установить практически любую полезную нагрузку (весом до 2,7 кг и подходящую по размерам). DJI Matrice 300 RTK способен находиться в воздухе до 55 минут без нагрузки и 35 минут с нагрузкой 2 кг, а также передавать данные на расстояние до 15 км. Предусмотрена горячая замена аккумуляторов. Корпус дрона имеет степень защиты IP45 поэтому дрон можно использовать при температуре воздуха от -20°C до +50°C, он демонстрирует устойчивость даже при порывах ветра до 15 м/с (известны случаи эксплуатации дрона в условиях скорости ветра 25 м/с). Еще одна важная особенность — чтобы подготовить дрон к запуску, понадобится около 2 минут.

Zenmuse P1

Устройство объединяет в себе полнокадровый датчик со сменными объективами с фиксированным фокусом на 3-осевом стабилизированном подвесе. Это решение для фотограмметрических полетов, способное вывести эффективность и точность на принципиально новый уровень. Камера P1 от DJI особенно рекомендована для аэрофотосъемки огромных площадей, обеспечивает расширенный динамический диапазон, что повышает качество снимков. Полнокадровый высокочувствительный датчик способен делать новые снимки каждые 0,7 секунд. Таким образом, удается покрывать 3 км² за один полет или до 22 км² за полетный день (при условии благоприятных погодных условий). Система TimeSync 2.0 синхронизирует время между модулями (контроллером, GNSS-модулем, подвесом и камерой) с точностью микросекунд. Трехосевой стабилизатор и функция Smart Oblique Capture ускоряют создание 3D моделей и положительно влияют на их качество. 

Zenmuse L1

Многофункциональная камера для фиксации деталей сложных структур и создания высокоточных восстановленных моделей. На 3-осевом стабилизированном подвесе объединены модуль лазерного лидара Livox Lidar, высокоточный IMU и 1-дюймовая CMOS-камера с механическим затвором. Устройство простое в использовании, легко интегрируется с дронами DJI. L1 передает полученные данные на пульт управления в режиме реального времени, что позволяет объективно оценить ситуацию на месте и быстро принимать взвешенные решения. Обеспечивает высокую результативность — до 2 км² за один полет, поддерживает до 3 возвратов. Диапазон обнаружения составляет до 450 м. С помощью Zenmuse L1 можно получать достоверные данные о рельефе с точностью, соответствующей топографическому плану 1:500, 1:1000, 1:2000 (в зависимости от высоты полета).

Нормативная документация для топографической съемки

БПЛА массой от 250 г до 30 кг в обязательном порядке подлежат учету. Для постановки дрона на учет ФАВТ (Федеральное агентство воздушного транспорта) необходимо представить заявление и указать следующие данные:

  • Фотоизображение дрона.
  • Основные технические характеристики БПЛА (точное наименование марки и модели, серийный номер, масса и т.п.).
  • Паспортные данные владельца или пользователя. 

С 29 декабря 2020 владельцы дронов могут воспользоваться услугой по учету БПЛА в электронной форме через Единый портал государственных услуг или Портал учета беспилотных воздушных судов.  

Использование дронов в топографической съемке. Сравнение с классическими методами измерения. - аэрофотосъемка

В соответствии с последними изменениями законодательства, нет необходимости получать разрешение на использование воздушного пространства, если планируется запуск дрона массой до 30 кг на высоту до 150 м. Однако следует соблюдать следующие правила:

  • Полет должен происходить в светлое время суток, а БПЛА должен находиться в зоне видимости оператора.
  • Запрещаются полеты над диспетчерскими зонами аэродромов, запретными территориями, мероприятиями, спортивными состязаниями, митингами.

Существует также нормативная документация, касающаяся использования результатов аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования. Согласно инструкции ПАРО-90, для использования материалов и передачи результата третьим лицам необходимо иметь лицензию ФСБ и пройти согласование со штабом округа, администрацией, уполномоченными органами. 

Аэрофотосъемка и лазерное сканирование для инженерных изысканий

Существует несколько нормативных документов, регулирующих эти процессы:

  • ГОСТ Р 59328-2021 Аэрофотосъемка топографическая. Технические требования.
  • СП 317.1325800.2017 Инженерно-геодезические изыскания для строительства.
  • СП 47.13330.2016 Инженерные изыскания для строительства.
  • Стандарты отрасли и стандарты предприятий.

В последние время ведутся работы по разработке новых нормативных документов для  аэрофотосъемки и лазерного сканирования. 

Лазерный сканер может быть зарегистрирован как средство измерений. Сегодня только 3 модели лазерных сканеров, используемых на БПЛА, занесены в реестр средств измерений (стоимость самого дешевого из них с ПО составляет 6,8 млн руб.).

Важная новость: стартовала сертификация DJI Zenmuse L1, заключены все необходимые договора и ориентировочный срок окончания этой процедуры — второй квартал 2022 года. Сертификация будет распространяться на приобретенные уже сейчас лидары L1, после внесения оборудования в реестр необходимо будет провести поверку и можно использовать его как полноценное средство измерений. 

Использование дронов в топографической съемке. Сравнение с классическими методами измерения. - аэрофотосъемка

Технологическая трансформация отрасли

Сейчас происходят революционные изменения, связанные с появлением доступных и надежных технологий аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования.

За последние 2-3 года на российском рынке:

  • Увеличилось количество малых дронов до 2000 единиц.
  • Лидаров около 120 единиц (AGM, DJI L1, Riegl, GreenValley). Кроме того, с 2017 года цена самого доступного лидара (только сканер) снизилась почти в 3 раза и ожидается дальнейшее уменьшение стоимости, в связи с появлением новых решений.

Эти инструменты повысили производительность геодезистов и топографов, упростили и удешевили работу, расширили возможности компаний и предприятий.

Сравнение технологий

Дроны не заменяют, а дополняют классические технологии и позволяют выйти на новый уровень получения пространственных данных. Рассмотрим основные плюсы и минусы технологий, а также проблематику внедрения дронов в рабочий процесс предприятия.

Использование дронов в топографической съемке. Сравнение с классическими методами измерения. - аэрофотосъемка

ГНСС + Тахеометр

Преимущества:

  • Существуют методики прописаны в СП, а также приборы внесены в СИ.
  • Возможность проводить съемки в любую погоду.
  • Обеспечивают точности вплоть до 1:100.
  • Принцип «Все снимается за раз» (возможность получить около 95% информации для топографического плана за один полевой выход).

Недостатки

  • Низкая скорость и большая трудоемкость работ. 
  • Высокая стоимость работ (большие затраты ФОТ + командировочные).
  • Меньшая детальность съемки.
  • Есть необходимость снимать подземные коммуникации.
Использование дронов в топографической съемке. Сравнение с классическими методами измерения. - аэрофотосъемка

Дроны

Преимущества:

  • Высокая производительность и оптимальная маневренность, способность работать даже в стесненных условиях.
  • Радикальное сокращение сроков проведения.
  • Принципиально другой подход к выполнению работ (длительная и сравнительно сложная обработка данных).
  • Повышение точности за счет детальности.
  • Меньшие издержки на Фонд оплаты труда (для выполнения задачи достаточно 1-2 специалистов).

Недостатки:

  • Зависимость от погоды и сезона, времени суток.
  • Необходимость переобучения и постоянного повышения квалификации.
  • Принцип «Все снимается за раз» не работает, требуются дополнительные инструменты.
  • Есть некоторые сложности с сертификацией и методологией.
  • Все еще необходимо отдельно снимать подземные коммуникации.

Главные сложности интеграции дронов в рабочий процесс:

  • Необходимость дополнительного образования в области фотограмметрии и спутниковых технологий.
  • Сложности с созданием отчетов, особенно для ГЭ.
  • Отсутствие квалифицированных кадров для камеральной обработки данных — принципиально другой подход.
  • Необходимость больших инвестиций, особенно если требуются лидары (средняя окупаемость оборудования составляет 1,5-3 года).
  • Недоверие к технологиям, которая сохраняется у тех, кто отдает предпочтения классическим методам топографической съемки.

Оценка экономики проектов с дронами и без

Пример №1

Модельный объект 32 га 1:500 городская застройка г. Углегорск, базирование не далее 200 км. 

При съемке дроном и использовании GNSS RTK понадобится 21 день плюс время на согласование и 4 специалиста. Общие затраты на проект составляют 1 646 250 руб. Если использовать тахеометр и GNSS RTK, то на проведения этого же объема работ необходимо 24 дня без учета времени на согласование, а также команда из 6 человек. В данном случае затраты составят 1 233 250 руб. Этот пример показывает, что если требуется съемка небольшой площади, то затраты на БПЛА и полезную нагрузку не окупятся после первой же миссии, но можно сэкономить время проведения работ.

Использование дронов в топографической съемке. Сравнение с классическими методами измерения. - аэрофотосъемка

Пример №2

Модельный объект 350 га 1:2000 городская застройка г. Кириши, базирование не далее 200 км.

При съемке дроном и использовании GNSS RTK необходимо 30 дней и 6 человек специалистов. Затраты составляют 1 797 750 руб. На стандартные исследования с помощью тахеометра и GNSS RTK понадобится 58 дней, 8 рабочих. Затраты составляют 1 772 750 руб. В этом примере применение БПЛА значительно сокращает время работ, ведь на съемку с дрона понадобится 1 день, по сравнению с 35 днями полевых работ. Для аэрофотосъемки необходимо 1 или 2 оператора, а для наземных работ — бригада из 4 человек, следовательно классические технологии требуют больших затрат на оплату труда. Что касается отрисовки, то она длится одинаково в обоих случаях, но если принимать во внимание возможности беспилотных технологий, то этот процесс пройдет значительно проще.

Использование дронов в топографической съемке. Сравнение с классическими методами измерения. - аэрофотосъемка

Пример №3

Модельный объект 2200 га 1:2000 лес вблизи Уссурийска, базирование не далее 200 км.

Съемка дроном с GNSS RTK займет 43 дня и время на согласование, потребуется команда из 13 человек и затраты составят 5 832 000 руб. Если использовать тахеометр и GNSS RTK необходимо 58 дней (и дополнительное время на согласование), 25 специалистов, а также бюджет 10 029 000 руб. В этом случае БПЛА помогают сократить финансовые затраты почти в 2 раза, а также выполнить съемку на 2 недели быстрее. 

Использование дронов в топографической съемке. Сравнение с классическими методами измерения. - аэрофотосъемка

Дроны для выполнения специфических задач

Съемка линий электропередач доступна двумя способами: как фотограмметрия, так и лазерное сканирование. Обе технологии предоставляют достаточно точные и актуальные данные, которые можно использовать для внесения в топографический план.

Для съемки лесных насаждений применяется, как правило, лазерное сканирование. При определенных условиях можно измерить даже толщину стволов дерева и внести эту информацию в топографический план.

Особенности обработки данных

Обработка выполняется с помощью программного обеспечения, которое подбирается индивидуально, с учетом нюансов той или иной задачи. Самые эффективные программы: Civil 3D, Spatix и DJI Terra.

  • В Civil 3D предусмотрено наложение ортофотоплана на топографическую съемку, что позволяет обследовать все необходимые зоны, инвентаризировать интересующие объекты и т. п.
  • Данные полученные методом лазерного сканирования удобно обрабатывать в Spatix. Функционал программы позволяет получить информацию как о рельефе лесной местности, так и о деревьях (особенно актуально для негустых сосновых насаждений с небольшим подлеском). Для построения ЦМР также понадобится минимум времени и усилий, геодезисты и картографы получают результат всего в несколько кликов.
  • DJI Terra помогает максимально быстро сгенерировать 2D-ортомозаику территории где проводится полет. Практика показывает, что вполне достаточно точек с интервалом в 0,5 м, чтобы в дальнейшем в DJI Terra предельно точно описать фигуру, которая обследуется, определить ее объем и провести другие вычисления. Также можно оценить рельеф даже в случае съемки с большой высоты (порядка 150 м).

На основании снимков, полученных с дрона, формируют ортофотопланы, с той точностью и в той системе координат, которая необходима для конкретного проекта. Беспилотные технологии уменьшают материальные и ресурсные затраты, ускоряют и значительно повышают качество создания топографических карт и планов, работ по инвентаризации земель и объектов капитального строительства, а также помогают решать многие другие задачи.