Russian Federation
Russian Federation
UDK 528.74 Применение фотограмметрии
This article examines application of the outcome of digital photogrammetric processing of aerial photos in order to create solutions for the construction industry. The article also considers developing of an orthophotomap and analyses a number of factors that affect the task precision.
aerial photos, digital aerial photos, digital photogrammetric processing, accuracy of coordinates setting, orthophotomap, construction industry
На современном этапе развития технологий еще не все возможности цифровизации, дистанционного зондирования и искусственного интеллекта реализованы в строительной отрасли.
Аэрофотоснимки и материалы их цифровой фотограмметрической обработки позволяют получать планово-картографическую основу, которая может использоваться на таких этапах жизненного цикла объектов капитального строительства как осуществление инженерных изысканий, архитектурно-строительное проектирование и строительство.
Аэроснимки также могут применяться для проведения мониторинга строительства: определения этапов строительства объектов, контроля проведения работ, мониторинга работы строительной техники, контроля хода строительства, вычисления объемов земляных работ. Для этих целей целесообразно применения аэросъемки с беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), а также космической съемки.
Для мониторинга строительства сейчас есть возможность воспользоваться специальными сервисами, например, геосервисами АО «Терра Тех», дочернего предприятия АО «Российские космические системы».
В геосервисах «Цифровая Земля» реализована возможность обработки и анализа космических снимков с использованием искусственного интеллекта. Один из сервисов платформы «Цифровая Земля» — «Строй-контроль».
Этот сервис позволяет получать информацию по расположению, количеству, размерам, состоянию объектов строительства. Также возможно отследить изменения размеров и состояния объектов строительства в динамике.
Самостоятельно проводить мониторинг и контроль строительства на основе съемки или воспользоваться готовыми материалами из геосервисов зависит от технических возможностей организации (наличия съемочного и компьютерного оборудования, программного обеспечения, квалифицированных специалистов) и финансовых средств.
Другой сферой применения цифровой фотограмметрии является использование материалов наземой съемки для мониторинга и технического обследования строительных конструкций зданий и сооружений на этапах предварительного обследования и детального инструментального обследования [4].
В настоящей статье рассматривается технология обработки снимков на цифровой фотограмметрической станции с построением ортофотоплана. Полученные на основе этого планово-картографические материалы могут быть использованы для приведенных выше видов работ в строительной отрасли.
По частоте применения значимым источником данных дистанционного зондирования для строительной области сегодня служат аэрофотоснимки. С помощью аэросъемки может быть получена метрическая информация об объектах строительства, площади объектов, а также составлена планово-картографическая документация.
На снимках и ортофотопланах отображаются все присутствующие на местности объекты, что позволяет получать максимум информации.
Обработка материалов аэрокосмической съемки выполняется с помощью цифровых фотограмметрических систем [3].
Особенностью цифровых фотограмметрических систем является выполнение всех процессов обработки материалов в автоматизированном или полностью автоматическом виде.
Для пользователей доступны не только зарубежные системы, но и программные продукты отечественных разработчиков, например, цифровая фотограмметрическая станция «Photomod» АО «Фирмы «Ракурс», программные комплексы КБ «Панорама»: Панорама фото, Комплекс автоматизированного дешифрирования и векторизации данных ДЗЗ, Комплекс автоматизированного контроля качества и исправления цифровых карт и другие.
Основной продукцией, которая получается в результате проведения цифровых фотограмметрических работ, являются цифровые ортофотопланы [1], [2].
Ортофотопланы в дальнейшем используются для построения векторных планов и карт, моделирования различных процессов, прогнозирования, принятия управленческих решений.
На рисунке схематично представлена технология построения ортофотоплана.
При проведении автоматизированной фототриангуляции по цифровым аэрофотоснимкам выполняется автоматизированный перенос точек и измерение координат связующих точек, что минимизирует ручной труд и повышает производительность труда.
В ходе процесса измерений можно просматривать невязки и параметры преобразования, а также корректировать, удалять или временно исключать измерения на любом этапе ориентирования. Здесь же можно регулировать тоновые характеристики снимка как для каждого снимка в отдельности, так и для всего блока.
Фототриангуляция основывается на решении задачи блочного уравнивания фотограмметрической сети. В технологии фототриангуляции применяются вычисления по методу наименьших квадратов и используются исходные данные о пространственном положении аэрофотокамеры (координатах центров фотографирования) и координатах опорных точек. Фотограмметрическое сгущение опорной сети является одним их этапов в технологическом процессе. Выполняется пересчет координат для точек сгущения сети и связующих точек по координатам опорных точек, измеренным на снимках. В этот момент вычисляются элементы внешнего ориентирования снимков и модели.
Точность, полученная в результате блочного уравнивания, позволяет оценить качество геометрии аэрофотоснимков и точность измерения координат связующих и опорных точек.
При выполнении уравнивания блочной фототриангуляции есть возможность редактирования точек в проекте, исключения или удаления точек, при наличии избыточных измерений. Можно измерить точки повторно или включить исключенные точки, после чего повторно провести уравнивание снимков. Чтобы увеличить количество опорных точек есть функция автоматического сгущения опорной сети.
В программных модулях цифровых фотограмметрических систем реализован полный перечень установок, которые позволяют визуализировать черно-белые, а также цветные стереопары, проводить измерения яркостных характеристик, работать с трехмерными графическими данными в различных форматах. Стереоизображение в системах цифровой фотограмметрии обеспечивается за счет использования технологических и технических решений (анаглифических или жидко-кристаллических затворных очков, поляризационных экранов и других).
Далее проводятся работы по построению цифровой модели рельефа и ортотрансформированию. Результаты и материалы обработки затем передаются в ГИС.
Точность получения пространственных координат точек местности и точность нанесения границ объектов местности на ортофотоплан показывают для каких видов работ и каких сфер применения могут быть использованы материалы аэрофотосъемки.
На итоговую точность получения координат точек местности будут влиять такие факторы как фотографическое и фотограмметрическое качество снимков, организация процесса измерений по снимкам и точность измерительных приборов. Влияние оказывают систематические ошибки и точность исходных данных (данные о калибровке камеры, о точности координат опорных точек и параметров аэрофотосъемки). Их необходимо учитывать при фотограмметрической обработке.
В работах немецкого ученого Ф. Акермана [6], [8], [9], [10] проанализирован ряд теоретических и практических аспектов учета влияния различных ошибок снимков и проведен анализ точностей выполнения основных фотограмметрических работ аналитическими методами. В таблице 1 отражена точность решения обратной фотограмметрической засечки по снимкам масштаба 1:11000. Использованы статистические данные для 10 различных съемок, выполненных аэросъемочными камерами с фокусными расстояниями 150, 210 и
Таблица 1.
Точность, полученная в результате выполнения обратной фотограмметрической засечки
|
Параметр |
СКП, мкм |
|---|---|
|
На опорных точках |
4,2-7,7 |
|
На контрольных точках |
5,1-8,3 |
В своих работах [11] и [12] немецкий ученый К. Крауз приводит для нормального случая аэросъемки точности определения координат точек объектов местности фотограмметрическим методом. Точность зависит от соотношения длины базиса, высоты фотографирования и масштаба аэросъемки.
Эти данные приведены в таблице 2.
Таблица 2.
Точность определения координат точек по снимкам
|
Масштаб съемки |
B/H=1:1 |
B/H=1:3 |
B/H= |
B/H= |
||||
|
$\sigma$XY |
$\sigma$Z |
$\sigma$XY |
$\sigma$Z |
$\sigma$XY |
$\sigma$Z |
$\sigma$XY |
$\sigma$Z |
|
|
1:50000 |
0.360 |
0.250 |
0.430 |
0.750 |
0.900 |
2.500 |
1.700 |
5.000 |
|
1:10000 |
0.072 |
0.050 |
0.086 |
0.150 |
0.181 |
0.500 |
0.341 |
1.000 |
|
1:1000 |
0.0072 |
0.0050 |
0.0086 |
0.0150 |
0.0181 |
0.0500 |
0.0341 |
0.1000 |
Из таблицы следует, что:
- средняя ошибка координат точек при постоянном отношении величины базиса к высоте аэросъемки прямо пропорциональна знаменателю масштаба. Подбирая варианты различных масштабов съемки, можно достичь требуемой точности;
- при постоянном масштабе аэросъемки средняя ошибка по высоте точек будет обратно пропорциональна соотношению величины базиса к величине высоты съемки. Средние ошибки в плановых координатах при этом уменьшаются несущественно при уменьшении соотношения величины базиса к высоте съемки;
- при постоянной величине базиса средняя ошибка высоты аэросъемки увеличивается на величину квадрата высоты аэросъемки.
Таблицы 1 и 2 могут быть использованы для выбора параметров съемки при планировании работ исходя из требований к точности работ в строительной отрасли.
Предлагаем следующую методику выбора параметров аэрофотосъемки для определения координат точек местности по снимкам и получения планово-картографической основы для строительной сферы. Методика нацелена на использование стереофотограмметрической обработки снимков с получением координат точек местности в плане и по высоте. Процесс выбора параметров аэросъемки может быть представлен в виде последовательности действий:
- Рассчитать максимальную допустимую высоту фотографирования: $H_{max}=\frac{p\delta h}{\delta(\Delta p)}$, где Hmax — высота фотографирования, p — среднее значение продольных параллаксов точек стереопары, $\delta$h — допустимая ошибка определения высот, $\delta(\Delta p)$ — ошибка определения разности продольных параллаксов.
- Рассчитать знаменатель масштаба съемки: $m \leq \frac{\delta_{пл}}{\delta_{сн}}M$, где $\delta_{пл}$ — допустимая погрешность определения положения точки на плане, $\delta_{сн}$ — погрешность измерения точки на снимке, M — знаменатель масштаба плана, m — знаменатель масштаба снимка.
- Скорректировать вычисленные параметры съемки с учетом требований к итоговой точности, необходимой для решения конкретной задачи в сфере строительства.
- Вычислить фокусное расстояние по формуле: f=H/m, где f — фокусное расстояние камеры.
Возможно применение и других методик выбора параметров аэрофотосъмки.
В заключении можно отметить, что применение методов цифровой фотограмметрии для сферы строительства позволяет оперативно получать информацию об объектах местности с высокой точностью. Вопросы выбора параметров аэрокосмической съемки, а также параметров обработки материалов на всех технологических этапах с появлением новых съемочных систем, оборудования и программного обеспечения актуальны и требуют проведения дополнительных исследований.
1. N.P. Akimova, S.A. Kadnichanski. The true orthophotomap based on a dense digital terrain model is an efficient solution. Geoprofi, № 3, 2023, p. 11-17
2. S.A. Kadnichanski. Regarding the possibility and efficiency of developing orthophotomaps of scale 1:2000 and larger based on aerial photos taken with pilotless aircraft. [Text] / Geoprofi. № 4. 2020
3. S.A. Kadnichanski. Review of digital photogrammetric systems [Text] / S.A. Kadnichanski, S.I. Khmelevskoi. M.: Centre LARIS, 2002. - 20 p.
4. V.V. Ledeyov. Inspection and monitoring of structural units of buildings and facilities: manual for students/ V.V. Ledeyov, V.P. Yartsev. - Tambov: Publishing house of the Federal State Educational Institution of Higher Education «State Technical University of Tambov», 2017. - 252 p. - 100 copies.
5. Guidelines for photogrammetric processing of aerial photos with digital photogrammetry systems using the Photomod system as an example [Text] /V.N. Adrov, V.A. Myshlyaev, D.V. Kochergin, A.Yu. Sechin. Moscow: «Rakurs» JSC.
6. A.G. Chibunichev. Photogrammetry: textbook for university students. [Text] / M.: publishing house of the Moscow Institute of Engineers in Geodesy, Aerophotography and Cartography. 2022. 328 p.: ill.
7. Ackermann, F. Gesetzmaessigkeit der absoluten Lagegenauigkeit von Bloecken // BuL. - 1968. № 1. S. 3-15.
8. Ackermann, F. Photogrammetrische Lagegenauigkeit streifenartiger Modellverbaende. // BuL. - 1966. № 3. S. 119-124.
9. Ackermann, F. Photogrammetrische Lagegenauigkeit streifenartiger Modellverbaende. (Fortsetzung und Schluss) // BuL. - 1966. № 4. S. 178-184.
10. Ackermann, F. Teoretische Beispiele zur Lagegenauigkei ausgeglichener Bloecke // BuL. - 1967. № 7. S. 114-122.
11. Kraus, K. Photogrammetrie. Band 1. Grundlagen und Standartverfahren. Mit Beitraegen von P. Waldhaeusl // Ferd. Duemmler Verlag Bonn, 2009.
12. Kraus, K. Photogrammetrie. Band 2. Verfeinerte Metoden und Anwendungen. Mit Beitraegen von J.Jansa und H.Kager // Ferd. Duemmler Verlag Bonn, 2009.
