Создание 3D-моделей методом аэрофотосъемки

Создание цифровых моделей местности (ЦММ) или цифровых моделей рельефа (ЦМР) позволяют решать задачи топографии, вести подсчет объемов, разрабатывать проекты планировки территории. Использование летательных аппаратов и применение цифровых фотокамер значительно удешевило и упростило задачу построения 3D-поверхностей.

Трехмерные модели местности применяются в маркшейдерии, геодезии, проектными институтами. 3D-объекты создаются на основе цифровых фотографий или данных с LIDAR-аппаратуры. При помощи привязки к местности опорных точек в необходимой системе координат, полученные модели обладают колоссальным объемом точных геодезических данных.

Построение модели происходит за счет определения объектов местности на различных кадрах цифровой камеры, установленной на борт летательного аппарата.

На изображении показан маршрут полета БПЛА и места, в которых проводилась съемка. Из полученных материалов собирается облако точек или триангуляционная поверхность.

Топосъемка с БПЛА получила широкое применение в сфере землеустройства, экологии, картографии и строительстве. При возникновении чрезвычайных климатических ситуаций (наводнений, оползней, ураганов) применяются беспилотные летательные аппараты. Они позволяют произвести мониторинг состояния земной поверхности, жилого фонда, водных объектов, которые подверглись влиянию пагубных природных факторов.

Создать ЦМР и ЦММ аэрофотосъемкой можно для:

• Формирования поверхности для топоплана;
• Подсчет объема путем сравнения двух тел;
• Выбор оптимального маршрута линейного объекта;
• Трехмерное моделирование зданий и сооружений.

Современные решения позволяют получать 3D-модели местности при обработке материалов без использования лазерного сканирования. Сложный алгоритм вычислений создает цифровую модель рельефа, из которой можно получить профили сечения местности, отрисовать изолинии поверхности с необходимым шагом, определять любые координаты внутри модели, расстояния и высоты.

Получившееся облако точек или TIN-поверхность представляет собой сложную и тяжелую модель, состоящую из нескольких миллионов полигонов или точек. Такая точность и избыточность информации является излишней в инженерных сферах, поэтому проект требует упрощения. Топографы Сервис Гео набирают пикетаж с необходимой частотой, в зависимости от требуемого масштаба, в результате чего получается цифровая модель, отображающая только рельеф и не учитывающая растительность, транспорт, инфраструктуру. Экспортировав данные в AutoCad можно получить изолинии поверхности, которые станут основой топогрфического плана. Остальное вычерчивание происходит, в основном, на основе ортофотоплана.

Летательные аппараты, с которых получают трехмерные модели поверхности, бывают самолетного и вертолётного типа. В своей работе для аэросъемки мы применяем как самолеты, так и мультикоптеры. Квадрокоптер для аэрофотосъемки оснащен стабилизирующей платформой, к которой монтируется фотоаппаратура. Самолеты не нуждаются в подобных приспособлениях, потому что летят со скоростью 50-90 км/ч и должны быть оснащены более светосильной техникой. При выборе коптера или самолета для аэросъемки учитывается площадь, которую охватывает съемка. Небольшие мультикоптеры способны отснять около 40 га, выработав один комплект аккамуляторных батарей. Более мощные многовинтовые агрегаты способны поднять тяжелую фотокамеру, но все так же не производительны. Съемка болших площадей возможна только самолетными БПЛА, которые проводят в небе от 40 минут и более.

Главные преимущества беспилотной съемки и трехмерного моделирования является относительная недороговизна и высокая точность материалов. Затраты на создание БПЛА, его обслуживание несравнимы с малой авиацией. Спутниковые GPS/ГЛОНАСС приемники позволяют работать на объекте небольшому количеству геодезистов. Эти факторы приводят к тому, что себестоимость работ по аэрокартографированию и трехмерному модедированию местности существенно отличается от стоимости традиционной аэросъемки. 

Применение беспилотных летательных аппаратов в картографии, обусловлено тем, что космическая съемка не позволяет обеспечить достаточную точность и возможность получения фотоснимков труднодоступных объектов местности из-за облачности. Космоснимки имеют разрешение около 50 см/пикс, что недостаточно для составления карт местности крупного масштаба. Материалы Сервис Гео имеют разрешение ортофотопланов от 1 см/пикс. Это дает возможность создавать 3D-модели (ЦММ и ЦМР) высокой точности.

Аэрофотосъемка с летательных пилотируемых аппаратов требует существенных затрат финансового ресурса. Это вызвано тем фактором, что на обслуживание и заправку самолётов и вертолётов уходит немало средств. В конечном итоге это существенно повышает стоимость самой аэрофотосъемки. К тому же съемка незначительных по площади территорий с применением пилотируемых летательных объектов нецелесообразна. Тем более если заданный участок местности находится на значительном расстоянии от аэродрома.

Основные преимущества топосъемки с БПЛА:  

• Высокая рентабельность в сравнении с традиционными методами съемки;
• Быстрота получения фотоснимков, ЦММ и ЦМР;
• Возможность съемки в труднодоступных местах;
• Съемка в местах техногенных катастроф;
• Получение фотоснимков высокого разрешения за счет возможности облета с незначительных высот.

Следует отметить, что для получения качественного материала, беспилотные аппараты, которые применяется для аэрофотосъемки должны иметь на борту автопилот. Автоматика должна выдерживать заданные параметры съемки (маршруты, высоту, заданные углы наклона фотокамеры и пр.).  Для получения уравненной ЦМР или ЦММ необходимо в обязательном порядке проводить координирование опознавательных знаков на местности (изображение слева) или использовать геодезические приемники с режимом работы real time kinematics.Использование БПЛА для целей картографии, возможно при полном соблюдении геометрических параметров фотосъемки. Беспилотники, которые портативны и экономичны, могут быть менее стабильны с позиции выдержки необходимых геометрических параметров при проведении аэрофотосъемки. Консолидация усилий производителей БПЛА и разработчиков программных комплексов (ЦФС) позволит добиться существенного прогресса в использовании беспилотников, для решения различных задач картографии, экологии, землеустройства и строительства.На сегодняшний день использование беспилотных летательных аппаратов получило широкое применение во многих сферах деятельности. Стимулом к развитию фотосъемки с использованием БПЛА послужило её успешное применение в военных целях, а также разработки в области конструирования новых типов аккумуляторных батарей. За счет того, что государственные средства поступали на конструирование военных беспилотных летательных аппаратов, они стали отличным средством разведки, сопровождения боевых действий, транспортировки грузов. Что сразу же переняли изобретатели в гражданских отраслях и коммерческих направлениях в десятках стран мира.