Особенности промышленной аэрофотосъемки

Если отвлечься от съемки с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) свадеб, торжеств и юбилеев, то становится очевидным, что в арсенале специалистов по картографированию территорий, экологов и военных появился мощный инструмент в работе — промышленные беспилотные аппараты, которые способны решать различные задачи по построению качественной картографической информации, подробных ортофотопланов территорий, лесов, сельскохозяйственных угодий и городских территорий. Учитывая тот факт, что получить качественный фотографический материал для построения 3D моделей местности только с первого взгляда кажется простым делом, в действительности — задача имеет массу всяческих особенностей. Захотелось поделиться собственным опытом организации промышленной аэрофотосъемки, местом расположения граблей, на которые пришлось наступить, а вернее — на которые пришлось налететь. За всеми подробностями прошу под кат.

Выбор беспилотника

Для начала определимся с задачей, которую пришлось решать в этой работе. Первая задача — построение 3D модели (ортофотоплана) достаточно большой территории сельскохозяйственных угодий одного из заказчиков, у которого по сути поля находятся в окружении лесов, или как мы шутили в последствии — полей, которые встречаются в лесу. Эта характерная ситуация для сельского хозяйства в Томской области, которая является чрезвычайно залесённой. Да посмотрите сами — всё станет понятно без слов.




Большая территория и совершенно устаревшие данные по земельным отводам не дают объективной оценки состояния земель, поэтому собственникам земельных угодий становится не только интересно, но и выгодно понимать, какими ресурсами они владеют (или не владеют) на самом деле.


Собственникам земель доступны вот такие допотопные карты-планшеты, склеенные из бумаги с данными по отводу земель 30-40 летней давности. Цветным даже нанесены данные по содержанию в земле питательных веществ, что является важнейшей для агронома информацией, которая также в большинстве случаев уже не соответствует действительности. Короче, век хоть XXI, по сути живем данными и картами середины прошлого века. Конечно, получить объективную и актуализированную информацию о состоянии угодий полезно не только для инвентаризации имеющейся земли, но и для ввода новых земель в оборот, за которые можно получить приличные субсидии от государства. Осталось только найти эти земли среди болот и лесов. Начинаем поиски.

Для съемки таким больших территорий используется специальное промышленное летное оборудование — БПЛА самолетного типа (конструкция тип «крыло»). Эти аппараты позволяют за 1 полётную сессию покрывать до 1500 км² территории и получать снимки с необходимым качеством для дальнейшей постобработки. Выбор БПЛА на рынке достаточно большой. Как импортные, так и отечественные БПЛА на любой карман. Правда, дорогие и по моему мнению совершенно не оправдано. Но видно так диктует рынок. Цены от 1 млн. за достойный аппарат. Предлагаю немного прерваться и посмотреть короткое видео (2 мин 30 сек), которое я специально снял для читателей Хабра для этой статьи, чтобы сразу понять, что это за промышленный БПЛА и как это выглядит.

Съемка с использованием БПЛА

Самолет сам по себе никуда не полетит, если его не запустить в полет и не сделает того, что должен сделать. А что, собственно, должен делать БПЛА? Он должен строго следовать полётной инструкции и провести съемку в полном соответствие с планом съемки, который содержится в летном задании.

Летное задание

Летное задание – специализированная инструкция, состоящая из указаний операторам по проведению процесса съемки, содержит все необходимые требования, включая утверждение масштаба фотографирования и фокусного расстояния фотооборудования, формат аэрофотоснимка, заданные проценты продольного и поперечного перекрытий, размеры съемочного участка. По этим исходным данным определяют высоту и базис съемки, интервал между экспозициями, число аэрофотоснимков в маршруте и на съемочный участок, а также ориентировочное время, необходимое для аэрофотосъемки всего участка. При этом важно не забывать, что снимки должны быть в строгом соответствие с выбранным масштабом съемки.

Что такое масштаб съемки?

По масштабу аэросъемки условно подразделяют на сверхкрупномасштабные (крупнее 1:2000, разрешение до 20 см), крупномасштабные (от 1:2000 до 1:10000), среднемасштабные (от 1:10000 до 1:30000), мелкомасштабные (от 1: 30000 до 1:100000) и сверхмелкомасштабные (мельче 1:100000). Здесь и далее речь идет о соответствие размеров объектов в действительности, соотнесенные их изображению на цифровом снимке для 1 пикселя. То есть, к примеру, на сверхкрупномасштабном снимке 1:2000 изображение 1 пикселя соответствует объекту размером 20 см.

Съемка местности с перекрытием

Для того, чтобы получить качественную картографическую информацию и построить 3D модель местности, необходимо провести съемку территории с перекрытием, т.е. снимать участок земли так часто, чтобы последующий снимок как-бы «перекрывал» предыдущий, по аналогии с кровлей крыши, где каждая плитка накрывает часть предыдущей. То есть, съемка с БПЛА осуществляется так, как показано на рисунке — с перекрытием.


А всю территорию надо разбить на маршруты, т.е. мы получаем n-количество снимков вдоль и поперек, соответственно с продольным и поперечным перекрытием, так как показано на следующем рисунке


Величина продольного перекрытия между соседними аэрофотоснимками одного маршрута как правило в пределах 55-70 %, а поперечное — не менее 20%.


Такой вид съемки, который используется в большинстве случаев, относится к площадной съемкой с перекрытием.


Перед началом работ проверяют все необходимое оборудование, материалы и полетные карты, проводят тренировку экипажей и составляют график полетов (прохождения маршрутов съемки) в соответствие с летными задачами, затем проверяют все необходимые расчеты параметров съемки.


Таблица содержит все необходимые исходные данные для проведения аэрофотосъемки и расчета всех её параметров. Конечно, ввод этих данных идет в автоматическом режиме, но я приведу формулы расчета, чтобы иметь общее представление, что всегда полезно.

Для получения необходимо разрешения снимков, съемку с БПЛА необходимо вести на строго определенной высоте полета H_пол.


где H_пол - высота полета, м; GSD - разрешение пикселя, м/пкс; l_х - размер матрицы камеры (по оси абсцисс), пкс.

Расстояние между соседними снимками (В) для последующего расчета их количества по продольному маршруту определяется как


где P_x – продольное перекрытие, %; GSD – размер пикселя на местности.

Ширина маршрута на местности (L_M) зависит от размера матрицы (в направлении ординат) (l_y) применяемой в комплексе с БПЛА цифровой камеры и определяется следующим соотношением:


где l_y – ширина матрицы по оси «y», пкс.

Определить расстояние между смежными маршрутами L_y съемки с условием поперечного перекрытия P_y можно рассчитать по формуле



Далее необходимо вычислить количество снимков в маршруте N_сн , которое определяется как отношение длины участка к расстоянию между снимками с учетом продольного перекрытия


где длина участка D_x равна длине среднего маршрута в продольном направлении от левого края первого аэрофотоснимка до правого края последнего аэрофотоснимка с запасом на 1 снимок.

Количество маршрутов N_м вычисляют с учетом ширины участка D_y, который измеряют в поперечном направлении посередине от верхней стороны снимка первого маршрута до нижней стороны снимка последнего маршрута с запасом в 1 маршрут.


Суммарное количество снимков на исследуемый участок N_уч определяют как общее количество снимков по всем маршрутам съемки, а минимальное полетное время съемки, которое, в частности, может использоваться для соответствующих экономических расчетов затрат на проведение работ, вычисляется по формуле:


где V – средняя скорость БПЛА в процессе съемки территории.
Конечно, это расчетное время съемки и оно никак не связано со временем реальной работы, которое в зависимости от количества разбросанных граблей по которым приходится шагать, может и на на пару порядков отличаться от расчетного, но все-же)

Как говорилось выше, все необходимые вышеуказанные параметры съемки задаются в автоматическом режиме с учетом использования современного БПЛА оборудования, оснащенного специализированными контроллерами и современным программным обеспечением. Однако, при обеспечении внутреннего контроля работ необходимо проконтролировать точность введения исходных данных, а полученные снимки должны быть выборочно (либо целиком) проконтролированы на качество. Для этого необходимо вести (в бумажном или цифровом виде) дефектовочные карты проведенных съемок (оценка снимков проводится по 5-бальной шкале). Дефектовка проводится на месте, чтобы при необходимости переснять неудачные участки, чтобы не повторять командировку вновь.

И немного о погоде. Очередные грабли

Съемку земной поверхности осуществляют через толщу атмосферы, характеристики которой непостоянны. Состояние атмосферы определяет условия и результаты съемки. Физическое состояние атмосферы характеризуют ее прозрачность и рефракции лучей в ней, температура воздуха, атмосферное давление, влажность воздуха, облачность, перемещение воздушных масс. Наибольшее влияние на результативность съемки в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра оказывают степень прозрачности атмосферы, освещенность и облачность.

В слое атмосферы между земной поверхностью и съемочной системой, установленной на БПЛА, всегда в той или иной степени содержатся мельчайшие (0,01-1 мм) частицы газов, водяных паров, пыли, дыма. Они вызывают рассеяние света в атмосфере и обусловливают дополнительную яркость самого воздуха, чем снижают контрастность деталей земной поверхности. Свечение или мутность атмосферы за счет рассеяния света от взвешенных в воздухе частиц называют дымкой. При преобладании в атмосфере молекул газов и водяного пара сильнее рассеиваются лучи с короткой длиной волн и атмосферная дымка имеет преимущественно голубой или синий цвет. Если же преобладают взвешенные частицы пыли, дыма и других посторонних тел, дымкой в равной степени рассеиваются лучи всех цветов спектра и сама она принимает серый или белесый цвет. Такая дымка чаще бывает в районах с задымленностью от лесных пожаров и промышленных предприятий или в зонах распространения частиц пыли и песка.

Аэросъемки обычно выполняют в яркие, солнечные, безоблачные дни. Перистые и перисто-слоистые облака им не препятствуют. При проведении съемки следует выбирать направление запад-восток. Это требование обусловлено, в частности, исключением паразитного влияния солнечного света.

Аэрофотосъемка возможна и при высокой сплошной облачности, расположенной выше БПЛА, выполняющего съемку. Высокая сплошная облачность позволяет получать бестеневые аэрофотоснимки со смягченными тонами теней, в результате чего полог лесных насаждений просматривается глубже, лучше видны его затененные части.

Для целей дешифрования лесной растительности, важное значение имеет влияние высоты Солнца в момент проведения съемки: чем оно выше, тем контрастнее выделяется соотношение между освещенными и затененными сторонами крон в пологе насаждений. Также более отчетливо отбрасываются тени.


При высоте Солнца более 30° общий вид изображения полога насаждений яркий и пестрый, так как сомкнутые насаждения состоят из светлых крон и темного фона от затененных промежутков между кронами.

Обычно съемку начинают не ранее чем через 2 ч после восхода Солнца и заканчивают за 3 часа до его захода. В большинстве случаев аэрофотосъемочное время дня ограничивается тремя-четырьмя часами, поскольку после 9-10 ч, особенно в лесных районах, появляется кучевая облачность, достигающая наибольшего развития к 13-15 ч. Не догма, наблюдение из собственного опыта.

Прямым ограничением проведения съемок является наличие сильного дождя, снега, грозовых явлений, либо резких порывов ветра с горизонтальной скоростью более 10-15 м/с и вертикальными порывами более 3 м/с. Однако, не смотря на то, что современные промышленные БПЛА могут эксплуатироваться в условиях значительной ветровой нагрузки, целесообразно иметь системы метеорологического мониторинга полетных условий, которые должны сопровождаться контролем горизонтальной и вертикальной скорости ветра и влажности воздуха, так как влажность существенно влияет на плотность воздуха и, как следствие, на аэродинамические свойства БПЛА. Не смотря на то, что производители БПЛА пишут в рекламе, что их аппараты летают при практически любой погоде — лучше летные мероприятия проводить в нормальную погоду. Потерять БПЛА намного дороже, чем выждать подходящие метеоусловия. Ведь бОльшая часть таких аппаратов гибнут по двум причинам — раздолбайство операторов и неподходящая погода. То и другое является для производителей БПЛА «золотым дном», ведь дорогостоящие ремонты БПЛА тоже ооооочень доходный бизнес. Поэтому нельзя экономить на подготовке операторов и торопить события с желанием все быстро сделать. Это как раз тот случай, когда спешка и смех находятся в самой прямой зависимости.

Осторожно, суровые законы!

Представим, что вы имеете отличное оборудование, промышленные БПЛА и великолепных операторов, заказчиков работ, но все равно попали в тюрьму. Да, именно так, ведь несоблюдение требований законодательства к организации летных мероприятий и открытия воздушного пространства совершенно спокойно может привести к таким последствиям. Ничего не попишешь, в этом смысле в России придумано всё так, чтобы даже при условии соблюдения всех правил можно что-то не учесть. Вообще процесс получения официального разрешения на полеты (открытия воздушного пространства) еще тот концерт. Каждый случай специфичен. Общие же принципы таковы. Для осуществления летных мероприятий с использованием БПЛА необходимо строго руководствоваться требованиями законодательства. Основным документом для работы по открытию воздушного пространства является постановление Правительства РФ от 11 марта 2010 г. N 138 «Об утверждении Федеральных правил использования воздушного пространства Российской Федерации». Второй параграф Правил содержит определение БПЛА: беспилотный летательный аппарат — летательный аппарат, выполняющий полет без пилота (экипажа) на борту и управляемый в полете автоматически, оператором с пункта управления или сочетанием указанных способов.

Таким образом, для выполнения требований Законодательства для обеспечение полетных мероприятий (в общем случае) необходимо выполнить ряд обязательных мероприятий. Необходимо подготовить Сообщение о плане полета беспилотного летательного аппарата (далее — сообщение о плане запуска). Сообщение представляет собой сведения о планируемой деятельности по использованию воздушного пространства, которые направляются пользователем воздушного пространства или его представителем в орган обслуживания воздушного движения (управления полетами) по авиационной наземной сети передачи данных и телеграфных сообщений, по сети Интернет или на бумажном носителе, включая факсимильное сообщение.

Сообщение о плане запуска по авиационной наземной сети передачи данных и телеграфных сообщений, а также на бумажном носителе, включая факсимильное сообщение, направляется в виде формализованной телеграммы, состоящей из трех частей: адресной, информационной и подписной.

Адресная и подписная части телеграммы заполняются в соответствии с установленными правилами адресования и передачи телеграфных сообщений.

Информационная часть телеграммы заполняется в последовательности и по правилам, определенным Табелем сообщений о движении воздушных судов в Российской Федерации и требованием Законодательства.

Сообщение о плане запуска по сети Интернет направляется путем заполнения информационной части плана полета воздушного судна на веб-сайте органа ОВД в последовательности и по правилам, определенным настоящим Табелем сообщений.

Текст сообщения о плане запуска заполняется печатными буквами в соответствующих случаях латинского или русского алфавита. В виду динамично развивающего Законодательства в области использования воздушного пространства, указанные правила изменяются. Невыполнение или частичное выполнение указанных правил может привести к административной ответственности физических или юридических лиц, а в случае тяжких последствий – к уголовной ответственности в установленном в Законодательстве порядке.

Требования к операторам БПЛА и руководителю полетов

Современные профессиональные БПЛА представляют собой средства повышенной опасности. Наличие маршевых двигателей, существенный вес БПЛА и сложность эксплуатации накладывают определенные требования к квалификации операторов. Съемки залесенной территории в Сибирском регионе связана с опасностью попадания в зону действия лесных пожаров, дополнительным фактором опасности является наличие клещей и гнуса. Персонал должен строго соблюдать требования инструкции по ТБ оператора, работы выполнятся как минимум двумя операторами. Люди, выполняющие полевые летные работы, должны быть привиты от клещевого энцефалита, иметь специальную защитную одежду, удостоверение оператора БПЛА и гражданский паспорт, комплект разрешительных документов на открытие воздушного пространства, аптечку и средства связи. В зонах отсутствия или неустойчивости связи сотовых операторов – радиостанции УКВ и КВ диапазонов. При организации съемок с БПЛА в местах появления опасных животных руководитель полетов должен иметь средства для их отпугивания (шумовые патроны и спецсредства) или огнестрельное оружие (при наличии лицензии). В случае необходимости применения оружия данный факт сообщается правоохранительным органам и(или) специалистам лесного хозяйства для актирования случая.

При появлении любых опасных явлений в зоне проведения полетов, они должны быть незамедлительно прекращены, а руководитель полетов должен предпринять все разумные усилия для обеспечения безопасности операторов и срочно покинуть опасное место, к примеру, при приближении очага лесного пожара.

Ну вот примерно так происходит подготовка к проведению БПЛА съемки с помощью промышленного лётного оборудования. В последующих сериях (статьях) рассмотрим технологии обработки и интерпретации полученных БПЛА снимков с целью получения качественной картографической информации и 3D моделей местности. Также поговорим о дешифровке различных интересных объектов на снимках с БПЛА. Будет интересней! Хорошего дня!