Оценка точности ЦМР по материалам аэрофотосъемки с БЛА Геоскан 101

Аннотация

Гормаш А.В., Оньков И.В. Оценка точности ЦМР по материалам аэрофотосъемки с БЛА Геоскан 101 В статье приведены результаты исследования точности ЦМР участка автодороги между населенными пунктами Сосново и Дедушкино Чайковского района Пермского края, полученной по материалам аэросъемки с БПЛА.

И.В. Оньков (ЗАО «Мобиле», Пермь)

В 1970 г. окончил геодезический факультет МИИГАиК по специальности астрономогеодезия. После окончания института работал в Степногорском управлении строительства, с 1974 г. — в Пермском политехническом институте, с 1989 г. — в Горном институте УрО АН (Пермь), с 1993 г. — в Частном предприятии по созданию цифровых карт, с 1995 г. — в филиале Госземкадастрсъемка — ВИСХАГИ (Пермь), с 2000 г. — в Пермском филиале ООО «Недра» (Челябинск), с 2002 г. — в ООО ПермНИПИнефть, с 2006 г. — в ООО Тримм. C 2011 г. работает в ЗАО Мобиле, в настоящее время — научный консультант. Кандидат технических наук.

А.В. Гормаш (Верхнекамский трест инженерно-строительных изысканий, Пермь)

В 2000 г. окончил горно-нефтяной факультет Пермского государственного технического университета с квалификацией инженер по специальности прикладная геодезия. После окончания университета работал в Группе предприятий УралГео (Пермь). С 2011 г. работает в ОАО Верхнекамский трест инженерно-строительных изысканий, в настоящее время — главный геодезист.

Основной материал статьи

Аэрофотосъемка местности, осуществляемая с беспилотных летательных аппаратов (БЛА), в настоящее время является эффективным решением задач картографирования территорий, имеет преимущества перед традиционной наземной съемкой и в ряде случаев способна заменить ее при создании и обновлении топографических планов крупных масштабов [1]. В этом случае к точности отображения контуров и высот на топопланах предъявляются достаточно высокие требования, определяемые действующими нормативными документами [2].

В связи с этим определенный практический интерес представляет оценка точности высот цифровых моделей рельефа (ЦМР) и цифровых моделей местности (ЦММ), созданных по материалам аэрофотосъемки с БЛА с использованием современных компьютерных методов фотограмметрической обработки снимков [3].

В статье приведены результаты исследования точности ЦМР участка автодороги между населенными пунктами Сосново и Дедушкино Чайковского района Пермского края, полученной по материалам аэросъемки с БЛА Геоскан 101 [4].

Автодорога, протяженностью около 5 км, располагалась на равнинной местности с углами наклона менее 20. Ширина полосы съемки составляла около 170 м. Так как работы проводились поздней осенью, и влияние высоты травяного покрова было незначительным, построенная модель местности (ЦММ) рассматривалась как модель рельефа (ЦМР).

Аэрофотосъемка выполнялась по четырем маршрутам с параметрами, приведенными в табл. 1. Для определения координат центров фотографирования использовался геодезический приемник GPS, установленный на БЛА.

Таблица 1 — Параметры аэрофотосъемки

Наименование параметра	Значение
Площадь съемки, км2	0,83
Средняя высота полета, м	114
Количество снимков	1327
Тип камеры	NEX-5T
Фокусное расстояние объектива камеры, мм	20
Размер снимка, пиксель	4912х3264
Перекрытие, %	70х40
Разрешение на местности, см/пиксель	1,7

Наземная планово высотная подготовка аэросъемки включала создание и закрепление на местности опорной геодезической сети из 7 пунктов, расположенных вдоль трассы автодороги, и вычисление координат и высот опорных точек (опознаков). Координаты и высоты пунктов опорной геодезической сети были определены от двух пунктов триангуляции ГГС из ГНСС наблюдений, координаты и высоты 105 опознаков — от пунктов опорной сети наземными геодезическими методами(рис. 1).

Рисунок 1 – Схема размещения опознаков

Один из пунктов опорной сети с установленным на нем приемником ГНСС использовался как базовый, для определения координат центров фотографирования.

Для маркировки опознаков применялись белые пластиковые тарелки диаметром около 20 см, которые хорошо распознаются на снимках (рис. 2).

Рисунок 2 – Пример маркировки опознаков

По результатам обработки материалов аэрофотосъемки в ПО Agisoft PhotoScan [5] был построен ортофотоплан в формате JPG с разрешением на местности 2 см/пиксель и цифровая модель местности с шагом 1,0 м в виде текстового файла матрицы высот размером 3209х2563 (рис. 3).

Рисунок 3 – Графическое отображение ЦМР в тоновом (слева) и рельефном (справа) видах

Для независимой оценки точности высот ЦМР использовались данные наземной тахеометрической съемки автодороги масштаба 1:500, выполненной в период проведения аэросъемочных работ. Из материалов топосъемки было отобрано 1037 пикетных точек рельефа земной поверхности, входящих в границу созданной ЦМР с отметками H_топо. Значения отметок цифровой модели рельефа(H_ЦМР) в пикетных точках вычислялись путем интерполирования матрицы высот ЦМР двумерными полиномами, используя стандартные программы библиотеки численного анализа Вычислительного центра МГУ им. М.В. Ломоносова.

Разности отметок ЦМР и топографической поверхности земли в пикетных точках при оценке точности рассматривались как истинные погрешности ЦМР: ΔH = H_ЦМР – H_топо.

Для выявления точек, находящихся вблизи границы созданной ЦМР или вблизи высоких сооружений, сравнивались результаты интерполирования матрицы высот полиномами первой, второй и третьей степеней. Если разность отметок между результатами интерполирования превышала 0,05 м, то такие точки из обработки исключались. Всего для оценки точности в качестве контрольных было отобрано 819 пикетных точек, положение которых приведено на рис. 4.

Основными показателями точности высот ЦМР служили следующие параметры:

• среднее значение разности высот ЦМР и пикетных точек (систематическая ошибка) — ΔH_ср.;
• средняя квадратическая погрешность (Root Mean Square Error) — RMSE_ΔH;
• средняя абсолютная погрешность (Mean Absolute Error)— MAE_ΔH;
• вероятная линейная ошибка (Linear Error) — LE90_ΔH;
• минимальное (ΔH_min) и максимальное (ΔH_max) значения разностей высот.

Значения показателей точности ЦМР, вычисленные по разности отметок (ΔH_i) на этих точках, приведены в табл. 2.

Таблица 2 — Показатели точности высот ЦМР

Показатели точности	Значение, м
ΔHср	0,02
RMSEΔH	0,22
MAEΔH	0,16
LE90ΔH	0,35
ΔHmin	–0,74
ΔHmax	0,97

Гистограмма на рис. 5 показывает, что эмпирическое распределение погрешностей высот ЦМР достаточно хорошо соответствует закону нормального распределения, график плотности которого выделен красным цветом.

В соответствии с инструкцией [2] средние ошибки съемки рельефа относительно ближайших точек геодезического обоснования не должны превышать по высоте 1/4 принятой высоты сечения рельефа при углах наклона местности до 20 или 0,25 м для высоты сечения рельефа 1 м.

Принимая во внимание, что значение средней погрешности высоты ЦМР составило 0,16 м и не превышает допустимого в 0,25 м, можно сделать вывод о возможности использования ЦМР автодороги Сосново — Дедушкино, полученной по материалам аэрофотосъемки с БЛА Геоскан 101, для создания и обновления топографических планов с высотой сечения рельефа 1,0 м.

Список использованной литературы

1. Зинченко О.Н. Беспилотные летательные аппараты: применение в целях аэрофотосъемки для картографирования (часть 1). — www.racurs.ru.
2. Инструкция по топографической съемке в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000 и 1:500. ГКИНП-02-033-82. — М.: Недра, 1985. — 152 с.
3. Форсайт Д., Понс Ж. Компьютерное зрение. Современный подход: пер. с англ. — М.: Издательский дом Вильямс, 2004. — 928 с.
4. Аэрофотосъемочный комплекс Геоскан 101. — www.geoscan.aero.
5. Руководство пользователя Agisoft PhotoScan: Professional Edition, версия 0.9.0. М.: AgiSoft LLC, 2012. — 21 с.