Учредитель журнала

Об аэроснимках и их применении в строительной отрасли

УДК 528.84:69.003.12

DOI 10.52815/0204-3653_2023_4193_60
EDN: HERGWB

Садовский Борис
Старший преподаватель кафедры информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ)
E-mail: sadovskiy@mgsu.ru

Сутугина Ирина
Преподаватель кафедры информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ)
E-mail: SutuginaIM@mgsu.ru

Аэрофотоснимки и цифровые фотограмметрические технологии применяются для решения различных задач в строительной отрасли. Сочетание технологий дистанционного зондирования, цифровой фотограмметрической обработки с применением алгоритмов искусственного интеллекта повысят производительность и точность получения информации об объектах местности для сферы строительства.
Эта информация может использоваться на всех этапах жизненного цикла объектов капитального строительства, в том числе при инженерных изысканиях, архитектурно-­строительном проектировании и строительстве.
Показатели, которые могут быть получены по аэрофотоснимкам и ортофотопланам включают в себя местоположение границ земельных участков (координаты поворотных точек границ земельных участков), площадь объектов недвижимости (земельных участков, зданий), высота зданий и другие.

Рис. 1. Примеры аэроснимков
Источник: fly-photo.ru

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 применение аэросъемки с беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), а также космической съемки (рис. 2).

Рис. 2. Мониторинг определения этапов строительства транспортной развязки на км 19+500 автомобильной дороги «Пермь – Усть-­Качка» на подъезде к терминалу аэропорта Большое Савино
Источник: презентация АО «ТЕРРА ТЕХ», «Российские космические системы»

Примером применения аэросъемок может служить проект «Цифровой двой­ник Москвы». В рамках этого проекта по материалам аэросъемок с БПЛА создана фотограмметрическая модель города Москвы. Это проект Мосгоргеотреста, реализованный по распоряжению Москомархитектуры и Департамента информационных технологий города Москвы в целях эффективного моделирования развития городской территории.
Платформа используется для планирования строительства жилых, промышленных, социальных объектов и принятия управленческих решений. Также реализован контроль хода выполнения значимых территориальных проектов [15].
Участие строителей в этом проекте дает всю информацию о районе и городе, а также о стройплощадке. Пространственные данные используются при реализации всех строительных проектов в Москве [14].
«Цифровой двой­ник Москвы» представляет собой фотограмметрическую модель г. Москвы, на которую нанесены сети инженерных и транспортных коммуникаций. Для создания такой фотограмметрической модели было использовано более 12 млн снимков территории города. Съемка выполнена под разными углами с воздуха и земли. Обновление снимков осуществляется ежегодно, для того чтобы поддерживать актуальность фотограмметрической модели.
В фотограмметрической модели «Цифровой двой­ник Москвы» содержится 5000 аналитических слоев, основу которых составляют массивы данных по всем сферам жизни города. Слои обновляются постоянно в режиме реального времени. Также в платформу загружены архивы панорам 13 000 км территории Москвы. Эти архивы могут использоваться для высокоточных измерений и просмотра актуальных и ретроспективных снимков города.
«Цифровой двой­ник Москвы» реализован на базе свободно распространяемого программного обеспечения.
Алгоритмы искусственного интеллекта в проекте «Цифровой двой­ник Москвы» применяются для улучшения разрешения изображений, цветокоррекции исходных снимков, а также удаления со снимков шумов и отдельных объектов, мешающих обработке данных, таких как, например, автомобилей.
На 3D-модель города выведено видео с некоторых камер системы видеонаблюдения с помощью искусственного интеллекта. Это используется для точного определения на модели зоны покрытия территории камерами в целях обеспечения безопасности граждан [15].
Основой подобных проектов служат исходные материалы: аэрофотоснимки, полученные с самолетов и беспилотных летательных аппаратов. Изображения могут быть представлены как в аналоговом, так и в цифровом виде [16].

Рис. 3.
Источник: фото М. Денисова с сайта www.mos.ru [15]

Следует отметить, что в аэрофотогеодезическом производстве при съемках с самолета, несмотря на появление цифровых аэрокамер, продолжают применять также и аналоговые аэрофотоснимки, наряду с цифровыми. Затем в процессе обработки их переводят в цифровую форму.
Это связано с тем, что традиционные технологии производства выходной продукции хорошо отлажены, кроме того, применение цифровой съемочной аппаратуры требует значительных финансовых вложений.
Для получения аналоговых снимков земной поверхности фотопленка экспонируется в полете [2]. Характеризуются аналоговые снимки следующими параметрами:

  • масштабом;
  • форматом (размером) снимка;
  • разрешающей способностью;
  • геометрической точностью;
  • цветом;
  • фотографическим качеством и т. д.

Снимки могут объединяться в блок. Он характеризуется количеством снимков в каждом маршруте и количеством маршрутов, а также величиной продольного и поперечного перекрытия снимков.
Основными выходными материалами при фотограмметрической обработке аэрокосмических снимков, выполняемой на цифровых станциях, являются:
– цифровые ортофотопланы;
– векторизованные цифровые карты и планы;
– цифровые модели рельефа.
В том случае, когда в ходе фотограмметрической обработки создается выходная продукция в цифровом виде, она характеризуется сейчас не масштабом, а точностью, которая соответствует тому или иному масштабу. Распечатка же выходной продукции на твердом носителе (бумаге, пленке, пластике) осуществляется в требуемом масштабе.

Рис. 4. Схематичное изображение маршрутов, на которое нанесены оси маршрутов и центры аэрофотоснимков [6]

Наибольшее распространение в настоящее время получили снимки формата 230х230 мм, получаемые съемочными камерами RC‑30, LMK, RMB и др.
Универсальным критерием оценки качества изображения объекта и эффективности измерений по этому изображению является разрешающая способность. Линейное пространственное разрешение – это величина, обратная разрешающей способности. Предельное разрешение – это размер минимального объекта на изображении, который отображается раздельно [10].
Разрешающая способность аналоговых снимков зависит от разрешающей способности применяемой фотопленки, разрешающей способности объектива съемочной камеры, условий съемки (наличия дымки, типа используемых светофильтров и т. п.) и наличия механизма компенсации сдвига изображения за время экспозиции, а также от условий фотохимической обработки экспонированной фотопленки. Так, например, разрешающая способность снимков, получаемых съемочной камерой RC‑30 может достигать 50–55 лин/мм. При этом объектив камеры имеет разрешающую способность от 90 до 120 лин/мм (в зависимости от величины фокусного расстояния). У всех остальных съемочных камер разрешающая способность снимков несколько меньше (от 20 до 40 лин/мм) [6], [4]. В аэрокамерах типа RC‑30 реализована компенсация смаза изображения за счет протягивания пленки в момент экспозиции.
Для учета дисторсии в паспорте камеры для каждого объектива имеется таблица ее значений в узлах матрицы с шагом в масштабе снимка, как правило, один сантиметр по двум взаимно перпендикулярным осям. Величина дисторсии может меняться от нескольких микрометров, например, для объективов камеры RC‑30, до десятков и сотен микрометров. Обычно величина дисторсии до 3–5 мкм при дальнейшей обработке снимков не учитывается, так как ошибки измерения точек изображений оказывают большее влияние. Для учета деформации фотопленки в различных направлениях на каждом снимке может быть впечатано до 8 координатных меток. Координаты меток измерены с высокой точностью и указаны в паспорте съемочной камеры. В нем же имеется таблица значений дисторсии объектива с шагом 10 мм. Координаты точек, расположенных между заданными значениями дисторсии, вычисляются чаще всего с использованием билинейной интерполяции. Если известны точные величины систематических искажений изображения, то можно их учесть при последующей обработке. Для сохранения высоких измерительных характеристик съемочных камер, их необходимо периодически калибровать, т. е. уточнять параметры камеры: величину дисторсии, координаты меток, фокусное расстояние объектива и т. д.
Цифровые изображения, а точнее растровые полутоновые изображения, характеризуются:
размером изображения в пикселях или количеством строк и столбцов;
цветом;
геометрической точностью съемочной камеры: параметрами ПЗС-сенсора, дисторсией объектива и т. д.;
фотометрическими параметрами ПЗС-сенсора: шумами, динамическим радиометрическим диапазоном, величиной экспозиции и т. д.
Цифровые изображения могут быть получены с помощью цифровой съемки или с помощью сканирования аналоговых снимков на высокоточном фотограмметрическом сканере [3].
В цифровых съемочных системах кадровые изображения формируются с помощью одной или нескольких ПЗС-матриц, экспонируемых одновременно. Считывание информации с матриц осуществляется при закрытом объективе. После этого съемочная камера готова к экспонированию следующего кадра. Сшивка нескольких изображений в одно осуществляется автоматически программным путем.
Разрешающая способность цифрового изображения может быть найдена по формуле, приведенной ниже:

где: Δ – размер пикселя ПЗС-сенсора,
Rоб – разрешающая способность объектива съемочной камеры.

Профессиональные цифровые аэроснимки могут быть получены крупноформатными или среднеформатными камерами [12], [13].
Крупноформатные камеры представлены:
– кадровыми камерами, имеющими размер матрицы более 200 мегапикселей;
– цифровые аэрофотосканеры, которые генерируют «цифровой ковер»;
– аэросъемочная система A3, Visionmap, в которой используется всего два объектива и два сенсора небольшого формата. Камера снимает за счет вращения объективов поперек линии полета очень широкую полосу местности.
Эти камеры применяют для выполнения крупных проектов для промышленной площадной съемки и решения различных задач методами фотограмметрии. Может быть выполнено топографическое и кадастровое картографирование в различных масштабах, созданы и обновлены карты и ортофотопланы, 3D-модели местности, решены задачи инженерных изысканий, мониторинга чрезвычайных ситуаций. Результаты обработки могут применяться в строительной сфере и многих других.
Большинство камер, имеющих средний формат, снабжены матрицей 60 мегапикселей. К среднеформатным цифровым камерам, имеющим размер матрицы 92 мегапикселя, относятся: UltraCamLp, Microsoft-­Vexcel Imaging GmbH; к камерам, имеющим размер матрицы 132 мегапикселя – RMK-DX, Intergraph Z/I Imaging. Эти камеры более доступны по цене.
60‑мегапиксельная среднеформатная камера имеет сменные объективы и представляет собой отдельный базовый модуль, который входит в состав аэросъемочной системы. Дополнив этот модуль цветными, инфракрасными или тепловыми модулями, пользователь может решать с помощью них различные практические съемочные задачи.
Цифровые изображения большого размера могут быть получены с использованием светочувствительной ПЗС-линейки, а не матрицы. Фирма Leica Camera AG реализовала это в своей цифровой аэросъемочной камере ADS40 [11], [12], [13].
В камере ADS40 использовано 7 ПЗС линеек размером 12000 пикселей. Три из них панхроматические и направлены вперед, назад и в надир. Четыре линейки снимают в красном, синем, зеленом и ближнем инфракрасном диапазонах. В ADS40 изображение формируется в процессе движения над местностью и отличается от изображения, полученного матричными камерами. Снимки геометрически отличаются от снимков в центральной проекции и от космических сканерных снимков. Перед фотограмметрической обработкой необходимо учесть вибрации и провести геометрическую коррекцию изображения. Похожие подходы реализованы при создании цифровых камер ЦТК‑140 (цифровая топографическая аэрокамера на базе аэрофотоаппаратов серии АФА) и ЦМК‑70 (цифровая многозональная стереокамера), разработанных АНО «Космос-­НТ» и Институтом космических исследований РАН [9], [1]. На рис. 5 приведены фрагменты цифровой аэросъемки с высоты 5800 м с увеличением до 32 крат, полученные цифровой камерой ЦТК‑140 [1].

Рис. 5. Фрагменты цифровой аэросъемки с высоты 5800 м с увеличением до 32 крат, полученные цифровой камерой ЦТК‑140 [1]

Другим вариантом получения цифровых снимков большого размера является применение нескольких ПЗС-матриц в одной аэросъемочной камере, как например, реализовано в камерах DMC (Digital Maping Camera) фирмы Z/I Imaging Corporation и UltraCamD фирмы Vexcel.
В аэросъемочной камере DMC 4 ПЗС-матрицы 3000х2000 пикселей используются для съемки в следующих диапазонах: красном, синем, зеленом, ближнем инфракрасном. 4 ПЗС-матрицы, имеющие размер 7000х4000 пикселей, позволяют выполнять съемку в панхроматическом режиме. В результате съемки 4 изображения от панхроматических сенсоров синхронизируются с высокой точностью до 0,01 миллисекунды и применяются для создания единого комбинированного снимка размером 7680х13824 пикселей. Этот снимок не является снимком в центральной проекции. Но при достаточной высоте съемки и небольшом перепаде отметок высот ошибки не влияют на точность и ими можно пренебречь.
В аэросъемочной камере UltraCamD применен другой способ построения комбинированного изображения. Для создания изображения в камере установлены 4 ПЗС-матрицы, имеющие размер 3680х2400 пикселей, которые работают в красном, синем, зеленом и ближнем инфракрасном диапазонах, а также 9 матриц, работающих в панхроматическом диапазоне. Объективы вышеназванных 9 матриц располагаются на одной прямой, которая параллельна направлению полета. Съемка осуществляется из одной точки и реализована за счет перемещения самолета. Так получается комбинированный аэроснимок в центральной проекции. Снимок имеет размер 11500х7500 пикселей.
Снимки, полученные аэрокамерами UltraCamD и DMC, можно считать подобными аналоговым снимкам формата 23х23 см и сканированным с размером пикселя 20 мкм.
Преимущества цифровых фотограмметрических камер:

  • отсутствуют расходы на пленку;
  • нет процесса проявки;
  • автоматически определятся выдержка;
  • возможен контроль геометрического и радиометрического качества аэроснимков в процессе полета;
  • проведение аэросъемки в разных диапазонах спектра;
  • можно использовать данные для внутреннего ориентирования при обработке на цифровой фотограмметрической станции;
  • неограниченные возможности копирования снимков;
  • полностью отсутствует деформация изображений при хранении.

Фотограмметрическая обработка цифровых снимков имеет более низкую себестоимость (в 2 раза ниже) по сравнению с аналоговыми. С камерами поставляются большие объемы запоминающих устройств. Цифровая съемка в результате будет производиться с большим перекрытием.
Благодаря большим перекрытиям одинаковые точки местности будут отображаться не на 3, как в классической фотограмметрии, а на большее число изображений. Точность уравнивания блока возрастает, благодаря большой избыточности измерений при перекрытиях больше 87%. При автоматической обработке снимков в ЦФС трудоемкость при больших перекрытиях фактически не увеличивается, а надежность фотограмметрической обработки повышается за счет избыточности информации.
Аэрокосмические снимки на фотопленке в виде негативного или позитивного полутонового изображения преобразуют в растровое полутоновое изображение. Преобразование осуществляется с помощью сканирования снимка на профессиональном фотограмметрическом сканере.
Наибольшее распространение для сканирования снимков получили фотограмметрические сканеры, которые характеризуются высокой точностью сканирования (погрешность 3–5 мкм), высоким разрешением сканирования (5–15 мкм), процедурами геометрической и радиометрической коррекции.
Фотограмметрический сканер состоит из:

  • оптико-­механического блока;
  • компьютера;
  • программного обеспечения.

На современном этапе применяются технологии аэрофотосъемки цифровыми профессиональными камерами матричного или сканерного типа. В процессе съемки на борту самолета установлен спутниковый приемник, который в полете определяет координаты центров проекции снимков, что используется в дальнейшем для автоматического внешнего ориентирования фотограмметрических моделей.
В программном фотограмметрическом обеспечении достигнут высокий уровень автоматизации обработки информации. Но есть задачи, которые трудно поддаются автоматизации, такие, как например, топографическое дешифрирование. Для решения этих задач необходимо применение возможностей искусственного интеллекта [8].
В заключение следует отметить, что при проведении цифровых фотограмметрических измерений основное значение будет иметь точность координат точек местности, получаемых по снимкам и точность отрисовки границ объектов местности (векторизации по снимкам). Результаты фотограмметрической обработки аэроснимков, представленные результатами определения координат точек и границ объектов, будут зависеть от возможности учета искажений снимков и исходного качества аэроснимков. Также влияние будут оказывать ошибки измерений и вычислений на всех технологических этапах обработки снимков.
Применение материалов аэросъемки для сферы строительства позволяет оперативно получать информацию об объектах местности с высокой точностью. Выбор съемочной системы и параметров съемки должен проводиться исходя из требуемой точности. В связи с тем, что сейчас доступно для использования большое количество различных съемочных систем и программных продуктов, целесообразно проведение дополнительных исследований в данной сфере.