Фасадная аэросъёмка при помощи бюджетных БПЛА

Как известно, результаты геодезической съёмки элементов фасадов строящихся зданий широко применяются для контроля геометрических параметров, а также при расчётах строительных материалов. Традиционным методом фасадной съёмки является тахеометрический. За последние десять-пятнадцать лет появились многочисленные примеры применения таких современных методов, как наземное лазерное сканирование и цифровая фотограмметрическая съёмка.

Одним из методов, позволяющих оперативно получать пространственные данные о строящемся здании, является аэросъёмка при помощи лёгких беспилотных летательных аппаратов (БЛА). Такая съёмка выполняется дистанционно без необходимости посещения строительной площадки, что является преимуществом перед другими методами. Время осуществления аэросъёмки сопоставимо со временем, затрачиваемым на тахеометрическую съёмку. А вот сопоставимы ли погрешности измерений?

Для ответа на этот вопрос специалисты Компании «Фотометр» выполнили техническое исследование. Его задачей являлось сопоставление данных, полученных тахеометрическим и фотограмметрическим методами. Цель – определить возможность создания исполнительных планов элементов фасадов по данным фотограмметрической обработки аэроснимков, выполненных при помощи беспилотного летательного аппарата мультироторного типа. В качестве объекта для проведения исследования был выбран фасад строящегося дома в жилом комплексе «Преображение», г. Москва.

Исполнительный план фасада строящегося здания составляется для обеспечения проектных работ с учётом уже построенных основных конструкций. Допустимая погрешность отображения элементов плана согласно положениям СП 126.13330.2017 Геодезические работы в строительстве. СНиП 3.01.03-84 определяется планом производства геодезических работ (ППГР), в данном случае она составляла ±5 мм.

Поскольку и для привязки данных аэросъёмки к локальной системе координат, и для тахеометрической съёмки требуется использование геодезической опорной сети, было принято решение исключить влияние погрешностей создания опорной сети на конечные результаты. Для этого и тахеометрическую съёмку, и привязку опознавательных знаков для аэросъёмки, закреплённых на фасаде и на земной поверхности, выполнял один и тот же геодезист подрядной строительной организации. Таким образом, возможные отклонения тахеометрических пикетов от цифровой модели, полученной в результате фотограмметрической обработки, позволили бы определить «в чистом виде» разницу методов.

Для проведения аэросъёмки использовался квадрокоптер DJI Phantom 4 Pro с установленной на нём фотокамерой с EXMOR R CMOS-матрицей диагональю 1″ и разрешением 20 Мпикс. Для управления БЛА и планирования маршрутов использовался планшет Apple c программой DJI Ground Station. В тестовой работе преднамеренно не использовались БЛА, оснащённые зеркальной или, тем более, метрической фотокамерой. Рассматривалась допустимость применения именно бюджетного аппарата, уже популярного и пригодного для массового потребителя.

Опорные (опознавательные) знаки были установлены на фасаде здания и на земной поверхности. Первые используются для маршрутов аэросъёмки, выполняемой в перспективу, вторые – для маршрута, сьёмка в котором проводится в надир. Опорные знаки были пронумерованы таким образом, чтоб цифры были легко различимы на фотоснимках.

Аэросъёмка выполнялись в автоматическом режиме. Маршруты были выстроены таким образом, чтобы продольное перекрытие снимков составляло не менее 80%, а поперечное – не менее 60%. Координаты центров фотографирования определялись с навигационной точностью при помощи бортового спутникового приёмника.

Фотограмметрическая обработка фотоснимков производилась при помощи программного обеспечения Bentley Context Capture. Такой выбор программного обеспечения для обработки данных был обусловлен требованиями к высокой детальности моделей и скорости их построения, и концепция Bentley Systems по специализации программных комплексов для строительной отрасли наиболее отвечала поставленным задачам.

По окончании процесса выравнивания снимков (т.н. аэротриангуляции) были распознаны на фотоснимках и назначены в программе опорные точки для трансформации будущей модели в локальную систему координат. Завершающим процессом обработки стало построение трёхмерной цифровой модели строящегося здания, представленной в виде нерегулярной триангуляционной сетки (TIN).

После обработки снимков в Bentley Context Capture результаты тахеометрической съёмки были совмещены с моделью, используя единую локальную систему координат.

На модель были нанесены по координатам контрольные точки, определённые тахеометром. Эти точки не участвовали в трансформации модели и были использованы исключительно для контроля. Все такие точки были распределены по блокам в соответствии с типами поверхности стен. Выделено пять типов поверхности: фронтальные панели, боковые панели, кирпичная стена, газоблоки и перекрытия (межэтажные и межблочные). На каждом типе поверхности для сравнительного контроля случайным образом отобрано по 20 контрольных точек.

Для каждой контрольной точки было получена величина её отклонения от модели путём измерения кратчайшего расстояние от точки до TIN-поверхности. Наложение данных тахеометрической съёмки на модель и измерение отклонений проводилось в программе Bentley OpenRoads Designer.

При статистической обработке величин сравнения пикетов с моделью был выявлен систематический рост отклонений с возрастанием этажности, причём этот эффект проявляется с седьмого этажа и выше. Выявленный факт не вызывает удивления, т.к. известно, что с увеличением угла наклона зрительной трубы тахеометра растёт погрешность измерения, вызванная как размыванием лазерного пятна, так и резко возрастающим влиянием неперпендикулярности оси вращения зрительной трубы и оси вращения прибора (так называемое «неравенство подставок»). Кроме того, в этих условиях ошибки, вызванные неправильным визуальным выбором точки, подлежащей съёмке, в несколько раз превосходят расчётную точность работ.

По этой причине для получения корректных выводов о результатах сравнения были использованы только данные, полученные до седьмого этажа включительно. Статистическая обработка проводилась отдельно по каждому блоку данных (типу поверхности). Вычислены средние величины расстояний между пикетами и моделью, отклонения каждой величины от среднего, значения дисперсии и среднеквадратического отклонения σ. Выполнена проверка на подчинение случайных ошибок закону нормального распределения, для чего определены функции плотности вероятности. Для наглядности подготовлены графики, на которых функция плотности вероятности совмещена с гистограммой количества величин, попадающих в интервалы от -3σ до -2σ, от -2σ до -1σ, от -1σ до среднего, от среднего до 1σ, от 1σ до 2σ и от 2σ до 3σ.

По фронтальным и боковым панелям, а также по перекрытиям в целом разброс величин подчиняется закону нормального распределения, при этом наблюдаются случаи небольшого отклонения гистограмм в ту или иную сторону.

На менее регулярных поверхностях (участки кирпичных стен и газоблоков) уже наблюдаются явные проявления систематических погрешностей.

Такие проявления вызваны, на наш взгляд, двумя основными факторами: 1) в то время как геодезист координировал пикеты на углах газоблоков в оконных проёмах, в некоторых местах программа не смогла простроить сам верх газоблока в проёме: вместо угла получалась фаска; 2) геодезист при съёмке стены не всегда скрупулёзно следит за наведением и произвольно попадает в щели, выбоины и отверстия нерегулярной поверхности, между тем программа игнорирует промежутки между блоками и стыки между кирпичами, не выстраивает сколы кирпичей и т.п., сглаживая поверхность.

При этом необходимо заметить, что основная часть результатов всё же легла “в одну корзину”, а большие отклонения от среднего носят характер единичных флуктуаций. Если допустить их исключение, значение средней величины может стать меньшим, а распределение случайных величин будет лучше подчиняться закону нормального распределения. Относительно нерегулярных поверхностей можно сделать вывод о том, что фотограмметрия лучше тахеометрии при контроле кирпичных и блочных стен, т.к. усредняет поверхность стены и не учитывает мелкие выбоины. При этом особое внимание следует уделить верху блоков в проёме (как при выполнении тахеометрической съёмки, так и при выполнении аэросъёмки: для таких участков необходимо подбирать другие параметры).

Величины расстояний между пикетами и моделью сведены в таблицу.

В пределы допустимой погрешности, определённой ППГР, укладывается большинство приведённых величин. Необходимо обратить внимание на величины, находящиеся за этими пределами. Про особенности построений модели кирпичных стен и газоблоков уже было сказано выше, поэтому осталось прокомментировать результаты, полученные на боковых панелях.

Выявленные величины отклонений пикетов от модели объясняются особенностями маршрутов аэросъёмки, использовавшихся в настоящей работе.  Эти маршруты планировались таким образом, чтобы наилучшим образом охватить все фронтальные поверхности фасадов. При этом незначительным по площади боковым поверхностям не было уделено внимания, в результате чего они оказались покрыты меньшим количеством фотоснимков. Это, в свою очередь, привело к меньшему разрешению модели и, как следствие, к снижению точности построения модели.

Таким образом, выполненное техническое исследование позволяет говорить о допустимости использования для фасадной съёмки метода трёхмерного цифрового моделирования по данным аэросъёмки с БЛА, не оснащённом метрической фотокамерой, но при условии чёткого соблюдения методики сбора данных и их обработки, включая корректное построение полётных заданий. Поскольку нормативные документы по созданию моделей зданий и сооружений фотограмметрическими методами в настоящее время ещё не разработаны, при определении параметров съёмки, исходя из нашего опыта, следует использовать рекомендации производителя программного обеспечения. А при выборе самого программного обеспечения для фотограмметрической обработки – обращать внимание на детальность прорисовки небольших конструктивных элементов.

Также мы считаем, что для фасадной съёмки верхних этажей зданий фотограмметрический метод даёт меньшую погрешность по сравнению с тахеометрической съёмкой.