Топографическая съемка при инженерно-геодезических изысканиях автомобильных дорог с использованием квадрокоптера

В статье рассматривается обоснование возможности использования аэрофотосъемки геодезическим квадрокоптером с целью получения топографической основы для проектирования автомобильных дорог. Топографическая основа получена в виде ортофотоплана местности с точностью, соответствующей нормативным требованиям.

Ключевые слова: проектирование автомобильных дорог, цифровая модель местности, квадрокоптер, беспилотный летательный аппарат (БПЛА), облако точек, опознавательный знак, ортофотоплан.

В настоящее время использование квадрокоптеров в геодезии постепенно становится повседневной практикой. Дроны используются для построения изображений, создания карт и пространственного анализа в таких областях как топографическая аэрофотосъемка местности.

Сегодня можно без преувеличения сказать, что квадрокоптеры являются самым быстрым и эффективным методом аэросъемки. К тому же, в отличие от съемки с пилотируемых летательных аппаратов, использование дронов гораздо дешевле, а также дает возможность получать более качественные результаты. Основные достоинства квадрокоптеров для геодезии: сокращение временных затрат, упрощение проведения работ, способность съемки в труднодоступных местах.

Съемку квадрокоптером местности с целью дальнейшего проектирования автомобильной дороги можно отнести к такому виду изысканий, как топографо-геодезические изыскания (ТГИ). По результатам ТГИ должны быть получены топографо-геодезические данные и материалы для сравнения вариантов трасс автомобильной дороги и подготовки документации для планировки территории под размещение выбранного варианта автомобильной дороги. В проектной документации должны быть обоснованы потребности проектирования по выбранному направлению трассы, представлены материалы для выбора местоположения участков переходов через естественные и искусственные препятствия, сравнение и оценка вариантов трассы, рекомендации по выбору оптимального варианта трассы автомобильной дороги для последующих этапов проектно-изыскательных работ (ПИР) [1].

Аэрофототопографическая съемка является одним из методов составления топографических карт и планов крупного масштаба. Результатами выполнения работ являются ортофотопланы, топографические карты и планы, цифровые модели местности и рельефа (ЦММ и ЦМР), которые могут быть использованы для решения задач проектирования, строительства и реконструкции автомобильных дорог. Полеты БПЛА с целью аэрофотосъемки должны осуществляться в строгом соответствии с Воздушным кодексом РФ.

Применение аэрофотосъемки с БПЛА обуславливается экономической целесообразностью или отсутствием других технических и практических возможностей получения достоверных топографических материалов, однако применение БПЛА в строительстве на сегодняшний момент нормативно не закреплено, отсутствуют методики и рекомендации применения геодезических квадрокоптеров при получении топографической основы для проектирования.

В комплект для проведения аэрофотосъемки должен входить БПЛА с бортовым и/или наземным ГНСС приемником геодезической точности, бортовым комплексом управления, авионики, полезной нагрузки и наземной станции управления.

Согласно и. 5.1.1.16 СП 47.13330.2012 средние погрешности определения планового положения предметов и контуров местности с четкими, легко распознаваемыми очертаниями (границами) относительно ближайших пунктов (точек) геодезической основы, не должны превышать в масштабе плана на незастроенных территориях — 0,5 мм для открытой местности и 0,7 мм — для горных и залесенных районов. Следуя этим требованиям, погрешность определения плановых координат представлена в таблице 1 [5].

Таблица 1

При аэрофотосъемке с БПЛА необходимо учитывать факторы, препятствующие проведению работ (наличие растительности, переломы местности, невозможность дешифрировать отдельные элементы съемки, сезонность, наличие теней, облаков, производственных дымов и атмосферной дымки, затрудняющих или исключающих процесс дешифрирования, наличие объектов с высокой отражающей способностью, наличие и высотность застройки). Техническое оснащение БПЛА должно обеспечивать безопасное выполнение полетов с учетом географических особенностей территории РФ.

Целью данной работы является обоснование возможности проведения топографической съемки с применением квадрокоптера при инженерно-геодезических изысканиях автомобильных дорог. Оценка осуществлялась на основании данных аэрофотосъемки с квадрокоптера DJI Mavic 2 Pro и их последующей обработкой.

Исходные данные: результаты аэрофотосъёмки (527 фотоснимков с камеры квадрокоптера DJI Mavic 2 Pro), первая часть снимков имеет надирный вид, другая часть — перспективный; координаты опознаков местности, 5 штук.

Данные загружались в ПО фотограмметрической обработки, в нашем случае — Agisoft Metashape. Подгрузив снимки, программа выравнивает фотографии и строит разреженное облако точек. Вся оценка точности реконструируемой сцены и выходных результатов оценивается именно на нём. После его постройки подгружаются координаты наземных опознаков для контроля точности на них. При необходимости, они могут быть использованы для посадки модели как опорные.

Задачи, которые будут решаться нами при помощи программы Metashape, осуществляются в четыре этапа:

1. 1.Определение параметров внешнего и внутреннего ориентирования камер. На первом этапе Metashape находит общие точки фотографий и по ним определяет все параметры камер: положение, ориентацию внутреннюю геометрию (фокусное расстояние, параметры дисторсии и т. п.). Результатами являются разреженное облако общих точек в 3D пространстве модели и данные о положении и ориентации камер. Данные о положении и ориентации камер используется на дальнейших стадиях обработки.
2. Пост роение плотного облака точек. Перед переходом на следующий этап создания 3D модели или перед экспортом модели, плотное облако точек может быть отредактировано и классифицировано.
3. Построение трехмерной поверхности: полигональной модели и/или ЦММ. Трехмерная полигональная модель описывает форму объекта на основании плотного облака точек.

Рис. 1. Цифровая модель местности (размер ЦММ — 10590х10140, при 6.73 см/пикс)

4. Построение текстуры для полигональной модели (если она была построена), а также построение ортофотоплана.

Готовый ортофотоплан изображен на рисунке 2.

Рис. 2. Ортофотоплан

Полученный нами ортофотоплан имеет размер 36006х34329 пикс, при 1.76см/пикс. Среднеквадратическая ошибка не превышает 3,7 см, что, согласно таблице 1, может соответствовать плану масштаба 1:500.

По результатам работы становится очевидно, что использование квадрокоптеров в проведении инжерно-геодезических изысканий — это уже не технологии будущего, а технологии настоящего. Соответственно проблема отсутствия нормативной документации по данной теме являлась значительным пробелом в организации работ.

В дополнение ко всему стоит добавить, что, используя квадрокоптер, не стоит останавливаться лишь на инженерно-геодезичеких изысканиях, поскольку применение квадрокоптера открывает широкие возможности по таким направлениям как:

— ведение мониторинга по состоянию дорожного полотна;

— контроль за строительными и ремонтными работами;

— получение информации о состоянии дорожного полотна (обнаружение дефектов дорожного полотна и их параметров);

— определение параметров транспортного потока.

Литература:

1. ГОСТ 32869–2014 Дороги автомобильные общего пользования. Требования к проведению топографо-геодезических изысканий. — Введ. 01.07.2015. — Москва: Стандартинформ, 2016. — 42 с.
2. ГОСТ Р 52440–2005. Модели местности цифровые. Общие требования. — Введ. 01.07.2006. — Москва: Стандартинформ, 2016. — 14 с.
3. Курс инженерной геодезии: учеб.-метод. пособие для студентов строительных и транспортных специальностей / Е. К. Атрошко, В. Б. Марендич, А. А. Ткачев, Н. С. Сырова. — Гомель: БелГУТ, 2011. — 187 с.
4. Малофеев, А. Г. Изыскания автомобильных дорог [Электронный ресурс]: учеб. пособие / А. Г. Малофеев, О. А. Рычкова, И. А. Шевцова. — Омск: СибАДИ, 2015. — 212 с. — Режим доступа: http://bek.sibadi.org/fulltext/ESD48.pdf
5. ОДМ 218.9.017–2019 Методические рекомендации по производству аэрофототопографических работ с использованием беспилотных летательных аппаратов при изысканиях в целях строительства и реконструкции автомобильных дорог / Росавтодор. — М., 2019.
6. Сарычев, Д. С. Автоматизированная технология изысканий в строительном контроле / Д. С. Сарычев, А. В. Скворцов // САПР и ГИС автомобильных дорог. — 2016. — № 1(6). — С. 20−23. — DOI: 10.17273/CADGIS.2016.1.3.
7. СП 47.13330.2012 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11–02–96. — Введ. 07.01.2013. — Москва: Минрегион России, 2013.
8. Суконников, О. Г. Анализ применимости БПЛА при геодезическом контроле строящихся и эксплуатируемых автомобильных дорог / О. Г. Суконников, А. А. Неретин, В. А. Гурьев // САПР и ГИС автомобильных дорог. — 2017. — № 2(9). — С. 44−48. — DOI: 10.17273/CADGIS.2017.2.5.67
9. Тихонов, А. А. Обзор программ для обработки данных аэрофотосъемки / А. А. Тихонов, Д. Ж. Акматов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — № 12. — С. 192–198.
10. Филиппов, Д. В. Состояние автомобильных дорог изучает БПЛА / Д. В. Филиппов, К. Ю. Великжанина, Д. А. Грядунов // Дороги. Инновации в строительстве. — 2012. — № 20. — С. 74–78.