Использование DJI PHANTOM 4PRO PPK для аэрофотосъемки карьеров и подсчета объемов работ

В данной статье мы хотели бы продолжить цикл наших публикаций о возможности использования квадрокоптеров DJI PHANTOM 4 PRO дополнительно оборудованных GNSS приемником для решения маркшейдерских и геодезических задач на примере практического проекта по аэрофотосъемка карьера в близи города Тортоса, Испания.

Сразу хочется отметить, что все процессы аэрофотосъемки, камеральной обработки материалов и построения цифровой модели местности осуществлялись совместно с представителем заказчика отвечающим за маркшейдерское сопровождение выполняемых на месторождении работ по добыче ОПИ.

В первую очередь хотелось бы отметить удобство и легкость транспортировки. Весь комплект оборудование помещается в стандартный кейс DJI, который по своим габаритам проходит для провоза багажа в виде ручной клади, что сокращает расходы и обеспечивает сохранность оборудования.

Развертывание всего аэрофотосъемочного комплекса после перевозки и подготовка его к работе не потребовала много времени, достаточно было достать квадрокоптер из транспортировочного кейса, установить съемную GNSS антенну и включить питание дрона. В качестве базовой станции был использован GNSS приемник заказчика Topcon GR 3 установленный на пункте с известными координатами.

Рис 1

Маршруты площадной аэрофотосъемки были запланированы на высоте 120 метров от дна карьера с 80% поперченным и продольным перекрытием изображений, общая площадь съемки составила 2 га. Рельеф карьера достаточно изрезан, на территории размещены административные здания и техника, ведется его активная разработка. На склонах и вершинах горного массива имеется растительность, представленная кустарниками и хвойными породами деревьев (Рис.2).

Маршруты площадной аэрофотосъемки

Рис.2. Маршруты площадной аэрофотосъемки

Предварительная фотограмметрическая обработка была осуществлена на месте при помощи полевого ноутбука в офисном помещении администрации карьера.

Выполнена постобработка GNSS измерений, уравнивание траектории полета, проведена фотограмметрическая обработка стереоизображений с использованием координат центров фотографирования определенных с сантиметровой точностью бортовым GNSS приемником (Рис.3), сгенерированы плотное облако точек (Рис.4,5,6) и ортофотоплан (Рис.6).

Центры фотографирования определенные с сантиметровой точностью бортовым GNSS приемником

Рис.3. Центры фотографирования определенные с сантиметровой точностью бортовым GNSS приемником

 

Плотное облако точек

Рис.4. Плотное облако точек

 

Плотное облако точек

Рис.5. Плотное облако точек

 

Плотное облако точек

Рис.6. Плотное облако точек

 

Для оценки качества уравнивания и построения цифровой модели рельефа использовались координаты опорных точек представленных заказчиком. Среднеквадратические ошибки в плане и по высоте составили до 8 см и 15 см соответственно. При калибровке фокусного расстояния камеры хотя бы по одной из опорных точек точность по высоте улучшается до 8 см.

Для создания цифровой модели рельефа была выполнена автоматическая классификация облака точек и выделена «чистая» поверхность земли, по которой построены изолинии рельефа с шагом 0,5 метра.

Следует отметить, что по своей информативности полученное облако точек с шагом 5 см на местности соответствует материалам лазерного сканирования, а применяемые алгоритмы автоматизированной классификации позволяют выделить из него растительность, здания, сооружения и другие технологические объекты с высоким процентом соответствия реальному состоянию местности практически без использования ручного труда оператора.

Результаты выполненных работ полностью соответствовали требованиям заказчика и показали на практическом примере следующие преимущества DJI PHANTOM 4PRO PPK для аэрофотосъемки карьеров перед использованием традиционных методов:

— высокая точность и детальность

— высокая оперативность и производительность

— высокий процент автоматизации процесса обработки

-низкие трудозатраты и себестоимость работ

-сжатые сроки выполнения проекта

Цифровая модель местности до классификации

Рис. 7. Цифровая модель местности до классификации

 

Цифровая модель рельефа, растительность и технологические объекты исключены

Рис.8. Цифровая модель рельефа, растительность и технологические объекты исключены

 

Ортофотоплан совмещенный с горизонталями

Рис. 9. Ортофотоплан совмещенный с горизонталями

 

3dmodel

Автоматизированная фотограмметрическая обработка материалов аэрофотосъемки, создание детальной трехмерной модели местности, классификация облака точек в программном обеспечении — Pix4Dmapper.

Как мы уже писали ранее в наших статьях, современные беспилотники позволяют оперативно и с минимальными затратами провести аэрофотосъемку местности, получить высоко детальные и актуальные данные о состоянии территории. Беспилотные системы находят все большее применение в таких областях, как мониторинг, топография, инженерные изыскания, кадастр, различные виды маркшейдерских работ (об этих и других возможностях использования БПЛА можно прочитать  в разделе «Блог»).

При выборе беспилотника для геодезии следует учитывать такие факторы, как удобство транспортировки и использования, легкость формирования полетных заданий для площадных и линейных объектов, надежность и стабильность работы всех систем в полете, стоимость приобретения оборудования и его дальнейшего обслуживания, разрешение камеры, возможность координировать аэрофотоснимки с геодезической точностью и, что не маловажно, получать данные позволяющие проводить автоматизированную обработку  информации в специализированном ПО «Pix4Dmapper» для сокращения сроков и стоимости камеральных работ.

Рассмотрим автоматизированную обработку данных аэрофотосъемки выполненной квадрокоптером DJI PHANTOM 4 PRO доработанным специалистами нашей компании до уровня профессиональных БПЛА для геодезии и оснащенного высокоточным GPS/GLONASS приемником (технические характеристики приведены в разделе «Продажа геодезических беспилотников»)

геодезический беспилотник, квадрокоптер, бпла

DJI Phantom 4 PRO TOPO

Фотограмметрическая обработка в программном обеспечении Pix4D состоит из следующих этапов:

— Этап 1. Загрузка изображений, предварительное уравнивание

— Этап 2. Оценка точности по наземным контрольным точкам

— Этап 3. Построение плотного облака точек, автоматическая классификация (выделение поверхности земли, отдельно стоящих зданий, растительности, дорог и других технических объектов, построение ортофотоплана)

На первом этапе мы имеем набор данных из 161-го стереоснимка с разрешением 5 см, снятых с высоты 200 метров над уровнем земли, а так же координаты центров фотографирования определённых геодезическим GNSS приемником, что позволяет с высокой точностью, в автоматическом режиме выполнить предварительное уравнивание изображений. Следует отметить, что при использовании данных с квадрокоптера DJI в стандартной комплектации это невозможно.

На рис. 1 и 2 красным цветом показаны координаты центров фотографирования определенных стандартным GPS приемником  DJI Phantom 4 PRO, а зеленым — координаты фактического местоположения снимков полученных геодезическим GNSS приемником. В среднем разница между координатами составляет от 15 до 20 метров в плане и от 25 до 30 метров по высоте.

Схема расположения центров фотографирования

Рис.1. Схема расположения центров фотографирования

 

Схема расположения центров фотографирования

Рис.2. Схема расположения центров фотографирования

 

На втором этапе для оценки точности построения модели использовались шесть ранее измеренных наземных опорных точек, расположенные по всей площади района работ. Вычисленная среднеквадратическая ошибка по осям х,y и z составила 12.89 см, 13.66см, 16.10 см соответственно. (см. Таблица 1)

Таблица 1. Отчет точности определения координат контрольных точек

Check Point Name

Accuracy XY/Z [m] Error X [m] Error Y [m] Error Z [m]

point 1

-0.041 0.235

0.157

point 2

-0.077 0.187

0.108

point 3

-0.074 0.068

0.203

point 4

-0.173 0.020

0.158

point 5

-0.191 0.039

0.160

point 6

-0.142 0.124 0.166

Mean [m]

-0.116364 0.112186

0.158658

Sigma [m]

0.055455 0.077976

0.027734

RMS Error [m] 0.128902 0.136623

0.161063

Цифровая модель местности, наземные опорные точки, проекции аэрофотоснимков

Рис.3 Цифровая модель местности, наземные опорные точки, проекции аэрофотоснимков

 

На третьем этапе был выполнен процесс построения облака точек и его классификации, в результате которого получена высокоточная трехмерная модель местности состоящая из 18 937 834 точек, плотностью порядка 20 точек/м2.

С помощью инструментов автоматической классификации выделены здания, сооружения, опоры и провода ЛЭП, а также растительность (Рис.4,5,6,7,8), что позволило в автоматическом режиме исключить эти объекты из поверхности и построить цифровую модель рельефа (Рис.9)

Плотное облако точек

Рис.4 Плотное облако точек

 

Облако точек после классификации. Цветом выделены растительность, опоры, провода ЛЭП, здания и сооружения

Рис.5 Облако точек после классификации. Цветом выделены растительность, опоры, провода ЛЭП, здания и сооружения

 

Облако точек

Рис.6. Облако точек

 

Облако точек после классификации. Выделены деревья, опоры и провода ЛЭП, здания и сооружения

Рис.7 Облако точек после классификации. Выделены деревья, опоры и провода ЛЭП, здания и сооружения

 

Цифровая модель местности

Рис.8 Цифровая модель местности

 

Цифровая модель рельефа совмещенная с горизонталями

Рис.9 Цифровая модель рельефа совмещенная с горизонталями

 

Итоги:

Подводя итоги, хочется отметить 3 причины использования профессиональных решений на базе беспилотников фирмы DJI, разработанных нашей компанией, для геодезической аэрофотосъемки:

‌Инновационность
Будьте на шаг впереди в области геодезической аэрофотосъемки, фотограмметрии и визуализации полученных данных
‌Эффективность
Используйте полностью автоматические рабочие процессы аэрофотосъемки и фотограмметрической обработки данных
Точность
Получайте высокоточные и детальные материалы, соответствующие самым высоким стандартам

беспилотные технологии в строительстве

Применение беспилотных технологий в строительстве

Компания Topodrone предлагает услуги по автоматизированному  сбору и обработке информации, получаемой с беспилотных летательных аппаратов на этапах проектно-изыскательских и строительно-монтажных работ

ИНЖЕНЕРНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ

На первом этапе осуществляется аэрофотосъемка/воздушное лазерное сканирование территории с использованием беспилотных технологий (Рис.1). Развивается опорная геодезическая сеть, закладываются долговременные пункты планово-высотного обоснования. Выполняется инструментальная топографическая съемка подземных коммуникаций (Рис.2).

Беспилотные технологии в строительстве

Рис.1 Использование беспилотных летательных аппаратов

 

съемка подземных коммуникаций

Рис.2 Съемка подземных коммуникаций

 

В итоге заказчик получает:

— долговременные пункты планово-высотного обоснования, которые будут использоваться в дальнейшем на этапах строительства и эксплуатации объекта;

— высоко детальную фотореалистичную трехмерную модель местности с шагом порядка 10 см., совмещенную с ортофотопланом и инженерно-топографические планы необходимые для принятия проектных решений (Рис.3,4,5,6).

3D модель местности

Рис.3 Трехмерная модель местности

 

Рис. 4

 

ортофотоплан

Рис.5 Ортофотоплан

 

топографический план

Рис.6 Топографический план

Разработанные нашей компанией профессиональные геодезические беспилотные системы, оснащенные высокоточным GNSS приемником позволяют в несколько раз сократить сроки и финансовые затраты на выполнение полевых топографо-геодезических работ и сформировать набор геопространственных  данных, который по своей информативности и точности превосходит информацию получаемую при использовании стандартных технологий инструментальной геодезической съемки.

СТРОИТЕЛЬНО-МОНТАЖНЫЕ РАБОТЫ

На этапе проведения строительно-монтажных работ (СМР) выполняется периодический мониторинг площадки строительства с использованием беспилотных технологий (БПЛА).

По результатам обработки аэрофото и видео съемки подготавливается высокоточная цифровая 3D модель, ортофотоплан, а так же детальная информация о ходе выполнения СМР, объемах земляных и монтажных работ за определенный период времени. Производится анализ соответствия фактически выполненных работ проектным решениям.

Применение дронов с установленным высокоточным GNSS приемником и профессиональной камерой высокого разрешения позволяет получить в автоматическом режиме цифровую трехмерную модель территории с сантиметровой точностью и не занимает много времени, в среднем съемка квадрокоптером территории площадью 50 га длится порядка 30 минут.

Рис.7 Использование дронов в строительно-монтажных работах

Как правило, аэрофотосъемочные работы выполняются профессиональным пилотом нашей компании, либо мы предлагаем приобрести комплект специализированного оборудования и обучить специалиста Заказчика.

В итоге заказчик получает:

— актуальную и наглядную информацию о ходе строительства;

— возможность удаленно контролировать ход СМР;

— контроль за соблюдением проектных решений;

— оперативные данные об объемах выполненных земляных и монтажных работ;

— наполнение данными информационной системы БИМ (BIM)* всего проекта.

 

Также читайте:

Геодезический беспилотник на базе DJI PHANTOM 4 PRO для маркшейдерии

Геодезическая аэрофотосъемка и построение цифровой модели местности без использования наземных опорных точек

Полевые работы

На подготовительном этапе геодезическая аэрофотосъемка была спланирована маршрутами  с поперечным и продольным перекрытием 60% и 80% соответственно. Траектория полета дрона рассчитана с учетом изменения рельефа местности, так чтобы высота фотографирования оставалась постоянной над поверхностью земли (Рис.1).

Рис 1

Общая площадь района составила порядка 20 га, время полета 12 минут, средняя высота 200 метров над уровнем земли. Разрешение изображений 2 см на пиксел.

Аэрофотосъемочные работы производились беспилотником DJI Matrice 600 PRO c дополнительным геодезическим ГНСС приемником (GPS, ГЛОНАСС) и с профессиональной камерой SONY A7 R с разрешением 36 м.п. на борту.

В момент полета установленная на пункте с известными координатами базовая станция Topcon GR-5, записывала ГНСС измерения в статическом режиме (Рис. 2)

Рис.2 ГНСС приемник Topcon GR-5 и беспилотник DJI MATRICE 600

Камеральная обработка

По результатам постобработки GPS измерений были вычислены координаты центров фотографирования с точностью 1 см в плане и по высоте (рис.3), которые в дальнейшем использовались для фотограмметрической обработки изображений

Рис. 3 Расположение центров фотографирования

В программном обеспечение Agisoft PhotoScan были выполнены следующие этапы фотограмметрической обработки аэрофотоснимков:

  1. Набор связующих точек
  2. Уравнивание блока изображений. Точность определения центров фотографирования показана на (Рис.4)

    Рис.4

     

    3. Построение плотного облака точек и цифровой модели рельефа (DEM) (Рис. 5)

    Рис.5

     

    4. Создание ортофотопланаПо результатам выполненных работ был получен ортофотоплан местности с разрешением 2 см на пиксел с привязкой в Московской системе координат.

    Для проверки точности координатной привязки ортофоплан был совмещен с материалами архивной топографической съемки выполненной нашей компанией в марте 2016 года (Рис.6). При визуальном анализе материалов видно полное совпадение контуров и отдельных характерно-выраженных объектов местности на ортофоплане и топоплане

    Рис.6

     

    Рис.7

    ВЫВОДЫ

    В результате проведенных работ была выполнена геодезическая аэрофотосъемка местности площадью 20 га. Общий срок выполнения проекта составил 1 рабочий день.

    При этом время проведения самих полевых работ было сокращено до 30 минут.

    В результате получены высоко-информативные и детальные данные, такие как цифровая модель местности с шагом 10 см, ортофотоплан с разрешением 5 см/пиксел, которые в дальнейшем возможно использовать для создания топографических планов масштаба 1: 500 – 1: 2000.

    Результаты проекта показывают, значительную эффективность применения беспилотных технологий при выполнении топографо-геодезических работ.

    Разработанный нашей компанией комплект оборудования DJI Matrice 600 PRO+ ГНСС приемником (GPS, ГЛОНАСС)+ SONY A7 R обеспечивает высокую продуктивность, а так же точность и детальность получаемой информации.

Также читайте статьи:

Применение беспилотных технологий в строительстве

Геодезический беспилотник на базе DJI PHANTOM 4 PRO для маркшейдерии

Профессиональное решение для аэрофотосъемки без опорных точек — DJI PHANTOM 4 PRO RTK-PPK

 

Комплектация и тех. характеристики:

  1. Геодезический GNSS приемник (GPS/QZSS L1, GLONASS G1, BeiDou B1, Galileo E1, SBAS)
  2. Съемная внешняя GNSS антенна
  3. Профессионально калиброванная камера 20MP
  4. Профессиональная программа планирования геодезической аэрофотосъемки
  5. Транспортировочный кейс
  6. Время полета до 35 минут

Специалистам нашей компании удалось интегрировать дополнительное GNSS оборудование в стандартный корпус DJI Phantom 4 PRO RTK-PPK, при этом общая масса беспилотника увеличилась не более чем на 100 грамм. Съемное крепление GPS антенны позволяет транспортировать дрон в стандартном кейсе DJI. Скачать данные ГНСС измерений возможно сразу после завершения полета по беспроводному WI-FI соединению.

Геодезический GNSS  приемник позволяет определить координаты центров фотографирования с сантиметровой точностью и  проводить фотограмметрическую обработку без использования наземных опорных точек. По своим точностным характеристикам соответствует уровню профессиональных геодезических систем, при этом обладает рядом значительных преимуществ, таких как:

Преимущества:

  1. Низкая стоимость приобретения, а так же дальнейшего обслуживания и ремонта;
  2. Простота в использовании;
  3. Малый вес и габариты, легкость в транспортировке;
  4. Наличие датчиков препятствий и соответственно большая безопасность полетов;
  5. Возможность взлета и посадки в стесненных условиях

Для начала работы не требуется никакой сложной дополнительной настройки. На подготовительном этапе необходимо сформировать полетное задание, указав границы района работ, поперечное перекрытие, высоту фотографирования и программа сама рассчитает маршрут полета дрона с учетом особенностей рельефа местности. Взлет, аэрофотосъемка и посадка беспилотника выполняется полностью в автоматическом режиме.

О практическом применении данного комплекса читайте в наших статьях:

Кадастровая аэрофотосъемка с применением геодезического квадрокоптера DJI Phantom 4 PRO без использования наземных опорных точек

Геодезический беспилотник на базе DJI PHANTOM 4 PRO для маркшейдерии

Применение беспилотных технологий в строительстве

DJI MATRICE 200 GNSS RTK для геодезии

Комплектация и тех. характеристики:

  1. Геодезический 444 канальный GNSS приемник L1, L2 (GPS, GLONASS, Galileo, SBAS) c функцией RTK
  2. Внешняя L1, L2 GNSS антенна
  3. Встроенный GSM модем (возможность установки радио модема)
  4. Профессионально калиброванная камера 20MP
  5. Датчики препятствий
  6. Рабочий температурный диапазон от-20 °C до 45 °C
  7. Профессиональная программа планирования геодезической аэрофотосъемки
  8. Транспортировочный кейс
  9. Время полета до 35 минут
  10. Гарантия 1 год
  11. Обучение планированию и выполнению полетов, а так же фотограмметрической обработке включено в стоимость

Двухчастотный GNSS приемник с функцией RTK позволяет определять координаты центров фотографирования с сантиметровой точностью и проводить фотограмметрическую обработку в автоматическом режиме без использования наземных опорных точек.

Встроенный GSM модем предоставляет возможность работы в RТК режиме, в том числе и от сети постоянно действующих базовых станций, таких как СНГО, RTKnet и т.д.

Влагостойкий корпус, система безопасности FlightAutonomy, подогреваемые аккумуляторы позволяют эксплуатировать БПЛА в экстремальных погодных условиях на территории со сложным рельефом и промышленных объектах.