Как получить ортофотоплан и 3D-модель фотограмметрией? Перекрытие, GSD и опорные точки
Один снимок — не измерение; много снимков, видящих одну и ту же точку, могут им стать.
Главное для поля
- Фотограмметрия вычисляет положение по снимкам, на которых одна и та же точка видна под разными углами; поэтому перекрытие обязательно.
- GSD — это размер одного пикселя на местности; это не точность, а лишь подсказка о её нижней границе.
- Опорные точки привязывают модель к координатам; контрольные точки показывают, насколько хорошо она держится.
- Ортофотоплан трансформируют по цифровой модели рельефа, истинный ортофотоплан — по цифровой модели поверхности; разницу видно по зданиям.
- Вода, снег, ровные поля и грунт под листвой плохо сопоставляются; планирование делают до полёта.
От снимка к координатам: как это работает
Программа фотограмметрической обработки сначала находит одну и ту же деталь (камень, угол линии) на нескольких снимках и сопоставляет их. Если одну точку видят хотя бы два снимка, а лучше больше, можно вычислить положения и направления съёмки камеры вместе с трёхмерным положением точки. Этот шаг называется уравниванием связок; фокусное расстояние и дисторсия объектива обычно оцениваются в том же расчёте. Затем плотное сопоставление даёт облако из миллионов точек, а из него — модель поверхности, ортофотоплан и текстурированную 3D-модель. Каждое звено цепочки опирается на предыдущее: если сопоставление слабое, ни один из последующих продуктов не будет хорошим.
Размер пикселя на местности: сколько сантиметров в одном пикселе?
Размер пикселя на местности (GSD, ground sample distance; по-турецки YÖA) — это размер одного пикселя на земле. Для плановой съёмки он примерно равен: GSD = ширина матрицы × высота полёта ÷ (фокусное расстояние × ширина снимка). Например, при матрице шириной 13,2 мм, фокусном расстоянии 8,8 мм и ширине снимка 5472 пикселя снимок с высоты 100 м имеет GSD около 2,7 см; на 50 м он уменьшается вдвое. В Türkiye Регламент по созданию крупномасштабных карт и картографической информации устанавливает верхний предел GSD аэрофотоснимков: 10 см для карт и ортофотопланов масштаба 1:1000 и 5 см для 1:500. Меньший GSD показывает больше деталей, но сам по себе точностью не является.
Перекрытие: сколько снимков должны видеть каждую точку?
Продольное перекрытие — общая площадь двух соседних снимков в одном маршруте; поперечное — общая площадь двух соседних маршрутов. Тот же регламент требует планировать аэрофотосъёмку метрическими камерами с продольным перекрытием не менее 70% и поперечным не менее 30%, а для истинных ортофотопланов предписывает 80% продольного и 60% поперечного перекрытия. При съёмке с дрона камеры меньше, а полёты ниже, поэтому большинство проектов планируют с более высокими значениями; увеличение перекрытия над лесом и ровными однородными поверхностями спасает сопоставление. Если в конце каждого маршрута немного вылетать за границу участка, края тоже будут видны на достаточном числе снимков.
Опорные и контрольные точки
Опорные точки (GCP) — это маркеры, координаты которых измеряют на местности с помощью GNSS или тахеометра и которые можно опознать на снимках; они привязывают модель к правильной системе координат. Их размещают по углам и краям блока, а также внутри него; точки, выстроенные вдоль одной линии, оставляют модели свободу вращаться вокруг этой оси. Контрольные точки не участвуют в уравнивании и служат только для проверки результата. Регламент требует, чтобы средняя квадратическая ошибка на контрольных точках после уравнивания блока не превышала 0,75 × GSD в плане и 1 × GSD по высоте. При GSD 5 см это означает в плане не более примерно 3,75 см, но только если критерий действительно выполнен. Даже при наличии RTK или PPK на борту независимые контрольные точки всё равно нужны.
Ортофотоплан, истинный ортофотоплан и 3D-модель
Ортофотоплан устраняет смещения, вызванные рельефом, дисторсией объектива и наклоном камеры, так что снимок можно измерять как карту. Поскольку это делается по модели рельефа (голой земли), высокие здания и мосты выглядят наклонёнными, а края крыш смещаются относительно их истинного положения на земле. Истинный ортофотоплан использует модель поверхности и показывает объекты в их истинном плановом положении; поэтому ему нужно большее перекрытие. Текстурированная 3D-модель — это модель поверхности с наложенными на неё снимками: идеальна для визуального осмотра фасадов, откосов и отвалов, но для измерений по-прежнему опирается на опорные точки.
Перед полётом: свет, поверхности и документация
Больше всего сопоставление портят сами снимки. Регламент требует, чтобы при аэрофотосъёмке высота солнца была больше 30 градусов над горизонтом; длинные тени и блики создают проблемы. На поверхностях без текстуры — воде, снегу, свежевспаханных ровных полях, однородных крышах — программе не за что зацепиться. Следите за выдержкой, чтобы избежать смаза. В Türkiye полёты дронов подчиняются правилам регистрации и разрешений Главного управления гражданской авиации (SHGM). Храните вместе снимки, список опорных точек, а также систему координат и тип высот (эллипсоидальные или ортометрические), в которых измерялись точки; если типы высот перепутать, модель может сместиться на десятки метров вверх или вниз.
Превратите снимки в ортофотопланы и 3D-модели.
MapLab Survey 3D создаёт по снимкам облака точек, ортофотопланы и текстурированные 3D-модели; открывает облака точек LAS и LAZ и создаёт поверхность рельефа, объёмы выемки и насыпи и горизонтали в DXF. Windows, по запросу.
Частые вопросы
GSD — это то же самое, что точность?
Нет. GSD — это размер пикселя на местности. Точность зависит от опорных точек, перекрытия, калибровки камеры и обработки и измеряется по контрольным точкам.
Сколько нужно опорных точек?
Единого числа нет; оно зависит от размера и формы участка и от способа съёмки. Нужно охватить углы, края и внутреннюю часть, а также отложить контрольные точки, не участвующие в уравнивании. В государственных проектах действует техническое задание заказчика.
Если у дрона есть RTK, нужны ли опорные точки?
Опорных точек может понадобиться меньше, но независимые контрольные точки для проверки результата всё равно нужны.
Что делает MapLab Survey 3D в фотограмметрии?
Создаёт по снимкам облака точек, ортофотопланы и текстурированные 3D-модели; также открывает облака точек LAS и LAZ и создаёт поверхность рельефа, объёмы выемки и насыпи и горизонтали в DXF. Работает в Windows и предоставляется по запросу.
Технические источники
The field guidance in this article is aligned with the technical and official references below.
По теме: Съёмка с дрона · Файлы LAS и LAZ · Расчёт выемки и насыпи · MapLab Survey