УДК 528.01/.06
ПРИМЕНЕНИЕ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В ЦЕЛЯХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГИС ИНФОРМАЦИЕЙ
№16,
Науки о Земле
Кузьменко Мария Николаевна
Ключевые слова: БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ; АЭРОФОТОСЪЕМКА; ОРТОФОТОПЛАН; ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ; ВЕКТОРИЗАЦИЯ; ЦИФРОВАЯ МОДЕЛЬ МЕСТНОСТИ; UNMANNED AERIAL VEHICLES; AERIAL MAPPING; ORTHOPHOTO; GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEMS; VECTORING; DIGITAL TERRAIN MODEL.
Развитие геоинформационных систем (ГИС) обусловило использование пространственных данных во всех областях жизнедеятельности общества. В настоящее время существуют различные специальные геоинформационные системы, которые предоставляют возможность анализировать и совершать различные действия с геопространственными данными. При организации и ведении ГИС приоритетной задачей является обеспечение точности и актуальности информации [1]. Данные можно получать из разных источников, но для правильных и своевременных стратегических решений данные необходимо получать как можно быстрее и мобильнее. Наиболее перспективное решение рассматриваемой проблемы – использование данных, полученных с беспилотного летательного аппарата (БПЛА).
Беспилотный летательный аппарат – летательный аппарат, пилотируемый дистанционно, или выполняющий полет автономно, предназначенный для сбора достоверных и точных данных об объектах, их местоположении при помощи специального оборудования.
Аэрофотосъемка с применением БПЛА (рис. 1) состоит из следующих этапов: подготовительного, аэрофотографирования и камеральной обработки (табл. 1). В процессе полета оборудование БПЛА производит запись разных параметров – координаты, скорость и параметры ориентирования.
Рисунок 1 – Аэрофотосъемка с БПЛА
Таблица 1.
Этапы аэрофотосъемки
Этапы аэрофотосъемки |
Производимые работы |
Подготовительный | — изучение местности, подготовка имеющихся карт и иных источников информации;
— установление требований к снимкам: разрешение, координаты места съемки; — создание полетного задания для БПЛА. |
Аэрофотосъемка | — уточнение местоположения стартовой площадки и точки возврата, введение данных о скорости ветра и его направлении;
— запуск летательного аппарата; — проведение съемки; — посадка летательного аппарата. |
Камеральный | — экспорт данных с БПЛА в программные комплексы;
— генерация файла привязки центров фотографирования. |
По завершению аэрофотосъемки из файла журнала полета требуется выбрать координаты, которые совпадают с моментами фотографирования, и присвоить их соответствующим снимкам. С использованием высокоточных GPS-приемников, расположенных на борту летательного аппарата, происходит привязка с требуемой точностью посредством измерения координат центров фотографирования [3].
Исходные изображения, полученные в результате проведения аэрофотосъемки с БПЛА, подлежат обработке в фотограмметрических комплексах, после чего происходит их интеграция в ГИС. Извлечение информации из снимков возможно производить двумя способами – дешифрированием и фотограмметрическими измерениями.
Фотограмметрическая обработка заключается в трансформировании снимков, где изображение приводится в определенную картографическую проекцию. Таким образом, можно определить по снимкам положение объектов в пространстве. Процесс дешифрирования состоит в получении качественных характеристик объекта.
Результатом фотограмметрической обработки является ортофотоплан – это фотографический план местности на точной геодезической основе, полученный путем аэрофотосъемки с последующим преобразованием снимков из центральной проекции в ортогональную с помощью метода ортотрансформирования. Ортофотоплан используют в геоинформационных системах для создания цифровых карт, удовлетворяющих точности и качеству метрического и семантического описания объектов местности. Процесс обработки ортофотоплана в ГИС происходит следующим образом:
1. Импорт снимка и метаданных в программу;
2. Регистрация полученного растра;
3. Векторизация растрового изображения;
4. Построение цифровой модели рельефа (ЦМР) при необходимости;
5. Вывод данных и их дальнейшее использование в системе.
Импорт изображения выполняется с целью получения растрового представления снимка. У снимков, полученных с беспилотных летательных аппаратов, имеются подробные метаданные – это геопривязка (или местоположение) снимка, дата создания, процент облачного покрытия и другие свойства.
Регистрация полученного изображения проводится с целью пространственной привязки растра и заключается в присвоении пикселям растрового изображения координат. Наиболее целесообразно точки-привязки располагать по всей поверхности снимка на максимальном расстоянии друг от друга. Число точек обычно 3-4, но для повышения точности привязки их количество увеличивают до 10-12.
Анализ привязанного изображения позволяет выполнять в ГИС автоматические измерения расстояний, площадей и периметров географических объектов.
Оцифровка или векторизация заключается в создании векторных объектов (рис. 2).
Рисунок 2 – Векторизация ортофотоплана
Используются три способа оцифровки: вручную, автоматическая и полуавтоматическая. Векторизация вручную состоит в обводе границ объектов на дисплее с закреплением координат характерных точек контуров.
Автоматическая оцифровка происходит при помощи векторизаторов. Их задача состоит в определении географических объектов. Они могут распознавать и выделять из растрового изображения точечные, линейные и площадные объекты, сопоставлять изображения со встроенными в программу условными знаками. Полуавтоматическая оцифровка происходит с применением векторизаторов и с помощью оператора, когда программа не может выполнить векторизацию автоматически. Выбор технологии оцифровки зависит от сложности снимка и масштаба работ.
Одна из особенностей ГИС – это возможность представления данных в виде накладывающихся друг на друга слоев (рис. 3). При этом происходит генерация географических объектов и наследование атрибутивной информации. Векторные точечные, линейные и площадные модели объектов предоставляют возможность вводить в ГИС набор семантических данных для выбранных объектов. Пользуясь специальным инструментарием ГИС можно по атрибутам строить тематические картограммы, классифицировать данные по группам, численности, категориям, также анализировать территорию [2].
Рисунок 3 – Организация слоев в ГИС
Анализ местности становится более удобным и наглядным при построении и визуализации рельефа. Цифровые модели рельефа – это математическое представление участка земной поверхности, полученное путем обработки материалов топографической съемки. ЦМР строится по горизонталям в поверхностях TIN или GRID.
TIN – совокупность непересекающихся треугольников. Вершинами таких треугольников являются точки с известными координатами. Рельеф при этом изображается многогранной поверхностью, где грани описываются линейной функцией.
GRID – модель, которая представляет собой матрицу отметок высот, получаемую при интерполяции данных. Существует возможность представления такой модели в трехмерном виде. Для этого она совмещается с ортофотопланом. Особенность этого моделирования состоит в том, что при отображении можно изменять масштаб по оси Z, таким образом скрывая или выделяя различные элементы земной поверхности.
ЦМР совместно с векторными и растровыми моделями местности позволяет создавать цифровую модель местности, которая является необходимой для принимаемых решений по территориальному планированию и управлению ресурсами [2].
Последним этапом является подготовка цифровых и бумажных материалов проекта – это файла, в котором хранятся все компоненты работы. Для его оформления в геоинформационных системах существуют инструменты для компоновки карт, атласов, диаграмм, графиков с дальнейшей печатью или для показа на мультимедийном проекторе.
С использованием ГИС решается значительное количество задач за счет имеющих место проблем территориального управления, экологических, навигационных и др. Для их решения и реализации в рамках глобальных государственных программ следует поддерживать картографическую информацию в актуальном состоянии и оперативно вносить изменения [4]. Такой метод получения информации, как аэрофотосъемка с БПЛА, следует рассматривать как наиболее экономически выгодный, дистанционный и эффективный для обеспечения ГИС необходимой информацией.
Список литературы
- Озорнина, Н. Н., Попов Ю. П. Использование электронного тахеометра для сбора данных при создании ГИС // NovaUm.Ru. – 2018. – №12.
- Попов Ю. П., Белый А. В. Особенности разработки территориальной схемы обращения с отходами на основе региональной ГИС // Вузовская наука – региону. – Вологда: Вологодский государственный университет, 2016. – с. 117-119.
- Завгородняя Д. В. Преимущества аэрофотосъемки над наземными видами съемки // EUROPEAN RESEARCH Сборник статей XII Международной научно-практической конференции. – Пенза: Наука и Просвещение (ИП Гуляев Г.Ю.) , 2017. – с. 291-293.
- Гуляев Д. И. Использование открытых ГИС и Web-ГИС для экологического мониторинга // Экология и безопасность жизнедеятельности. Сборник статей XVII Международной научно-практической конференции. – Пенза: Пензенский государственный аграрный университет, 2017. – с. 42-44.