Введение
Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) прочно закрепились в современных геодезических, картографических и инженерных изысканиях [1]. Возможность быстрого получения пространственных данных высокого разрешения при минимальных затратах делает дроны незаменимым инструментом для решения широкого спектра прикладных задач [2, 3].
Одним из ключевых методов является топографическая съемка с использованием цифровой фотограмметрии. Эта техника позволяет создавать подробные, скорректированные фотограмметрические карты, цифровые модели рельефа и 3D-модели местности с высокой точностью и скоростью. Основным техническим принципом здесь является стереоскопическая фотограмметрия, которая основана на обработке пар перекрывающихся стереоскопических изображений, позволяющих измерять горизонтальные и вертикальные координаты объектов [4].
Традиционный процесс создания карт на основе данных аэрофотосъемки включал в себя трудоемкий этап создания базы данных съемки (полевое картирование – местоположения с известными координатами). В данной статье предлагается отказаться от традиционного полевого подхода к картографированию. Вместо этого авторы рекомендуют использовать данные с бортовой GNSS-станции дрона и файлы RINEX, полученные от сети базовых станций. Интегрированная обработка с использованием технологии постобработки (Post-Processing Kinematic – PPK) позволяет напрямую определять высокоточные координаты центров проекций каждого изображения, что значительно упрощает и ускоряет весь рабочий процесс [5–7].
Цель исследования – разработка и оценка новых методов повышения точности координатной привязки аэрофотоснимков, полученных с помощью беспилотных летательных аппаратов в условиях отсутствия на земле опорных точек.
Материалы и методы исследования
Данная методика основывается на использовании информации, поступающей от локальных сетей постоянных станций глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) [8–10]. При создании ортофотопланов и цифровых моделей местности была оценена точность результатов для трех сценариев в условиях отсутствия опорных точек на местности. Первый сценарий: расстояние от беспилотного летательного аппарата (БПЛА) до базового приемника, установленного на геодезическом пункте, не превышало 500 м. Второй сценарий: расстояние от БПЛА до ближайшей базовой станции спутниковой сети не превышало 30 км. Третий сценарий: расстояние от БПЛА до ближайшей базовой станции сети составляло более 70 км. По итогам оценки был проведен анализ точности для каждого сценария, а также выполнен сравнительный анализ с альтернативным методом.
Для решения поставленных задач в работе использованы данные двух типов:
Аэрофотосъемочные данные, полученные с помощью БПЛА Autel EVO II Pro 6K [11] (рис. 1). Ключевыми характеристиками для задач фотограмметрического моделирования являются: Фотокамера: 1-дюймовый 20-мегапиксельный CMOS-датчик Sony, обеспечивающий съемку с разрешением до 6K. Навигационная и вспомогательная системы: Бортовая система включает 12 визуальных датчиков для обзора на 360°, что позволяет осуществлять построение карт в режиме реального времени и повышает безопасность полетов, а также интегрированный ГНСС-приемник. Опорное геодезическое обеспечение: для точной геопривязки снимков использовались данные от пары ГНСС-приемников GPS Fora 1, работавших в качестве базовых станций.
Геодезические измерения, выполненные с использованием ГНСС-оборудования (приемники модели GPS Fora 1) [12] (рис. 2).
Рис. 1. Беспилотный летательный аппарат (типа Autel Evo II Pro) Примечание: составлен авторами по источнику: URL: https://geospb.ru/p/geodezicheskaya-modernizacziya-geobox-fora-ppk-l1l2-drone-upgrade (дата обращения: 02.01.2026)
Рис. 2. Дифференциальная система GPS Fora 1 и Fora Lux Примечание: составлен авторами по источнику: URL: https://geospb.ru/p/gnss-priemnik-geobox-fora-lux/ (дата обращения: 02.01.2026)
Рис. 3. Порядок исследования Примечание: составлен автором по результатам данного исследования
Исследование проводилось с использованием следующего программного обеспечения: Autel Explorer – для планирования и управления полетами БПЛА Autel Evo II Pro; Surpad 4.2 – для обработки данных с ГНСС-приемников Fora 1 и Fora Lux; Geobox Office (UAV) – для высокоточной постобработки маршрутов БПЛА на основе данных с базовой станции ГНСС; Agisoft Metashape – для обработки изображений и создания конечных продуктов: ортофотопланов, цифровых моделей рельефа (ЦМР) и цифровых моделей местности (ЦММ).
Порядок исследования
Исследование выполнялось по стандартной для геодезических задач трехэтапной методологии (рис. 3).
Подготовительный этап. Этот этап включал в себя идентификацию цели, подготовку оборудования (БПЛА Autel Evo II Pro и ГНСС-приемники Fora), планирование миссии, анализ местности и окружающей среды, а также получение необходимых разрешений в соответствии с требованиями безопасности и законодательства [1, 13].
Результаты исследования и их обсуждение
На втором этапе проводятся полевые работы и сбор данных, на этапе полевых работ были сделаны аэрофотоснимки и собраны первичные данные. Параметры полетной миссии были разработаны с использованием программного обеспечения Autel Explorer (рис. 4).
При создании миссии были определены следующие основные параметры, определяющие качество и полноту охвата: разрешение изображения (Ground Sample Distance – GSD), целевой размер пикселя на местности; высота фотографирования рассчитывается математически на основе заданного разрешения изображения на местности и характеристик камеры; перекрытия – продольное (px %) и поперечное (py %); базисы фотографирования – продольный (Bx) и поперечный (By); количество маршрутов, временной интервал между изображениями и количество снимков в маршруте [14].
Расчетная высота фотографирования Нф:
НФ = 2R∙GSD∙(fк/δ), (1)
где НФ – высота фотографирования относительно заданной поверхности (м);
fк – фокусное расстояние фотосистемы (м);
GSD – проекция пикселя матрицы ЦАФА на заданной поверхности (м);
R – разрешение на матрицы (цикл/пиксель)
δ – размер пикселя матрицы (м).
При разрешении GSD, равном 2 см,
Нф = f∙GSD/Pxl =
= 0,011∙0,02/0,00000236 = 93.3 м;
по программе (Autel Explorer) Нф = 93 м.
Расчетное продольное перекрытие аэрофотоснимков, рх %:
рх = рхо + Δрh + Δрн, (2)
где рхо – минимальное продольное перекрытие = 60%,
Δрh – поправка за рельеф,
, (3)
где Δh – разность между самой высокой точкой и самой низкой точкой участка,
Δрн – навигационная поправка за ошибку самолетовождения.
рх = рхо + Δрh + Δрн =
= 60+ (13-0)∙(100-60) / 186 + 4 = 87,34%,
рх = ٨٥ % по (Autel Explorer).
Расчетное поперечное перекрытие аэрофотоснимков ру, %:
Для масштаба 1:10 000 и крупнее
py= 40 % + (50 ∙ 
). (4)
Для масштаба 1:10 000 и крупнее
ру = 40 + (50∙(13/186) = 73,41 %,
ру = 7٠ % по (Autel Explorer).
Продольный базис фотографирования, Вх (м):
, (5)
где MФ = НФ / f – знаменатель масштаба фотографирования,
MФ = 8474,545,
Вх = 184,88 по (Autel Explorer)
MФ = 8٥٠٠, Вх = 185,44.
Поперечный базис фотографирования Ву (м):
, (6)
где XП, YП – физический размер матрицы (м)
Ву = 156.4, Ву =1٧٠ по (Autel Explorer).
Интервал фотографирования τ (сек):
, (7)
где XП – физический размер фото матрицы вдоль линии полета (м),
W – путевая скорость БВС (м/с).
τ = 4 (сек) по (Autel Explorer).
Количество аэроснимков в одном маршруте Nx :
Nx = (Lx / Bx) + N3; N3 = 4, (8)
где Lx – длина участка съемки (м)
Nx = 10.27 по (Autel Explorer) Nx = 12.
Количество маршрутов Nу:
Nу = (Ly / By) + 0.5∙j; j = 2,
где Nу ширина участка (м), (9)
Ny = 4, по (Autel Explorer) Ny = 4.
Рис. 4. Программа Autel Explorer: 1 – настройка; 2 – создание новой миссии; 3 – редактирование миссии; 4 – настройка параметров съемки Примечание: составлен автором по результатам данного исследования
Рис. 5. Расчетные данные аэрофотосъемки в программе Autel Explorer Примечание: составлен автором по результатам данного исследования
На рис. 5 показаны расчетные параметры аэрофотоснимков, сгенерированные программной Autel Explorer, и проведено их сравнение с результатами, полученными с использованием аналитических формул для съемки.
Третий, камеральный этап включает постобработку собранных данных. Базовым требованием для корректной обработки и компенсации погрешностей является синхронная регистрация в реальном времени полета информации из следующих источников: данные БПЛА (файл формата UBX), измерения наземной станции Fora Lux (файл формата UNC) и аэрофотоснимки (формат JPG). Первичная обработка заключается в преобразовании файлов спутниковых измерений в формат RINEX с последующей коррекцией координат центра съемки относительно опорной точки. Полученные поправки применяются к снимкам для минимизации ошибок геопривязки на дальнейших этапах. Данный этап выполняется в программном комплексе Geobox Office, который обеспечивает обработку ГНСС-измерений, коррекцию временных меток в RINEX-файлах, фильтрацию дублирующихся данных, сопоставление снимков с точными координатами (с возможностью редактирования метаданных EXIF) и работу с локальными системами координат [15] (рис. 6). Процесс обработки в Geobox Office включает следующие шаги: загрузка файла данных приемника БПЛА и файла статической наземной базовой станции, где расстояние от БПЛА до базового приемника, установленного на геодезическом пункте, не превышало 500 м; автоматическая загрузка стандартных параметров обработки с последующей возможностью их ручной коррекции; задание координат наземной станции (ручной ввод или автоматический расчет как среднего значения измерений приемника); добавление аэрофотоснимков и запуск процесса обработки.
В результате для каждого изображения генерируется набор модифицированных координат. Эти данные импортируются в программный комплекс Agisoft Metashape для обработки изображений и создания конечного продукта. Рабочий процесс включает в себя создание плотного облака точек, построение 3D-модели и текстуры, а также генерацию производных продуктов – ЦМР и ортофотоплана на основе плотного облака точек и модели [16, 17] (рис. 7).
При сравнении координат центра изображения, полученных из файла данных приемника БПЛА, которые выступают в качестве контрольных точек, с координатами центра изображения после обработки в Geobox Office были обнаружены следующие ошибки: максимальная ошибка по оси X составляет 4,79 см, по оси Y = 5,75 см, по высоте Z = 8,021 см, по плоскости XY = 7,48 см, а общая ошибка, или среднее квадратическое отклонение, составляет 10,97 см. Результаты сравнения представлены на рис. 8.
Рис. 6. Процесс обработки данных в программе Geobox Office Примечание: составлен автором по результатам данного исследования
Рис. 7. Ортофотоплан и ЦММ, поселок Лекаревка, город Уфа, Республика Башкортостан Примечание: составлен автором по результатам данного исследования
Рис. 8. Погрешность определения координат (Лекаревка) Примечание: составлен автором по результатам данного исследования
Для создания ортофотоплана и цифровой модели местности для второго сценария, где расстояние между БПЛА и ближайшей базовой станцией спутниковой сети (в данном случае станцией UFA2) не превышает 30 км, а местоположение находится к северо-востоку от точки аэрофотосъемки, авторы повторяют обработку в программном обеспечении Geobox Office. Это включает в себя загрузку файла данных с приемника БПЛА и файла RINEX, полученного со станции UFA2. Файл RINEX можно загрузить с официального сайта CORS.
На рис. 9 показано, как загрузить файл с официального сайта: первый шаг – выбор базовой станции – UFA2, второй – указание часового пояса, третий – установка параметра «Точность измерения» на 10 с, который является общедоступной максимально возможной точностью, и последний шаг – загрузка файла RINEX [18]
В исследовании использовались данные постоянной станции UPHA. Файл наблюдений в формате RINEX также был получен с официального сайта сети. Станция UPHA расположена примерно в 31 км к востоку от места проведения аэрофотосъемки, в районе поселка Лекаревка. На рис. 10 показаны географические координаты всех этих точек.
Рис. 9. Порядок загрузки файла RINEX базовой станции Ufa2 Примечание: составлен автором по результатам данного исследования
Средняя квадратическая ошибка при сравнении координат центра изображения, полученных из файла данных приемника БПЛА, с координатами центра изображения после обработки в Geobox Office для станции UFA2 равнялась 12,56 см и для станции UPHA равнялась 13,38 см. Визуализация результатов сравнения координат приведена на рис. 11 и 12. А в предыдущих сравнениях с наземной базовой станцией, где расстояние от БПЛА до приемника не превышало 500 м, средняя квадратическая ошибка равнялась 10,97 см.
Рис. 10. Картографическая привязка всех пунктов Примечание: составлен автором по результатам данного исследования
Рис. 11. Погрешность определения координат (Ufa2) Примечание: составлен автором по результатам данного исследования
При увеличении расстояния между БПЛА и базовой станцией до 76 км (третий сценарий) была использована базовая станция «Раевка», расположенная в 76,242 км к юго-западу от района съемки. На рис. 13 показана область аэрофотосъемки с БПЛА относительно базовой станции во всех сценариях.
Рис. 12. Погрешность определения координат (UPHA) Примечание: составлен автором по результатам данного исследования
Рис. 13. Картографическая привязка всех базовых станций Примечание: составлен автором по результатам данного исследования
Для обработки данных и получения координат центров фотографирования, которые входят в качестве опорных пунктов, использованы файлы (RINEX) данных станций с официального веб-сайта сети CORS по порядку, как указано на рис. 9. В программном комплексе Geobox Office были выполнены последовательные шаги: загрузка файла данных приемника БПЛА и данных базовой станции «Раевка» (RINEX), выбор системы координат, добавление фотографий и, наконец, запуск процесса обработки.
Рис. 14. Погрешность определения координат (Раевка) Примечание: составлен автором по результатам исследования
В результате при сравнении координат центров изображений среднее квадратическое отклонение центров изображений составило 12,29 см. Отклонение каждого снимка указано на рис. 14.
Исследование подтверждает возможность построения ортофотоплана и ЦММ с использованием данных открытых ГНСС-станций (файлы RINEX с интервалом 10 с). Показано, что погрешность определения координат незначительно зависит от расстояния до станции, даже при превышении 70 км. Также доказана возможность создания аэрофотоснимков без привлечения классических наземных геодезических точек. В предложенном методе в качестве опорных используются координаты центров самих изображений.
Результаты исследования и их обсуждение
1. Исследование показало, что использование данных RINEX из сети непрерывно работающей ГНСС-станции (CORS) позволяет создавать ортофотопланы и цифровые модели местности без необходимости традиционной полевой геолокации с использованием контрольных точек, требуемых традиционными методами. Эта технология исключает дорогостоящую и трудоемкую полевую работу, необходимую при традиционных методах аэрофотосъемки.
2. Точность ортофотопланов и цифровых моделей местности, полученных с использованием данных от статичного ГНСС-оборудования, установленного на геодезических пунктах (статический режим), лишь незначительно отличается от точности ортофотопланов и ЦММ, созданных с использованием данных с базовой станции, работающей в постобработке (PPK). Это подтверждает взаимозаменяемость этих двух источников данных для достижения требуемой точности.
3. Средняя квадратическая ошибка определения координат центров изображения, рассчитанная с использованием данных от ГНСС-станций сети CORS, остается стабильной и не показывает статистически значимой зависимости от расстояния между базовой станцией и БПЛА в исследуемых диапазонах (до 76 км). Это демонстрирует надежность и эффективность данной технологии, обеспечивая увеличенную дальность действия до базовой станции.