Фотограмметрия
Синонимы: аэрофотограмметрия, фотограмметрия с дрона, photogrammetry
Фотограмметрия — измерения, карты и 3D-модели по перекрывающимся снимкам с дрона: перекрытие, GSD, опорные точки, ортофотоплан и точность.
Что такое фотограмметрия
Фотограмметрия — способ получить точные измерения, карты и трёхмерные модели по фотоснимкам. Программа находит одни и те же точки на перекрывающихся кадрах, вычисляет, откуда и под каким углом сделан каждый снимок, и восстанавливает координаты объекта в пространстве. С дрона так получают ортофотопланы, модели рельефа и 3D-модели зданий.
Дисциплине больше полутора веков: в 1851 году француз Эме Лосседа предложил измерять местность по фотографиям, а в 1867-м немецкий инженер Альбрехт Мейденбауэр ввёл сам термин «фотограмметрия» и отснял план Фрайбурга в масштабе 1:1000. Массовой технологию сделали цифровые камеры и алгоритмы компьютерного зрения Structure from Motion, которые сами находят общие точки на сотнях кадров. Дрон добавил дешёвый носитель камеры.
Как из снимков получается 3D
Схема обработки одинакова в любом пакете — Agisoft Metashape, PHOTOMOD, Pix4Dmapper, RealityCapture, DJI Terra, бесплатный OpenDroneMap. Пять шагов:
- Выравнивание снимков. Алгоритм ищет на каждом кадре особые точки — углы, контрастные пятна, детали фактуры, — сопоставляет их между кадрами и вычисляет положение и наклон камеры в момент съёмки, попутно уточняя дисторсию объектива. На выходе — разреженное облако.
- Уравнивание блока. Модель привязывают к системе координат: по геотегам EXIF, по координатам центров фотографирования или по наземным опорным точкам. Здесь же считают невязки.
- Плотное облако точек. По картам глубины программа достраивает десятки и сотни миллионов точек. Самый долгий этап, упирается в видеокарту и память.
- Поверхность. Из облака строят цифровую модель местности (всё, что видно сверху) или рельефа (после отсева зданий и растительности), либо полигональную сетку с текстурой.
- Ортофотоплан. Кадры перепроецируют на модель поверхности, убирая перспективные искажения и смещения за рельеф, и сшивают в мозаику с единым масштабом — это и есть ортофотоплан.
Разреженное облако — не результат, а индикатор: по нему смотрят, сошёлся ли блок и нет ли выпавших кадров. Время расчёта по числу снимков не предсказать: несколько сотен кадров небольшой площадки станция считает за часы, тот же объём по лесу — за ночь. Поэтому в поле снимают с запасом.
Высота, GSD и перекрытие: три числа, которые решают всё
Качество закладывается на расчёте маршрута. GSD (Ground Sample Distance) — размер одного пикселя снимка на земле: высота полёта, умноженная на размер пикселя матрицы и делённая на фокусное расстояние объектива. У 20-мегапиксельной камеры с матрицей 4/3 (пиксель 3,3 мкм, объектив 12,3 мм) на 100 метрах GSD выходит около 2,7 см, на 50 метрах — 1,3 см. Отсюда и правило точности: в плане — порядка одного-двух GSD, по высоте — двух-четырёх.
| Высота | GSD | Точность в плане | Точность по высоте | Типовая задача |
|---|---|---|---|---|
| 50 м | около 1,3 см/пкс | 2–3 см | 3–5 см | фасады, уступы карьера, обмеры отдельных объектов |
| 100 м | около 2,7 см/пкс | 3–5 см | 5–11 см | топоплан стройплощадки, съёмка земельного участка |
| 150 м | около 4 см/пкс | 4–8 см | 8–16 см | площадная съёмка полей, полигонов, кварталов |
| 300 м | около 8 см/пкс | 8–16 см | 16–32 см | обзорный план большой территории |
Нижние строки таблицы — не приглашение лететь выше: высоты за 150 метров и полёты вне прямой видимости требуют согласования плана полёта и разрешения на использование воздушного пространства.
Сколько задавать перекрытия
Перекрытие — доля площади соседних кадров, которая видна на обоих: продольное считают вдоль маршрута, поперечное — между галсами. Большой авиации хватает 60% и 20–30%, дрону нужно больше: кадр мелкий, углы наклона гуляют, бортовой GPS без поправок врёт. Ориентир строгой обработки — тройное перекрытие: каждая точка местности попадает минимум на три снимка.
- открытая местность, поля, карьеры, стройплощадка — 80% продольного и 60–70% поперечного;
- лес, вода, снег, песок, однотонная кровля — 85/80 и меньшая скорость: алгоритму трудно найти повторяющиеся точки;
- 3D-модель здания — надирный проход 80/70 плюс два-три круговых облёта с наклоном камеры 45°;
- линейный объект (дорога, ЛЭП) — не меньше трёх параллельных маршрутов: один узкий проход в блок не соберётся.
Опорные точки и реальная точность
Без привязки к земле модель правдоподобна, но не измерима: масштаб и наклон блока держатся только на данных бортового приёмника. Наземные опорные точки (GCP) — маркеры на участке, координаты которых сняты геодезическим GNSS-приёмником. Маркер делают контрастным и крупным: сторона не меньше пяти GSD, то есть при GSD 3 см — минимум 15×15 см, а на практике кладут кресты по 40–60 см на открытых ровных местах.
Правил немного. Минимум пять точек — четыре по углам участка и одна в центре, на больших площадях сеть сгущают. Выстраивать маркеры в одну линию нельзя: блок «скрутит» вокруг этой оси. Часть точек не участвует в уравнивании и остаётся контрольной — по ним считают честную ошибку модели. Координаты снимают с погрешностью около сантиметра, иначе точная модель ляжет на неточную основу.
Дрон, который пишет координаты центров фотографирования с сантиметровой точностью, сокращает наземные работы в разы: по открытым данным, при дифференциальной обработке хватает одной-двух опорных точек на сотню снимков против одной на каждые 6–10 базисов съёмки при обычном GPS. Как получают такую точность — в термине RTK. Две-три контрольные точки всё же оставляют: спутниковые измерения дают систематический сдвиг по высоте, и поймать его больше нечем.
Где применяют фотограмметрию с дрона
Основной коммерческий сценарий — там, где нужно измерить площадь или объём быстрее и безопаснее, чем это сделает бригада с тахеометром.
- геодезия и кадастр — топопланы 1:500–1:2000, исполнительные съёмки, уточнение границ;
- строительство — объёмы земляных работ, сравнение «проект — факт», отчёты по площадке;
- горная добыча — объёмы отвалов и складов щебня, угля, зерна за вылет вместо дня замеров;
- энергетика и ЖКХ — обследование кровель, опор ЛЭП, трубопроводов без подъёма людей;
- сельское хозяйство — границы полей, планировка, оценка всходов и подтоплений;
- археология — послойная фиксация раскопов и 3D-модели памятников;
- МЧС и страхование — фиксация обстановки с измеримой геометрией.
Носитель подбирают под площадь. Мультиротор удобен на объектах до нескольких десятков гектаров: взлёт с пятачка, зависание, съёмка стен и фасадов. Большие территории закрывают беспилотники самолётного типа — например, российский Геоскан 201. Организация самого налёта разобрана в термине аэрофотосъёмка.
Пять ошибок, которые убивают модель
Брак закладывается в поле, а не в программе. Плохой налёт не спасают ни мощная станция, ни ручная доводка — дешевле прилететь снова.
- Недобор перекрытия. Экономия ради короткого полёта оборачивается дырами в модели и разрывами мозаики. Сильнее страдают края: снимайте с выходом за границу объекта на один-два кадра.
- Смаз от движения. На скорости 5–8 м/с выдержка длиннее 1/1000 даёт размытие, и особые точки перестают находиться: поднимайте ISO, а не удлиняйте выдержку. Построчный электронный затвор добавляет геометрическую ошибку — для картографии предпочтительнее механический.
- Только надир. Когда все кадры сняты строго вниз, самокалибровка путает дисторсию объектива с кривизной поверхности, и модель выгибается куполом: по исследованиям, вертикальная ошибка доходит до 20–40 см. Лечится наклонными кадрами 20–45° и перекрёстными маршрутами.
- Плавающий свет. Налёт в рваную облачность даёт пятнистую мозаику: галсы отличаются по яркости, швы видны без увеличения. Фиксируйте экспозицию и баланс белого.
- Поверхности без текстуры. Вода, свежий снег, песок, стекло, качающаяся крона — алгоритму не за что зацепиться. Под пологом леса метод бессилен в принципе: там работает лидар, чей импульс проходит между листьями до грунта.
Что нужно уметь оператору
Фотограмметрия — не кнопка в мобильном приложении. Оператора оценивают по конкретным навыкам: посчитать GSD и высоту под требуемую точность, собрать маршрут с нужным перекрытием, разложить и отснять опорные точки, оценить свет и ветер, прогнать блок в пакете обработки и объяснить заказчику цифры невязок. Плюс правовая часть: учёт аппарата, план полёта, разрешение на полёт.
Начинается всё с пилотирования: без уверенного управления аппаратом маршрутная съёмка распадается на случайные кадры. Базовый курс подготовки операторов БПЛА в учебном центре «Единство» идёт от двух недель, обучение бесплатное — оставить заявку на обучение.
Частые вопросы
Какое перекрытие снимков задавать для фотограмметрии?
Базовая настройка для открытой местности — 80% продольного перекрытия (вдоль маршрута) и 60–70% поперечного (между соседними галсами). Смысл этих цифр в том, чтобы каждая точка земли попала минимум на три кадра: тройное перекрытие — минимум для строгой фотограмметрической обработки.
Для сложных сцен нормы поднимают. Лес, вода, свежий снег, песок и однотонные кровли требуют 85/80 и меньшей скорости полёта: алгоритму трудно найти на таких поверхностях повторяющиеся особые точки. Для 3D-модели здания одного надирного прохода мало — к нему добавляют два-три круговых облёта с наклоном камеры около 45 градусов. Экономия на перекрытии выглядит заманчиво: меньше кадров, короче полёт, быстрее расчёт. Но дыра в модели обнаруживается уже в офисе, и закрывать её придётся повторным выездом на объект.
Нужны ли наземные опорные точки, если дрон работает в RTK?
Опорных точек нужно меньше, но полностью отказываться от земли рискованно. Дрон, который пишет координаты центров фотографирования с сантиметровой точностью, снимает основную нагрузку с наземной бригады: по открытым данным, при дифференциальной обработке хватает одной-двух опорных точек на сотню снимков, тогда как при обычном GPS требуется точка на каждые 6–10 базисов съёмки.
При этом две-три контрольные точки на участок оставляют почти всегда. Причина простая: спутниковые измерения дают систематический сдвиг, особенно по высоте, и без независимых точек его нечем поймать — модель окажется внутренне согласованной, но целиком смещённой. Контрольные точки не участвуют в уравнивании, по ним считают фактическую ошибку и вписывают её в отчёт. Заказчик, принимающий топоплан, смотрит именно на эти цифры, а не на красоту текстуры.
Чем фотограмметрия отличается от лазерного сканирования?
Фотограмметрия восстанавливает геометрию по фотографиям, лидар измеряет расстояния лазерными импульсами напрямую. Отсюда все различия. Фотограмметрия дешевле: нужна камера и маршрутный полёт, а результат сразу цветной и текстурированный — по ортофотоплану читается разметка, трещины, номера опор. Но метод видит только то, что открыто сверху: под пологом леса и в густом кустарнике поверхности земли не будет.
Лидар посылает импульсы, часть которых проходит между листьями и возвращается от грунта, поэтому модель рельефа под растительностью строят именно им. Он же работает в сумерках и не зависит от контраста поверхности. Плата за это — цена комплекта и бесцветное облако точек без сопряжённой фотокамеры. На практике задачи разделены: планы, объёмы и ортофото — фотограмметрия; рельеф под лесом и коридорные съёмки ЛЭП — лидар. Тяжёлые комплексы несут оба сенсора сразу.
Можно ли делать фотограмметрию обычным потребительским дроном?
Да, и большинство учебных и коммерческих съёмок начинается именно с бытовых аппаратов вроде DJI Mini или Air. Условий три. Первое — камера должна писать снимки в полном разрешении с геотегами в EXIF, а приложение уметь строить маршрутную миссию с заданным перекрытием, иначе снимать придётся вручную по таймеру.
Второе — ограничения затвора. У лёгких аппаратов он электронный, построчный: на скорости кадр получает геометрическую ошибку, которая ложится в точность модели. Лечится снижением скорости и повышенным перекрытием. Третье и главное — точность привязки. Без поправок и без наземных опорных точек результат годится для наглядной модели и прикидочной оценки объёмов, но не для топоплана, который сдают заказчику. Для отчётных работ берут аппараты с точным позиционированием и раскладывают маркеры по участку.
Почему модель получается выгнутой куполом?
Это классический дефект надирного налёта, его называют эффектом купола или чаши. Причина не в дроне, а в геометрии блока: когда все кадры сняты строго вниз с одной высоты, направления съёмки почти параллельны, и программа при самокалибровке не может надёжно разделить дисторсию объектива и реальную кривизну поверхности. Ошибка накапливается к краям участка — центр модели уходит вверх, периметр проседает либо наоборот.
Масштаб проблемы недооценивают: по исследованиям, вертикальная ошибка надирного блока без наземной опоры доходит до 20–40 сантиметров при сантиметровом GSD, притом что в плане картинка выглядит идеально. Лечится тремя приёмами, и лучше применять их вместе: добавить в налёт наклонные кадры под углом 20–45 градусов, пройти участок перекрёстными маршрутами в двух направлениях, разложить опорные точки по всей площади, а не кучкой в центре.
Какая погода подходит для фотограмметрической съёмки?
Лучший вариант — ровная светлая облачность и слабый ветер. Рассеянный свет убирает жёсткие тени и перепады яркости, из-за которых мозаика собирается пятнами, а тени впечатываются в текстуру модели. Хуже всего рваная облачность: за время налёта солнце то выходит, то прячется, соседние галсы отличаются по экспозиции, и швы на ортофотоплане видно без всякого увеличения.
Раннее утро и вечер дают длинные тени, скрывающие детали в застройке, а полдень над водоёмами добавляет блики, на которых алгоритм теряет точки. Ветер вреден вдвойне: аппарат кренится и уходит с линии маршрута, а кроны и трава шевелятся между кадрами, из-за чего плотное облако в этих местах рассыпается. Дождь, туман и мокрая оптика исключают съёмку полностью — расчётом экспозиции такое уже не исправить.
В какой программе обрабатывают снимки и какой нужен компьютер?
Рабочих пакетов около десятка. Из российских — Agisoft Metashape петербургской разработки, внесённый в реестр отечественного ПО, и PHOTOMOD компании «Ракурс». Из зарубежных — Pix4Dmapper, RealityCapture, DJI Terra. Из бесплатных — OpenDroneMap с веб-оболочкой WebODM. Логика работы у всех одна: выравнивание снимков, уравнивание блока по опорным точкам, плотное облако, модель поверхности, ортофотоплан.
Требования к железу диктует не программа, а объём налёта. Ключевые ресурсы — оперативная память и видеокарта: плотное облако считается на GPU, а при построении модели блок целиком держится в памяти. Разумный ориентир для регулярной работы с проектами в несколько сотен кадров — 32–64 ГБ оперативной памяти, быстрый SSD и дискретная видеокарта. Ноутбук с интегрированной графикой посчитает тот же проект, но за ночь вместо часа.