Перекрытие снимков (продольное и поперечное)
Синонимы: продольное перекрытие, поперечное перекрытие, overlap, forward overlap, side overlap
Доля площади кадра, которая повторно попадает в соседние снимки залёта: продольное считают внутри маршрута, поперечное — между маршрутами. Без перекрытия фотограмметрический блок не собирается.
Перекрытие снимков — доля площади кадра, которая повторно попадает в соседние кадры того же залёта. Продольное перекрытие считают между снимками одного маршрута, поперечное — между соседними маршрутами. Без него фотограмметрическая программа не найдёт связующие точки и не соберёт блок. Для съёмки с беспилотника ГОСТ Р 59328—2021 требует задавать перекрытия не менее чем на 7 % больше базовых табличных значений.
Продольное и поперечное: что между чем считают
Перекрытие задают в процентах от площади кадра. Продольное (forward overlap) — между соседними снимками внутри одного маршрута. Оно определяет базис фотографирования, то есть расстояние между двумя соседними точками съёмки: B = L × (1 − p), где L — размер кадра на земле вдоль маршрута, p — перекрытие в долях. При кадре 100 метров и перекрытии 80 % базис равен 20 метрам. Поперечное (side overlap) — между снимками соседних маршрутов; из него планировщик считает шаг сетки галсов.
Смысл перекрытия не в подстраховке, а в измерительной геометрии. Чтобы точка местности получила трёхмерные координаты, она должна попасть минимум на два снимка с разных точек съёмки, а на практике целятся в три-четыре и больше. Программа ищет на соседних кадрах одинаковые фрагменты — связующие точки, по ним восстанавливает взаимное положение камер, и уже из этого вырастают плотное облако точек, ортофотоплан и цифровая модель рельефа. Кадр, у которого нет общей зоны с соседями, в расчёт не входит вовсе: он просто лежит в папке.
Оба числа задаются один раз, в полётном задании, и дальше превращаются в физику полёта: продольное — в интервал между спусками затвора, поперечное — в расстояние между осями маршрутов. Поэтому съёмка с перекрытием «по умолчанию» и съёмка с посчитанным перекрытием на площадке выглядят одинаково, а расходятся на камеральной обработке, когда переснять уже нельзя.
Нормы: что требует ГОСТ и что советуют программы обработки
Отраслевая норма в России — ГОСТ Р 59328—2021 «Аэрофотосъёмка топографическая. Технические требования», приложение Б (обязательное). Номинальные перекрытия там выбирают не по типу камеры, а по перепаду высот на участке относительно высоты фотографирования.
| Тип местности | Продольное, с гироплатформой / без неё | Поперечное, с гироплатформой / без неё | БВС без аэрофотоустановки, не менее |
|---|---|---|---|
| Равнинная, перепад высот до 7 % высоты полёта | 61 % / 63 % | 30 % / 32 % | 70 % и 39 % |
| Всхолмлённая, до 15 % | 64 % / 67 % | 33 % / 35 % | 74 % и 42 % |
| Горная, до 25 % | 68 % / 72 % | 37 % / 40 % | 79 % и 47 % |
Пункт 6.2.5 формулирует это прямо: при проектировании съёмки с беспилотного воздушного судна и отсутствии аэрофотоустановки номинальные значения перекрытий задаются не менее чем на 7 % больше значений таблицы Б.1 и на 3 % больше значений таблицы Б.2 (застроенные территории, стереотопографическая съёмка). Причина простая: лёгкий аппарат без гироплатформы держит кадр хуже, у него гуляют углы наклона и курс.
Разработчики фотограмметрических программ идут заметно выше этих цифр, и их рекомендации — не нормы, а условие сходимости алгоритма:
- Agisoft Metashape: не ниже 80 % продольного и 60 % поперечного, ниже этих значений хорошее качество результата не гарантируется;
- Pix4D: от 75 % продольного и 60 % поперечного для обычной местности, от 80 % по обеим осям для однотонных полей, от 85 % для леса и густой растительности, от 90 % для тепловизионной съёмки;
- для маршрутных и коридорных объектов оба источника допускают перекрытия выше табличных — ГОСТ это разрешает отдельной оговоркой в том же пункте 6.2.5.
Разрыв между стандартом и софтом объясним. ГОСТ написан под калиброванную аэрофотокамеру с известными параметрами внутреннего ориентирования, а массовый дрон несёт бытовую камеру, калибровку которой программа вычисляет сама по тем же снимкам. Чем выше избыточность, тем устойчивее это самоопределение — отсюда и 80 % там, где норме хватает 63 %.
Проектное перекрытие и фактическое: где теряются проценты
Числа в задании — это проект. Фактическое перекрытие всегда другое, и стандарт это признаёт, задавая допуски. Для равнинной местности отклонение продольного перекрытия от номинала допускается от −5 % до +5 % с гироплатформой и от −7 % до +6 % без неё, поперечного — от −10 % до +9 % и от −12 % до +10 % соответственно (таблица Г.2). Для съёмки с БВС положительные отклонения разрешено превышать ещё на 7 %: отснять лишнее не грех, недоснять — брак.
Откуда берётся разброс. Боковой ветер разворачивает аппарат, и кадры перестают быть параллельными линии маршрута — это «ёлочка», её ГОСТ ограничивает 7 градусами с аэрофотоустановкой и 14 градусами без неё. Непрямолинейность маршрута не должна превышать 3 % ширины полосы захвата, крен беспилотника на заходе — 35 градусов. Каждый градус отъедает часть общей зоны: перекрытие считается по площади, а повёрнутый кадр накрывает соседний меньшей площадью, чем параллельный. Исправный подвес и соблюдение ветрового ограничения из руководства на аппарат — это тоже про перекрытие, а не только про резкость.
Второй источник потерь — рельеф и высокие объекты. Перекрытие проектируют на средней плоскости участка. Над холмом дрон идёт ближе к земле, кадр на земле выходит меньше, а базис остаётся прежним — фактическое перекрытие падает. То же самое на крыше: для здания высотой h эффективное продольное перекрытие равно 1 − (1 − p) × Нф / (Нф − h). При высоте полёта 100 метров, заданных 80 % и здании 25 метров на крыше остаётся около 73 %. Поэтому таблица Б.2 ГОСТа и поднимает перекрытия по мере роста этажности: от 74 % и 57 % при зданиях до 5 % высоты полёта до 80 % и 68 % при 25 %.
Сколько стоит лишнее перекрытие
Число кадров на фиксированную площадь обратно пропорционально произведению (1 − p продольного) × (1 − p поперечного). Переход с 70/50 на 80/60 меняет множитель с 0,15 на 0,08: снимков становится примерно в 1,9 раза больше, и во столько же раз растут полётное время, число замен батарей и объём камеральной обработки.
Продольное перекрытие упирается ещё и в технику. Интервал между кадрами равен базису, делённому на путевую скорость: при кадре 100 метров, перекрытии 90 % и скорости 8 м/с затвор должен срабатывать каждые 1,25 секунды. Если камера так часто снимать не умеет, планировщик снижает скорость — и полётное время растёт второй раз, уже не из-за числа кадров.
Поперечное перекрытие в пересчёте на площадь дороже продольного: оно умножает число маршрутов, а каждый маршрут добавляет разворот, на котором аппарат не снимает. К этому прибавляется требование выходить за границу участка: при номинальном продольном перекрытии до 72 % маршруты продлевают на один базис, при 73–79 % — на два, свыше 80 % — на четыре базиса.
- полётное время и число вылетов на ту же площадь;
- объём данных — блок из полутора тысяч 20-мегапиксельных кадров занимает ориентировочно 10–15 ГБ, без промежуточных файлов обработки;
- время уравнивания и построения плотного облака: оно растёт быстрее, чем линейно по числу снимков;
- риск растянуть съёмку на всю смену, после чего тени на первых и последних маршрутах разойдутся и ортофотоплан выйдет пятнистым.
Почему больше не всегда точнее
У перекрытия есть встречное свойство. Чем оно выше, тем короче базис, а точность по высоте в стереопаре обратно пропорциональна отношению базиса к высоте полёта. При 60 % продольного перекрытия базис равен 40 % размера кадра, при 90 % — всего 10 %: угол засечки схлопывается вчетверо, и погрешность по высоте, посчитанная по одной паре, во столько же раз растёт.
На практике это компенсируется избыточностью: точка, попавшая на восемь кадров, уравнивается лучше, чем точка с двух, — поэтому современная съёмка и живёт на высоких перекрытиях. Но выигрыш насыщается. Рост с 60 до 80 % даёт заметное улучшение, рост с 85 до 92 % — в основном лишние гигабайты и лишний час полёта. Когда точности по высоте не хватает, выгоднее менять геометрию, а не докручивать проценты: добавить кросс-маршруты поперёк основных или наклонные кадры.
Отдельный случай — самолётные комплексы вроде Геоскана 201. Они идут быстрее мультикоптера, и высокое продольное перекрытие у них упирается в минимальный интервал съёмки камеры раньше, чем в запас энергии; поперечное же обходится дешевле, потому что длинный галс выгоднее, чем частые развороты.
Что делает с перекрытием оператор
Базовые ориентиры по типам поверхности разобраны в термине аэрофотосъёмка; здесь — то, что оператор делает с этим параметром на объекте.
- Включает следование рельефу, если перепад высот на участке превышает 7 % высоты полёта: иначе фактическое перекрытие разойдётся с проектным по всей площади, а не в одной точке.
- Проверяет, что маршруты выходят за границу участка на один-четыре базиса в зависимости от продольного перекрытия: край блока всегда слабее середины.
- Над водой, снегом и однотонным полем поднимает перекрытие: связующим точкам там не за что зацепиться, и дыра в блоке появляется при формально правильных настройках.
- Не разрывает участок на два дня без нужды: при заметной разнице освещения между смежными участками поперечное перекрытие должно быть не менее 70 % либо крайний маршрут повторяют.
- Смотрит схему покрытия и лог центров фотографирования до отъезда с объекта.
- Закладывает батареи под выбранное перекрытие, а не перекрытие под оставшиеся батареи.
Перекрытие — редкий параметр, ошибка в котором не видна ни в поле, ни на превью: кадры красивые, а блок не сходится. Разбирать такие вещи на живых полётах и на реальных полётных заданиях учат в кадровом центре «Единство»: базовый курс оператора БПЛА идёт от двух недель и для курсанта бесплатный.
Частые вопросы
Чем продольное перекрытие отличается от поперечного?
Направлением и ценой. Продольное перекрытие — между соседними кадрами внутри одного маршрута; планировщик пересчитывает его в интервал между спусками затвора. Поперечное — между кадрами соседних маршрутов; из него считается расстояние между осями галсов. Продольное всегда задают выше поперечного: вдоль маршрута кадры идут часто и стоят дёшево, а каждый лишний галс добавляет разворот, на котором аппарат летит, но не снимает.
Роли тоже разные. Продольное перекрытие строит стереопары вдоль полосы съёмки и держит непрерывность блока; поперечное сшивает соседние полосы между собой и защищает от бокового сноса. Если недобрано продольное, блок рвётся на куски вдоль маршрута; если поперечное — маршруты не связываются между собой, и модель расползается на параллельные ленты. В ГОСТ Р 59328—2021 разрыв между ними виден прямо в таблице: для равнинной местности 61 % продольного против 30 % поперечного, для горной — 68 % против 37 %.
Что будет, если перекрытия не хватило, и можно ли спасти материал обработкой?
Программа не соберёт единый блок. Типовая картина: снимки разбиваются на несколько несвязанных групп, между ними появляется разрыв, либо блок формально собирается, но в зоне нехватки видна ступенька, размытая полоса или провал в модели рельефа. Отдельный неприятный вариант — блок сходится, ошибка уравнивания выглядит приличной, а координаты в проблемной зоне уехали на метры, и заметно это только по контрольным точкам.
Спасти частично можно: расставить связующие точки вручную, понизить требования к плотности облака, вырезать дефектный фрагмент из результата и сдать меньшую площадь. Геометрию это не восстанавливает — недостающих ракурсов в данных просто нет. Рабочий выход один: досъёмка. ГОСТ формулирует её как требование — пропуски, возникшие в процессе аэрофотосъёмки, обеспечиваются снимками той же съёмочной системы в ближайшие съёмочные дни. Ближайшие, потому что освещение и состояние местности должны совпасть с основным залётом.
Почему 90 % перекрытия не всегда лучше, чем 80 %?
Потому что высокое перекрытие укорачивает базис. Точность по высоте в стереопаре обратно пропорциональна отношению базиса к высоте полёта: при 60 % продольного перекрытия базис равен 40 % размера кадра на земле, при 80 % — 20 %, при 90 % — 10 %. Угол засечки при этом схлопывается, и по одной паре высота считается тем хуже, чем плотнее вы сняли. Избыточность частично это компенсирует — точка, попавшая на восемь кадров, уравнивается устойчивее, — но выигрыш насыщается, и после примерно 85 % добавка процентов даёт в основном лишние гигабайты, лишнее полётное время и лишние часы обработки.
Есть случаи, где 90 % оправданы: тепловизионная съёмка, где контраст низкий и связующих точек мало; лес и густая растительность, где крона шевелится между кадрами; коридорные объекты, снимаемые одним-двумя маршрутами; полёты на малой высоте, где кадр маленький. Для обычного ортофотоплана открытой местности разумнее остановиться на 80 % и потратить сэкономленное время на наземные опорные точки — они дают точность, которой перекрытием не добрать.
Как перекрытие связано с числом снимков и временем полёта?
Напрямую и нелинейно. Число кадров на фиксированную площадь обратно пропорционально произведению (1 − p продольного) × (1 − p поперечного). Переход с 70/50 на 80/60 меняет множитель с 0,15 на 0,08, то есть снимков становится примерно в 1,9 раза больше. Переход с 80/60 на 90/70 меняет его с 0,08 на 0,03 — рост ещё в 2,7 раза. Вместе с числом кадров растут полётное время, количество замен батарей, объём данных и время камеральной обработки, причём последнее увеличивается быстрее, чем линейно.
Второй механизм — интервал съёмки. Он равен базису, делённому на путевую скорость: при кадре 100 метров вдоль маршрута, перекрытии 90 % и скорости 8 м/с затвор обязан срабатывать каждые 1,25 секунды. Если камера не тянет такой темп, планировщик снижает скорость — и полётное время растёт второй раз. Плюс требование продлевать маршруты за границу участка: до 72 % продольного перекрытия хватает одного базиса, при 73–79 % нужно два, свыше 80 % — четыре.
Почему над лесом, снегом и водой перекрытие поднимают?
Связующие точки ищутся по текстуре изображения. Алгоритм находит на соседних кадрах одинаковые выразительные фрагменты и по ним восстанавливает положение камер. Ровный снег, однотонное поле, свежая пашня и особенно вода дают мало таких фрагментов: зеркальная поверхность вдобавок меняет вид при смене ракурса, и то, что алгоритм принимает за одну и ту же точку, физически ею не является. ГОСТ Р 59328—2021 прямо велит учитывать наличие на участке водоёмов и иных поверхностей, где поиск и измерение связующих точек затруднены или невозможны, уже при выборе направления маршрутов.
Лес — отдельная история: кроны шевелятся ветром, и между двумя кадрами одна и та же ветка успевает сместиться. Pix4D рекомендует для леса и густой растительности от 85 % по обеим осям, Agisoft — не снимать лесные массивы с малой высоты, потому что на низком полёте движение крон становится соизмеримо с размером кадра. Практический вывод: на однотонных и подвижных поверхностях перекрытие поднимают на 5–10 процентных пунктов против обычного и по возможности подбирают время суток с косым светом, дающим рельефные тени.
Надо ли увеличивать перекрытие над зданиями и как посчитать эффективное?
Надо, и стандарт это формализует. Перекрытие проектируется на средней плоскости участка, а крыша ближе к камере, чем земля: кадр на её уровне меньше, базис прежний, значит перекрытие на крыше меньше заданного. Считается оно так: эффективное продольное перекрытие = 1 − (1 − p) × Нф / (Нф − h), где Нф — высота фотографирования, h — высота здания. При полёте на 100 метрах с заданными 80 % на крыше 25-метрового дома остаётся около 73 %, на 40-метровом — около 67 %.
Таблица Б.2 ГОСТ Р 59328—2021 отвечает на это ступенчатым ростом норм: при зданиях до 5 % высоты полёта — 74 % продольного и 57 % поперечного, при 10 % — 75 и 60, при 15 % — 77 и 62, при 20 % — 79 и 65, при 25 % — 80 и 68. Для беспилотника без аэрофотоустановки к этим значениям добавляют не менее 3 %. Отдельно учтите, что вертикальные стены плановая съёмка не видит в принципе: там, где нужны фасады, к плановым галсам добавляют наклонные кадры или облёт по кругу, и это дешевле, чем доводить продольное перекрытие до 95 %.
Чем требования ГОСТа отличаются от рекомендаций Metashape и Pix4D?
Предметом. ГОСТ Р 59328—2021 регулирует топографическую аэрофотосъёмку как работу, сдаваемую заказчику: у него есть номинальные перекрытия по приложению Б, допуски на фактические отклонения по приложению Г, паспорт аэрофотосъёмки и процедура приёмки материалов техническим контролем. Это минимум, ниже которого материал бракуется, и он рассчитан на калиброванную аэрофотокамеру. Рекомендации разработчиков программ — про другое: при каких значениях алгоритм уверенно сходится на снимках бытовой камеры, у которой параметры внутреннего ориентирования вычисляются по самим же кадрам.
Отсюда и разрыв цифр: 61–72 % продольного по таблице Б.1 против 80 % у Metashape и 75 % у Pix4D. Противоречия здесь нет — стандарт задаёт нижнюю границу и сам разрешает превышать её, а для съёмки с БВС без аэрофотоустановки прямо требует прибавки 7 % к таблице Б.1 и 3 % к таблице Б.2. Практическое правило: если работа идёт по договору на топографо-геодезические работы, смотрите техническое задание и ГОСТ; если нужна просто корректная 3D-модель объекта, ориентируйтесь на рекомендации того софта, в котором будете считать.
Как проверить фактическое перекрытие, не улетая с объекта?
Тремя способами, и все они укладываются в десять минут после посадки. Первый — схема покрытия: полётное приложение строит её по логу центров фотографирования, и на ней видно и границы каждого кадра, и дыры в блоке. Такая схема вообще-то обязательна в комплекте сдаваемых материалов, поэтому строить её всё равно придётся, вопрос только в том, увидите вы её на объекте или дома. Второй — лог точек съёмки: расстояние между соседними точками и есть фактический базис, сравните его с расчётным, и сразу станет ясно, где попутный ветер разогнал аппарат и растянул интервал.
Третий способ — быстрый прогон в фотограмметрической программе на самых низких настройках выравнивания, прямо в машине. Он занимает единицы минут на тысячу кадров и отвечает на главный вопрос: собрался блок целиком или распался на группы. Смотреть надо не на красоту предварительной модели, а на число камер, вошедших в блок, и на карту числа перекрывающихся снимков — зоны, где их меньше трёх, при обработке превратятся в провалы. Пока бригада на объекте, любая из этих находок лечится одним дополнительным маршрутом.