Влияние внешних условий на точность БПЛА‑съёмки в геодезии

Популярность БПЛА в геодезии объясняется их оперативностью и детальностью [1]. Однако практика показывает, что данные, полученные в реальных полевых условиях, не всегда соответствуют расчётным точностным характеристикам. Производители дронов обычно указывают погрешности в идеальных условиях (штиль, пасмурная равномерная освещённость, однородная подстилающая поверхность). В реальности геодезисту приходится работать при переменной облачности, порывистом ветре, различной высоте солнца [2, с. 43-51].

Полигон и оборудование

Использован полигон площадью 12 га в окрестностях Красноярска (открытая степь с отдельными группами деревьев и малым водным зеркалом – прудом 0,3 га). Рельеф спокойный, перепады высот до 8 м. Применялся квадрокоптер DJI Phantom 4 RTK (калиброванная камера, 20 Мп). Высота съёмки 80 м (GSD=2,2 см), перекрытие 80/70%. На местности заложено 8 постоянных контрольных знаков с GNSS-координатами (погрешность 1,5 см).

Программа экспериментов

Выполнено 14 вылетов при следующих варьируемых параметрах:

• Скорость ветра: 0–2 м/с (штиль), 4–6 м/с (умеренный), 8–10 м/с (сильный) – по 3 вылета в каждом диапазоне.
• Условия освещённости: яркое солнце (высота >45°), низкое солнце (15–25°), равномерная облачность – по 2 вылета.
• Сезонная растительность: листва отсутствует (апрель), полная листва (июль) – по 2 вылета.
• Наличие бликов: съёмка над прудом включена/исключена – 2 вылета.

Всего получено 14 ортофотопланов и 14 цифровых моделей рельефа. Оценка точности – по 8 контрольным точкам с вычислением СКО отдельно для плановых и высотных координат.

Результаты и анализ погрешностей

При штиле (0–2 м/с) СКО плановое составило 2,3 см, высотное – 3,1 см. При умеренном ветре (4–6 м/с) ошибки выросли до 4,1 см и 5,8 см соответственно. При сильном ветре (8–10 м/с, который формально разрешён для Phantom 4 RTK) СКО плановое достигло 7,6 см, высотное – 11,2 см. Причина – вибрации дрона и сдвиг снимков даже при работе затвора с короткой выдержкой [3, с. 67-74]. Также ветер вызывает смещение лёгких объектов (крон деревьев), что создаёт ложные «двойные контуры» в облаке точек.

Рекомендация: при ветре свыше 7 м/с съёмку не производить; при ветре 5–7 м/с увеличивать продольное перекрытие до 85% и использовать более короткую выдержку (если позволяет освещённость).

Влияние условий освещённости

Таблица

Влияние освещённости на точность (при ветре 2–4 м/с)

Низкое солнце вызвало появление длинных теней, из-за которых алгоритм выравнивания снимков ошибался в идентификации одних и тех же точек на соседних кадрах (тень «ползла» по поверхности). Это увеличило высотную ошибку почти вдвое по сравнению с облачной погодой [4, с. 106-114]. Яркое солнце даёт контрастные снимки, но создаёт блики на блестящих поверхностях.

Влияние растительности

Сравнение съёмок одного и того же участка в апреле (без листвы) и июле (полная листва) показало:

• Для открытой местности (луг) разница несущественна: высотная ошибка 3,6 см и 4,2 см соответственно.
• Для участков с кронами деревьев высотная ошибка на июльской съёмке возросла с 5,1 см до 13,7 см. Причина – фотограмметрия «видит» верхушки крон, а не истинную поверхность земли. Даже с фильтрацией облака точек ошибка остаётся значительной [5, с. 28-35].

Влияние водных поверхностей

Над прудом (участок 50×60 м) плановая ошибка составила 8,2 см, высотная – 15,4 см против 2,9 и 3,8 см на суше. Вода не даёт стабильных текстурных точек, алгоритм выравнивания генерирует шумовые «плавающие» точки. Фотограмметрия неприменима для точного моделирования водной поверхности [6, с. 34-41].

На основе проведённого анализа предложены следующие практические приёмы:

• Избегать съёмки в период с 11 до 14 часов при ярком солнце (блики и пересветы) и в первые часы после восхода/перед закатом (длинные тени). Оптимальное окно – 9–11 утра или 14–16 часов по местному времени, при высоте солнца 30–50° [7, с. 42-49].
• Поляризационный фильтр (CPL) снижает блики от листвы и воды, улучшает контраст. Нейтрально-серый фильтр (ND) позволяет использовать более короткую выдержку при ярком свете, уменьшая смаз.
• Современные алгоритмы фильтрации (например, «постепенная морфологическая фильтрация» в ПО CloudCompare) позволяют удалить до 80% «шумовых» точек, вызванных движением листвы и ветром [8, с. 89-99]. Однако ручная проверка остаётся обязательной для ответственных участков.
• При съёмке в неблагоприятных условиях (сильный ветер, низкое солнце) рекомендуется закладывать увеличенное количество опорных точек – не менее 1 на 2 га вместо типовой 1 на 10–15 га [9].
• Не учёт описанных погрешностей может привести к браку работ и повторным выездам. Стоимость одного повторного вылета (включая обработку) составляет около 15–20 тыс. руб. для площадки 50 га. Применение фильтров, грамотное планирование и обучение оператора снижают риск брака с 25% до 5% [10, с. 22-28].
• Эксперименты проводились на одном типе дрона и в одном климатическом регионе (умеренный пояс). В горной местности или при высокой влажности воздуха характер погрешностей может измениться. Также не исследовались мультиспектральные съёмки и лидарные системы – они требуют отдельного анализа.

Проведённые эксперименты показывают, что реальная точность БПЛА-съёмки в геодезии сильно зависит от внешних условий, которые часто игнорируются в инструкциях. Ветер 8–10 м/с увеличивает ошибки более чем в 2 раза по сравнению со штилем; низкое солнце (длинные тени) – в 2,5 раза по высоте. Листва деревьев делает фотограмметрическую ЦМР практически непригодной для инженерных задач (ошибка >13 см). Водные поверхности принципиально не поддаются фотограмметрическому моделированию с приемлемой точностью.

Рекомендуется:

1. Не выполнять съёмку при ветре >7 м/с;
2. Избегать периодов с высотой солнца менее 30°;
3. Для лесённых и обводнённых участков использовать альтернативные методы (лидар, наземная съёмка);
4. Применять поляризационные фильтры и адаптивные алгоритмы постобработки.
5. Соблюдение этих правил позволит реализовать потенциал БПЛА-технологий на практике, обеспечивая точность, соответствующую нормативным требованиям для топографических планов масштабов 1:500–1:2000.