Подсчет объемов с применением дронов

Достоинства и проблемы применения дронов в аэрогеодезии

С тех пор как аэрогеодезией стало возможно заниматься с помощью дронов, эта технология находит все больше применений в промышленных приложениях. Одним из востребованных направлений стал подсчет объемов проводимый с применением квадрокоптеров и небольших дистанционно пилотируемых самолетов. Дроны позволяют вычислять объемы точнее наземных геодезистов, так как работают по всей оптической поверхности измеряемого объема, в то время как геодезисты снимают несколько десятков точек для построения приблизительной поверхности исследуемого объекта. Скорость получения данных аэрогеодезическим способом тоже выше, особенно на больших и труднодоступных объектах. Получение конечных данных по объемам в фотограмметрических программных комбайнах Agisoft Metashape (Photoscan) или Pix4d так же не требует много времени. Вычисление объемов выполняется прямо внутри этих программ, без необходимости привлечения постороннего софта. Так что в целом все быстро точно и просто. Это в теории.

Аэрогеодезия с применением дронов

На практике дела обстоят не совсем так. Если измеряемые объекты находились на сложном по форме рельефе, при измерении объемов по полигональным моделям мы периодически получали не точные результаты. Наши цифры по объемам расходились с контрольными данными геодезистов. Более того, наши результаты могли раз от раза значительно отличаться, в зависимости от контура выделения части общей модели для расчета, чего теоретически не должно быть. Для того чтобы разобраться в происходящем, мы проанализировали алгоритм вычисления объемов в программе Metashape. Вычисление объемов происходит между полученной из наших данных поверхностью сравнения, и виртуальной базовой поверхностью. Откуда берется виртуальная базовая поверхность? В Agisoft Metashape базовая поверхность строится автоматически. Она возникает в процессе 100%-го заполнения отверстий в полигональной модели. Базовая поверхность образуется между краями открытой книзу поверхности сравнения. Если измеряемый объем находится на ровной поверхности с минимальными уклонами, ее края лежат практически в одной плоскости, и базовая поверхность получается в виде ровного дна измеряемого объема. В этом случае мы получаем истинные значения объема, находящегося между ровной базовой поверхностью и нашей поверхностью сравнения.

Поверхность сравнения с плоским контуром
Поверхность сравнения с краями лежащими в одной плоскости полученная с помощью съемки с дрона

Плоская виртуальная базовая поверхность
Автоматически построенная плоская виртуальная базовая поверхность

Когда нам приходится иметь дело с измеряемыми объектами сложной формы, или объектами находящимися на наклонном основании, автоматически построенная базовая поверхность может иметь вместо плоской, сложную вогнутую форму. В этом случае значения измеряемых объемов будут не верны. К сожалению, регулировать процесс построения базовой плоскости в программе Agisoft Metashape мы не можем. При сложном контуре полигональной модели получается непредсказуемая по форме базовая плоскость, что приводит к грубым ошибкам в вычислении объемов.

Поверхность сравнения полученная с помощью съемки с дрона
Поверхность сравнения с краями лежащими в разных плоскостях

Виртуальная базовая поверхность
Автоматически построенная вогнутая виртуальная базовая поверхность

Одна из возможных альтернатив, это измерение объемов внутри Agisoft Metashape не на основе полигональной модели, а на основе карты высот. При измерении объемов по карте высот, после ее построения, мы выделяем контур измеряемого объекта. За тем измерение происходит относительно заданного в метрах уровня высот, среднему уровню высот между точками контура или по аппроксимирующей плоскости. По сути дела, мы имеем дело так же с виртуальной базовой поверхностью, но теперь она абсолютно плоская, является нормалью к поверхности земли, и мы можем точно задать её высоту. Этот способ измерения объемов избавляет от грубых ошибок, по типу автоматически построенной вогнутой поверхности. Карта высот просчитывается быстрее чем полигональная модель, и с ней проще работать.  Еще одно достоинство этого метода — возможность расчета объемов между двумя полученными в разное время картами высот. К сожалению, если площадь основания измеряемого объема велика, и основание имеет большой угол относительно горизонта, ошибка измерения и здесь может быть весьма значительной.

Подсчет объемов с помощью дронов на основе карты высот
Подсчет объемов в Agisoft Photoscan на основе карты высот

Другая альтернатива состоит в привлечении дополнительного программного обеспечения, позволяющего вычислять объемы с такой базовой плоскостью, созданием которой можно управлять. Мы успешно пользуемся программой Autocad Civil3D. В Civil3D в нашем распоряжении есть возможность построения базовой плоскости по данным инструментальной геодезической съемки. Кроме того, есть возможность построения базовой поверхности по точкам получаемым из контура основания полигональной модели, с возможностью редактирования как точек контура так и получившейся поверхности. На третьем рисунке ниже, мы видим результат подсчета объема между базовой поверхностью (красные линии) и построенной нами поверхностью сравнения (голубые линии), полученную на основе облака точек импортированного из Agisoft Metashape, которое, в свою очередь, получено по результатам аэрофотосъемки с дрона.

Civil 3D поверхность сравнения
 Поверхность сравнения полученная в Civil 3D из облака точек Agisoft Photoscan
Civil 3D базовая поверхность
Базовая поверхность построенная в Civil 3D из контура поверхности сравнения
Результат подсчета объема в Civil 3D
Результат вычисления объема между поверхностью сравнения и базовой поверхностью в Civil 3D

Таким образом, мы по прежнему можем производить расчеты объемов внутри программного комплекса Agisoft Metashape используя карты высот. В сочетании с возможностью расчетов объемов насыпи и выемки между двумя картами высот снятыми в разное время, мы можем проводить оперативный контроль ведения земляных работ, проведя перед их началом аэрофотосъемку для построения начальной карты высот. Однако, в случае если стоит задача подсчета объемов между поверхностью полученной на базе данных инструментальной съемки и поверхностью на базе данных аэросъемки, мы рекомендуем использовать дополнительное программное обеспечение типа Autocad Civil3D.