Контроль точности ЦМР на практике по результатам ВЛС и АФС

Краткое содержание 

В публикации 2023 года авторы сравнили точность цифровой модели рельефа (ЦМР), построенной по данным воздушного лазерного сканирования (ВЛС) и по данным аэрофотосъемки (АФС). Кейc полезен тем, что результаты проверяли по контрольным измерениям — но важно понимать, в каких условиях это сравнение действительно честное и переносимое на “полевые” проекты.

Задача

Авторы поставили цель построить ЦМР по данным двух технологий (ЦМР полученную различными методами) и оценить точность двумя способами:

1. по контрольным точкам по всей площади (более 40 точек);
2. по высотным пикетам на небольшом контрольном участке (более 60 пикетов).

Рис. 1. Облако точек, раскрашенное по высоте

Условия проекта

В качестве контрольной информации использовались существующие пункты сети и новые высотные пикеты, снятые в октябре 2023 года. При этом прямо указано, что пикеты снимались на открытых участках местности (дороги, бетонные площадки). 

Что это означает для сравнения ВЛС и АФС:

• на открытых участках сравнивать ЦМР по АФС и по ВЛС действительно возможно, потому что “рельеф” доступен для контроля и на снимках, и по лазерным отражениям;
• про зоны густой растительности в части контрольной базы в статье данные отсутствуют: не описано, были ли контрольные точки и пикеты в таких зонах и как именно там проверяли “рельеф”. Это нужно явно фиксировать как ограничение переносимости выводов.

Решение

Комплект ВЛС: Лазерный сканер АГМ-МС1, БВС Геоскан 401 и специализированное программное обеспечение; 

Табл. 1. Основные технические характеристики комплекса для воздушного лазерного сканирования

Рис. 2. Матрица высот, полученная по данным ВЛС (шаг 0,50 м)

Комплект АФС: Фотокамера Sony ZV-E10, БВС Supercam S350F и специализированное программное обеспечение. 

Табл. 2. Основные технические характеристики комплекса для цифровой аэрофотосъемки

Рис. 3. Матрица высот, полученная по данным АФС (шаг 0,11 м)

Ход работ:

1) Подготовка и контрольная сеть

• Обследование на специализированном исследовательском полигоне сети маркированных контрольных точек в количестве 45 точек;
• ГНСС-наблюдения в режиме короткой статики 15–20 мин на 3 пунктах, точность обоснования 2–3 см в плане и по высоте; 
• С пунктов выполнена съемка пикетов тахеометром, плотность 10–15 м на открытых участках; всего определены координаты и высоты 67 точек.

2) Сбор данных

• ВЛС: площадь 1,4 км², высота 140 м, 70 млн. точек; 
• АФС: площадь 1,4 км², высота 150 м, 1226 снимков. 

3) Обработка

Обработка ВЛС: расчет траектории → вывод исходного облака точек → фильтрация изолированных точек → классификация исходного облака точек → классификация точек в класс "земля" → построение матрицы рельефа. 

Результат ВЛС: цифровая матрица рельефа с шагом 0,50 м.

Обработка АФС: расчет траектории → фотограмметрическое уравнивание → построение плотного облака точек → классификация плотного облака → классификация точек в класс "земля" → построение матрицы рельефа. 

Результат АФС:  цифровая матрица рельефа с шагом 0,11 м.

4) Контроль качества

Оценка точности выполнялась в Photomod 7, считались среднеквадратические, средние, максимальные ошибки, отдельно для полной матрицы и контрольного участка. В табл. 4 приведены статистические оценки для полных матриц и для контрольного участка.

Результаты и метрики

Рис. 4. Положение опорных и контрольных точек и оценка ошибок

Табл. 3. Сравнение точности ЦМР, полученных по двум технологиям

Табл. 4. Среднеквадратические ошибки (СКО) по опорным и контрольным точкам после уравнивания

Примечание: сравнение по СКО в табл. 4 — это сравнение итоговых поверхностей на результат которого влияет шаг матрицы (сглаживание) и, как следствие, на статистику ошибок, поэтому корректнее трактовать результаты как: “в этих настройках построения ЦМР и при такой контрольной базе получились такие цифры”, а не как универсальное ранжирование технологий.

Инсайты

1. Кейс фактически про открытые поверхности. Новые высотные пикеты снимались на открытых участках (дороги, бетонные площадки). Это делает сравнение ВЛС и АФС осмысленным именно для такого класса покрытий; 
2. Разные режимы сглаживания рельефа. ВЛС-матрица шаг 0,50 м и АФС-матрица шаг 0,11 м, если задача — честное сопоставление, в идеале фиксировать правила приведения поверхностей к сопоставимому виду;
3. На контрольном участке близкие по точности результаты. По полной матрице при плотном контроле АФС и ВЛС показали близкие СКО: 10 см и 12 см. 

Цитата

По данным табл. 4, АФС в этом эксперименте дала меньшую СКО по “полной матрице” чем ВЛС, а на контрольном участке результаты двух технологий почти совпали. Если ваша задача — рельеф в сложных условиях (в том числе там, где “видимость грунта” на снимках нестабильна), сравнение нужно ставить отдельно: с контрольной базой именно для таких зон и с явно согласованными правилами построения поверхностей.

Материалы

Смирнов Е.А., Дмитриев В.Е., Румянцева А.А., Чибуничев И.А. «Создание и оценка точности ЦМР, построенной по материалам воздушного лазерного сканирования и фотограмметрическим методом», Материалы XVIII Общероссийской научно-практической конференции и выставки «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации», г. Москва, 2023, с. 83–89.