Квадрокоптеры и различные БПЛА постепенно становятся привычными инструментами во многих сферах профессиональной деятельности. Очень сложно переоценить возможности дронов в руках фотографов и видеооператоров, но полностью реализовать потенциал этих устройств можно именно в области промышленности и геодезии. В особенности, если коптер работает под управлением специализированного ПО, а материалы аэросъемки проходят компьютерную обработку и используются для анализа различных данных.

Некоторые компании выпускают программное обеспечение для решения конкретных задач, но есть проекты, подходящие сразу для нескольких сфер деятельности. Одним из таких производителей является швейцарская компания Pix4D, которая с 2011 года разрабатывает различные решения в сфере фотограмметрии. Начиная в качестве ответвления (а точнее — лаборатории компьютерного зрения) крупнейшего политехнического вуза Европы EPFL, сегодня Pix4D стала одной из самых быстроразвивающихся компанией в мире. Опираясь на свой богатый опыт в создании ПО для преобразования мультиспектральных изображений в 3D-модели и трехмерные карты, компания разработала целую линейку программных продуктов, полезных в области строительства и кадастра, земледелия, аэрофотограмметрии и недвижимости.

Как работает

Продукты Pix4D позволяют в автоматическом режиме снимать на камеру квадрокоптера сотни фотографий с разных ракурсов, которые с помощью специального алгоритма обрабатываются и объединяются в одну топографическую карту или 3D-модель. Говоря простым языком, принцип работы программы очень похож на принцип работы человеческого зрения. Наши глаза видят один и тот же объект под разным углом, а мозг, на основе этой разницы, преобразует эти изображения в объемную картинку.

Для начала от пользователя требуется выбрать один из доступных типов управления. Есть возможность выбрать режим свободного полета (Freeflight mission), в котором за движения коптера отвечает оператор, а камера делает новый кадр после изменения положения дрона на заданное значение по горизонтали и вертикали.

В автоматических режимах для построения цифровой модели рельефа (ЦМР) требуется задать в приложении границы снимаемого объекта, высоту полета, угол наклона камеры и другие параметры. Взлет и посадка осуществляются в автоматическом режиме, но пилот должен иметь навыки управления БПЛА, если возникнут непредвиденные трудности или препятствия на пути дрона.



После взлета квадрокоптер в автоматическом режиме пролетает над снимаемой областью, делает необходимое количество кадров. Также программа записывает информацию о каждой фотографии в отдельный EXIF-файл, в котором указываются данные долготы и широты, высота полета и угол наклона камеры. После завершения съемки полученные данные необходимо импортировать в программу Pix4D или отправить в облачное хранилище для обработки. С помощью технологии распознавания образов начнется поиск общих или «связующих» точек на фотографиях: ищутся уникальные похожие сочетания пикселей по цвету и геометрическому расположению на разных фотографиях, в результате чего это совпадение становится ключевой точкой. Чем больше найдено соответствий, тем точнее выстраивается модель. Для построения точки этой модели в пространстве необходимо совпадение минимум на трех фотографиях, но лучше на большем количестве, а это возможно если перекрытие фотографий составляет не менее 60% в поперечном и 75% в продольном направлениях.

Далее происходит вычисление пространственных координат каждой ключевой точки методом триангуляции и извлечения данных из EXIF-файла. У изображения берется центральная область, с которой происходила фотосъемка, и от нее проводится линия зрения до каждой ключевой точки, найденной на снимке. Результат пересечения этих линий и дает искомое значение пространственных координат. Кроме того, для минимизирования суммы квадратов множества ошибок применяется алгоритм Левенберга — Марквардта или метод связок.



На основе всех этих вычислений программа выстраивает расширенное облако точек для генерации снимаемой поверхности, составленной из полигонов или мешей. И последний этап — вычисление размера пикселей и определение соответствия пикселей на фотографии сгенерированному мешу.

По завершению работы программы вы получаете трехмерную модель необходимой вам области. Вы можете изменить масштаб, настроить контраст и яркость, тепловой баланс, импортировать полученные данные в ГИС и САПР программы, измерить объем земляных работ, воспользоваться редактором ортофотоплана для выбора нужного фрагмента из набора снимков, и другими возможностями.

Сферы применения

В программную линейку от Pix4D входят такие продукты, как Pix4Dmapper, Pix4Dfields, Pix4Dmodel, Pix4Dbim, а также бесплатное приложение Pix4Dcapture для построения маршрутов полета коптера.

Потенциал применения программного обеспечения от Pix4D в промышленных сферах огромен. В первую очередь, конечно, ПО используют в геодезии, картографии, аэрофотограмметрии, для построения точных 3D-карт. Для решения задач из этой области подходит Pix4Dmapper. Это инструмент с богатым функционалом. С его помощью можно преобразовать аэрофотоснимки местности в трехмерное изображение. Сам процесс обработки происходит либо на компьютере, либо в облачном хранилище Pix4D, куда необходимо отправить все собранные данные для преобразования. В программе присутствует возможность измерения размеров, площадей и объемов объектов, полученных на 3D-модели. Это помогает проводить инспекции участков дистанционно. Точность съемки составляет от 1 до 2 см/пиксель в плоскостях X и Y, а также от 1 до 3 см/пиксель в плоскости Z (в зависимости от перепада высот снимаемой площади). Также предусмотрена возможность классификации облака точек: необходимые элементы модели и поверхности (земля, асфальт, высокая растительность, здания, объекты, созданные человеком) выделяются цветами для точного анализа и последующей корректировки проекта. С помощью Pix4Dmapper получают ортомозаику высокого разрешения, цифровую модель местности и рельефа, карту изолиний рельефа и отражательной способности, а также карты с температурными значениями.



Представители социокультурной сферы и недвижимости заинтересует другой инструмент под названием Pix4Dmodel. С его помощью производят оцифровку исторических памятников, всемирного наследия ЮНЕСКО, архитектурных сооружений. Полученные модели могут быть использованы как интерактивные объекты в программах для VR-гарнитур или для создания видеороликов полета и последующей публикации на популярных видеохостингах. Доступен экспорт полученной модели в различных популярных форматах (.bj, .fbx, .dxf, .ply) для использования в программах моделирования и 3D-печати.

Для сельскохозяйственной отрасли разработан свой инструмент. Pix4Dfields позволяет рассчитывать и сравнивать спектральные индексы и индексы растительности, строить геозоны и ортомозаики.



Pix4Dbim — мощная программа для строительных компаний. С его помощью пользователь получает полное представление о своем проекте благодаря автоматическому построению топографических и контурных карт местности, двумерной или трехмерной проекций, хронологической шкалы, на которой отображаются все этапы строительных работ. В Pix4Dbim очень легко оценить прогресс строительства: просто экспортируйте изображения CAD-чертежей и сверяйте их с полученными BIM-данными простым наложением.

И, конечно, полученные во всех инструментах данные и модели можно выгрузить в облако Pix4D, оставить комментарий, предписание и поделиться с заказчиком или своей командой.

Ограничения

Есть у продукта от Pix4D небольшие недостатки. Программа распознает любые отражающие поверхности как элемент конструкции и в автоматическом режиме обрабатывает их для создания модели. Такие баги легко устраняются встроенным инструментарием, но для оцифровки морской поверхности или озер Pix4D пока не подходит.

Также в автоматическом режиме есть ограничения по площади аэрофотосъемки за один полет. Чем больше высота (хуже разрешение) и меньше степень перекрытия (меньше ключевых точек и хуже точность воссоздания модели), тем большую территорию можно покрыть за один раз. Например, модель квадрокоптера Phantom 4 Pro при высоте съемки 200 метров (5,5 см/пиксель) и минимальном перекрытии (75% продольное и 60% поперечное) сможет отснять 100 га местности. Это обусловлено временем работы БПЛА от одного аккумулятора. Однако, никто не мешает заменить батарею и продолжить выполнение миссии с того места, где была закончена предыдущая съемка. Современные приложения для планирования маршрута позволяют сделать это. Да и технологии не стоят на месте, и каждая новая модель коптера может продержаться в воздухе все дольше и дольше. Не стоит забывать, что Pix4D регулярно поддерживает и развивает свой продукт, что сказывается на возможностях всей линейки.



Программное обеспечение от Pix4D поддерживает работу с большинством современных дронов, ускоряет и упрощает процесс фотограмметрии, оцифровки и построения 3D-моделей. Промышленным компаниям больше не нужно терпеть убытки, нанимая для инспекций вертолет. Pix4D позволяет провести быструю и точную разведку местности, а также соберет и обработает в автоматическом режиме необходимую для пользователя информацию. Еще несколько лет назад многие предприятия могли только мечтать о подобном. Но благодаря развитию технологий и производства БПЛА возможность создания точных 3D-карт становится доступной даже для небольших фирм.