Выбор цифровых фотокамер для аэрофотосъемки с БПЛА

Проведение работ по инвентаризации земель и объектов недвижимости, подготовка документов для постановки на государственный кадастровый учет и государственная регистрация прав подразумевают выполнение комплекса картографо-геодезических, землеустроительных и кадастровых работ. Для поддержания информации на современном уровне необходим системный мониторинг. Одним из видов работ по сбору информации является аэрофотосъемка (освоенных, интенсивно используемых) земель для создания картографического материала в крупных и средних масштабах. Для локального обновления картографического материала интенсивно используемых земель в ряде случаев целесообразно использовать беспилотно-пилотируемые летательные аппараты (БПЛА). Появление недорогих в использовании малых летательных аппаратов и компактных цифровых фотокамер делает рентабельным этот вид аэрофотосъемки.

Несмотря на всю простоту любительской съемки с БПЛА, при проведении аэрофотосъемочных работ для целей картографирования возникают проблемы, связанные с выбором фотокамеры, устанавливаемой на летательный аппарат.

Качество изображения при аэрофотосъемке в первую очередь характеризуется разрешающей способностью снимка, величиной одного пикселя снимка на местности. В технических характеристиках современных цифровых фотоаппаратов дается величина фокусного расстояния, эквивалентная размеру кадра 35 мм, и количество эффективных пикселей матрицы. Расчет разрешающей способности снимка следует производить для пикселей наиболее удаленных от центра кадра. Схема связи размера крайнего пикселя снимка с местностью показана на рисунке 1.

f - фокусное расстояние камеры в эквиваленте для 35 мм кадра
L - длина половины диагонали матрицы, для 35 мм кадра она составит 21,6 мм
H - высота фотографирования во время АФС
D - длина половины диагонали снимка на местности

Из рисунка 1 видно, что при одном и том же значении L, выраженном в пикселях, увеличение значения фокусного расстояния приведет к уменьшению угла захвата камеры, а разрешающая способность снимка возрастет, т. е. на один пиксель снимка будет приходиться меньшее значение длины на местности.

Важным параметром камеры является физический размер матрицы. Физический размер матрицы и размер каждого пикселя в отдельности значительно влияют на количество шумов. Чем больше физический размер матрицы, тем больше ее площадь и тем больше света на нее попадает, в результате чего полезный сигнал матрицы будет сильнее и соотношение сигнал/шум будет лучше. При большом размере каждого отдельного пикселя слой изоляции, отделяющий пиксели друг от друга, толще и меньше зарядов ее пробивает, а соответственно шумов меньше. Матрица маленького размера из-за небольшого количества, попадающего на нее света, имеет слабый полезный сигнал, в результате его приходится усиливать, а вместе с полезным сигналом усиливаются и шумы, которые становятся более заметными.

БПЛА делятся на классы в зависимости от их массы и размера. В Западно-Сибирском филиале ФГУП «Госземкадастрсъемка» - ВИСХАГИ разработано несколько летательных аппаратов, и все они попадают в категорию до 3,5 кг. Летательные аппараты такой весовой категории не в состоянии поднять крупногабаритное профессиональное фотооборудование, следовательно, важным параметром фотоаппарата является его вес.

Программа по созданию аэрофотосъемочного комплекса на базе БПЛА направлена на сокращение затрат на аэрофотосъемку, таким образом еще одним из критериев становится стоимость камеры.

Из общедоступной информации о параметрах камер можно выяснить величину фокусного расстояния в эквиваленте 35 мм пленки, физический размер матрицы, число эффективных пикселей матрицы и цену камеры. Для того чтобы выбрать оптимально подходящий цифровой фотоаппарат для АФС с БПЛА, нами были отобраны несколько камер модельного ряда 2008-2009 годов выпуска, ценовой категории от 7 до 25 тысяч рублей. Выбранные камеры с их основными характеристиками представлены в таблице 1.


Для расчета разрешающей способности камер представленных в таблице 1 вычислим половину длины диагонали, выраженной в пикселях, каждой матрицы:

; (1)

а - длина матрицы в пикселях;
b - ширина матрицы в пикселях.

Согласно рисунку 1 вычислим углы α, β, и α':

; (2)

; (3)

; (4)

; (5)

По формуле 5 вычислим размер одного пикселя на местности, наиболее удаленного от центра снимка:

Расчет разрешающей способности выбранных камер представлен в таблице 2, высота фотографирования для всех камер была взята одинаковой - 350 метров.


По полученным значениям разрешающей способности d, для всех камер были выставлены баллы из расчета 1 балл на каждое уменьшение от 0.250 м на 0.005 м. Разрешающая способность отражает совокупное влияние нескольких факторов. Такие критерии, как угол захвата местности, физический размер матрицы, вес камеры и ее стоимость имеют несколько меньшее значение по сравнению с разрешающей способностью. Все критерии, кроме разрешающей способности, было решено оценить по пятибалльной шкале. Результаты оценки фотокамер приведены в таблице 3. Камеры в таблице 3 отсортированы по убыванию суммы баллов.

По результатам таблицы 3 видно, что из выбранных нами фотоаппаратов наилучшим образом для целей АФС подойдут камеры Canon IXUS-980IS, Pentax Optio-A30 и Sony DSC-W300, рисунки 2а, 2б и 2в - соответственно.

В настоящее время на беспилотных летательных аппаратах Западно-Сибирского филиала ФГУП «Госземкадастрсъемка» - ВИСХАГИ установлена фотокамера Pentax Optio-A30. Камера хорошо показала себя во время производственной и экспериментальной аэрофотосъемки. Постоянно развивающаяся технология аэрофотосъемки с БПЛА требует приобретения новых фотокамер, на данный момент камера Pentax Optio-A30 снята с производства, для выбора нового фотоаппарата было проведено данное исследование. Следует заметить, что выбранные нами камеры оптимально подходят аэрофотосъемочным комплексам с БПЛА, имеющимся на нашем предприятии. При изменении конфигурации комплексов, а так же для других летательных аппаратов оценку камер следует пересмотреть.