Применение беспилотных летательных аппаратов в условиях Крайнего Севера

Использование современного оборудования, в частности беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), для создания топографического плана местности позволяет за минимальное время выполнить съемку и последующую камеральную обработку материалов, что в свою очередь существенно повышает производительность работ. Одним из сдерживающих факторов внедрения таких аппаратов в Республике Саха (Якутия) является отсутствие у многих организаций практического опыта их использования, а также отсутствие теоретически обоснованных рекомендаций по выбору съемочной аппаратуры для БПЛА и параметров выполняемой с их помощью аэрофотосъемки. Целью работы является анализ возможности использования беспилотных летательных аппаратов в условиях Крайнего Севера.

Беспилотный летательный аппарат — в общем случае это летательный аппарат без экипажа на борту. Понятие летательный аппарат включает в себя большое число типов, у каждого из которых есть свой беспилотный аналог. В данной работе под определение БПЛА попадает более узкое понятие. А именно: летательный аппарат без экипажа на борту, использующий аэродинамический принцип создания подъемной силы с помощью фиксированного или вращающегося крыла (БПЛА самолетного и вертолетного типа), оснащенный двигателем и имеющий полезную нагрузку и продолжительность полета, достаточные для выполнения специальных задач [1, с. 1].

Рассмотрено два случая получения топографического плана масштаба 1:1000 административной территории с. Усть-Миль Усть-Майского улуса площадью 90 га:

1. наземная съемка (топографическая съемка), производимая методами тахеометрии, горизонтальной и вертикальной съемкой с помощью электронного тахеометра;
2. аэрофотосъемка, производимая с помощью БПЛА «Птеро-Е4» с дальнейшей его фотограмметрической обработкой на комплексе PHOTOMOD GeoMosaic.

Место работы.

Климат района — субарктический, с длительной и холодной зимой (октябрь — апрель) и коротким летом. Село Усть-Миль находится от административного центра Усть-Майского улуса — Усть-Мая в 131 км. По характеру рельефа территория относится к горному типу речных долин. Ежегодно в районе работ наблюдается в среднем 60 дней с туманами, 10 дней с грозами, 12 дней с метелями. Основная транспортная артерия — р. Алдан, вскрытие которой происходит в мае, ледостав в начале октября. Дорожная сеть представлена зимником с. Усть-Миль — п. Усть-Мая, в межсезонье самолётом АН-2, летом водным путём. Время действия зимника ноябрь-апрель [5].

На основании данных фактов, в связи с коротким сезоном съемочных работ (примерно 100 дней), также со сложной транспортной обстановкой, можно прийти к выводу, что для районов Крайнего Севера следует использовать новейшие технологии. Так, «традиционные» методы инструментальной съемки с использованием электронных тахеометров зачастую занимают продолжительное время и связаны со значительными издержками. Особенно недостатки инструментальной съемки очевидны при проведении полевых работ на значительных по площади труднопроходимых объектах, когда стоит задача в короткие сроки получить топографические планы масштаба 1:500, 1:1000, 1:2000 [6].

«Традиционная» наземная съемка.

На район работ имеются топографические карты масштаба 1:25000 и мельче. Государственная геодезическая сеть представлена пунктами триангуляции 2-го класса и пунктами полигонометрии 2 разряда. Топографическая съемка была проведена методами тахеометрии, горизонтальной и вертикальной съемками в масштабе 1: 1000 с высотой сечения рельефа 0,5 м. Камеральная обработка геодезических измерений была выполнена в программном комплексе «CREDO». Топографо-геодезические работы были выполнены в Местной 3-х градусной системе координат 1988 г. и Балтийской системе высот 1977 г.

В процессе инженерно-геодезических изысканий были выполнены следующие виды и объемы работ:

− горизонтальная съемка застроенной территории М 1:1000–90 га;

− тахеометрическая съемка М: 1:1000–90 га;

− камеральная обработка и составление технического заключения.

Съемочное геодезическое обоснование было создано системой теодолитных ходов от птр. (пункт триангуляции) Куранах, пп. 0057. Расстояния и углы в ходах измерялись тахеометром NIKONNPL-352, характеристики которого приведены в таблице 1. Расхождение значений углов из полуприемов не превышают 22 секунд. Высотное обоснование создано тригонометрическим нивелированием тахеометром NIKONNPL-352 системой ходов между исходными пунктами. Тахеометрическая съемка местности выполнялась также тахеометром NIKONNPL-352. Съемка рельефа и ситуации выполнялась с точек съемочного обоснования полярным методом. Полевые работы по топографической съемке сочетались с камеральной обработкой съемки.

Таблица 1

Основные характеристики тахеометра NIKON NPL-352

Составленный план проверен на местности визуальным сличением и контрольными промерами и измерениями. Расхождения не превышают 0,3 мм в масштабе плана.

Аэрофотосъемка.

Аэрофотосъемочные работы были выполнены с использованием комплекса «Птеро» разработки компании «АФМ-Серверс». Основные характеристики аппарата представлены в таблице 2.

Выполнение топографической съемки состояло из следующих этапов:

− подготовительные работы;

− обработка полученных результатов.

К подготовительным работам относятся создание и координирование опознавательных знаков на земной поверхности в контуре выполнения съемки. Опознавательный знак имеет простую, крестообразную конструкцию, размеры её зависят от высоты полета БПЛА. Цвет и размеры опознавательного знака рассчитываются заведомо, чтобы на темной поверхности он был ярких тонов. Опознавательные знаки были расставлены так, чтобы их покрытие было равномерным по всему периметру границы съемки. Измерение координат опознавательных знаков производилось при помощи ГНСС приемников относительным методом спутникового позиционирования. Базовая станция устанавливалась в непосредственной близости к участку проведения работ (около двух километров).

В соответствии с требованиями отраслевых инструкций [3], для получения топографического плана масштаба 1:1000 необходима фотооснова, имеющая разрешение 15 см/пикс и имеющая погрешность определения координат в каждой точке не выше 60 см. На летательном аппарате «Птеро» была установлена камера Canon EOS 5D Mark II, матрица 36x24 мм, приблизительно 21,1 млн. пикселей, объектив с фокусным расстоянием 50 мм и настройкой фокусировки на бесконечность.

Съемка выполнялась по заранее заданным маршрутам с проектными перекрытиями 60 и 40 %, размер пикселя на местности планировался примерно 0,07 м, высота залета над местностью составила 200 метров. Повышенные значения продольных и поперечных перекрытий определяется тем, чтобы по возможности исключить разрывы в фототриангуляционном блоке, связанные с неустойчивостью носителя. Цифровая фотокамера была подвергнута процедуре фотограмметрической калибровки, в результате которой были определены элементы внутреннего ориентирования фотокамеры и параметры фотограмметрической дисторсии объектива. Снимки были получены в форматах RAW и JPEG размером 4592 × 3056 пикселей. По полученным результатам построения сети фототриангуляции можно сделать вывод о стабильности выдерживания параметров полета.

Оценка точности построения сети фототриангуляции выполнялась по расхождениям координат и высот связующих точек, расположенных в зонах тройного перекрытия снимков и межмаршрутного перекрытия и по расхождениям координат и высот на опорных точках. Средние квадратические погрешности определения координат Х, У и высот Z связующих точек получились 0,11 м, 0,11 м и 0,20 м соответственно. Средние квадратические погрешности определения координат Х, У и высот Z, вычисленные по расхождениям на опорных точках составили соответственно 0,21 м, 0,25 м и 0,8 м.

Таблица 2

Основные характеристики беспилотного летательного аппарата «Птеро-Е4»

Результаты.

Общее количество дней при выполнении работ путем наземной съемки местности составляет 33 дня, а при выполнении работ путем аэрофотосъемки с помощью БПЛА «Птеро-Е4» — 17 дней. Таким образом, работы с помощью БПЛА по сравнению с наземной съемкой были выполнены вдвое быстрее. Сравнение сроков выполнения работ представлено в таблице 3.

Таблица 3

Когда местность для проведения геодезических работ занимает достаточно большую территорию, как правило, сотни гектаров, решение этих задач при помощи беспилотных летательных аппаратов является наиболее эффективным, чем наземные работы, которые очень трудоемки и могут занять много времени. Именно это достоинство дает огромное преимущество БПЛА перед наземной при выборе вида съемки в районах Крайнего Севера, а именно в Республике Саха (Якутия), где имеются необъятные пространства для работ с плохо развитой транспортной инфраструктурой. Еще одно важное достоинство использования БПЛА состоит в том, что получаемые данной технологией цифровые картографические материалы являются актуальными на момент съемки и не несут устаревшую информацию, как обычно при использовании традиционных методов.

В ходе работы была доказана эффективность использования современного оборудования, в данном случае беспилотных летательных аппаратов, в районах Крайнего Севера. В нашем случае применение БПЛА сократило проведение полевых съемок в три раза, камеральную обработку — в два раза.

Литература:

1. Зинченко О. Н. Беспилотный летательный аппарат: применение в целях аэрофотосъемки для картографирования // Ракурс. — 2011. — С. 12.
2. Обиралов А. И. Фотограмметрия и дистанционное зондирование. — М.: Колос, 2006. — 335 с.
3. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. ГКИНП (ГНТА)-02–036–02. — М.: ЦНИИГАиК, 2002. — 49 с.
4. Инструкция по топографическим съемкам в масштабах 1:5000; 1:2000; 1:1000; 1:500. — М.: Недра, 1985. — 98 с.
5. Официальный информационный портал РС (Я). [Электронный ресурс]. — Якутск. — Режим доступа: http://old.sakha.gov.ru/node/12974, свободный. — Загл. с экрана.
6. Создание ортофотопланов // Geoscan. URL: https://www.geoscan.aero/ru/application/geodesia/.