CC BY
77
УДК 528.74
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БЕСПИЛОТНЫХ АВИАЦИОННЫХ СИСТЕМ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ МАРКШЕЙДЕРСКИХ РАБОТ НА РАЗРАБОТКАХ ОТКРЫТОГО ТИПА
Никита Алексеевич Зуев
АО «Урало-Сибирская Гео-Информационная Компания», 620146, Россия, г. Екатеринбург, ул. Фурманова, 127, заместитель директора, тел. (343)219-95-99, e-mail: [email protected]
Антон Александрович Кобзев
Московский государственный университет геодезии и картографии, 105064, Россия, г. Москва, Гороховский пер., 4, студент, тел. (915)409-68-58, e-mail: [email protected]
Беспилотные авиационные системы (БАС), такие как различные модели DJI Phantom, в настоящее время всё чаще используются для проведения фотограмметрических работ. Это связано с простотой применения таких БАС, их дешевизной и оперативностью получения результатов. В статье представлена разработанная технологическая схема применения DJI Phantom 4 при проведении маркшейдерских работ на открытых карьерах, а также показаны результаты ее использования при выполнении работ по созданию топографической продукции.
Ключевые слова: фотограмметрия, маркшейдерия, вычисление объемов отвалов, беспилотные авиационные системы, DJI Phantom, Agisoft Photoscan.
USE OF UNMANNED AERIAL VEHICLE WHEN CARRYING OUT MINE WORKS IN OPEN QUARRY
Nikita A. Zuev
Uralo-Sibirskaya Geoinformatsionnaya company JSC, 127, Furmanov St., Yekaterinburg, 620146, Russia, Deputy Director, phone: (343)219-95-99, e-mail: [email protected]
Anton A. Kobzev
Moscow State University of Geodesy and Cartography, 4, Gorokhovsky Per., Moscow, 105064, Russia, Student, phone: (915)409-68-58, e-mail: [email protected]
Unmanned aerial vehicles (UAV), such as various models of DJI Phantom drones nowadays are in frequent use for photogrammetric works. This is due to UAVs' operation simplicity, their low price and high efficiency in data processing. As such, the technology of using DJI Phantom 4 was worked out and applied to mine survey in open quarry. The article presents this technology as well as the results of the performed works for creating topographic products.
Key words: photogrammetry, mine survey, volume calculation, unmanned aerial vehicle, drone, DJI Phantom, Agisoft Photoscan.
Маркшейдерия на открытых разработках включает в себя комплекс геодезических работ, проводимых преимущественно наземными методами. Частота выполнения и состав таких работ определяются инструкцией по производству маркшейдерских работ (РД 07-603-03) [1]. Согласно данному нормативному документу комплекс маркшейдерских работ включает следующие основные процессы:
1) топографическая съемка месторождения в масштабах 1:1 000 или 1:2 000 (не реже, чем один раз в 6 месяцев);
2) топографическая съемка внешних отвалов в масштабах 1:2 000 -1:5 000;
3) определение объемов вынутых горных пород;
4) ведение маркшейдерской графической документации;
5) построение и обновление цифровой модели карьера.
Согласно инструкции, данные работы выполняются наземными геодезическими методами, а также с помощью аэрофотосъемки (АФС).
В связи с тем, что в настоящее время аэрофотосъемка с использованием беспилотных авиационных систем проводится с целью создания топографической продукции масштабов 1:5 000 - 1:500, была поставлена цель - разработать технологическую схему выполнения маркшейдерских работ на открытых разработках протяженностью до 500-600 м (например, на которых добываются мрамор, песок) с применением DJI Phantom.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1) разработана технологическая схема создания цифровой модели карьера, отвечающей требованиям к точности планов масштаба 1:2 000 с сечением рельефа 1 м, с применением квадрокоптера DJI Phantom;
2) выполнен эксперимент по проверке разработанной технологической схемы.
В качестве беспилотного воздушного судна (БВС), с помощью которого производилась аэрофотосъемка, был выбран DJI Phantom 4, технические характеристики которого приведены в табл. 1 [2].
Таблица 1
Основные технические характеристики DJI Phantom 4
Характеристика Значение
Размер 30*30 см
Вес 1,4 кг
Тип двигателя Электрический
Максимальная высота полёта 500 м
Максимальная скорость полёта 20 м/сек
Максимальная скорость ветра 10 м/ек
Время полёта 28 минут
Камера DJI FC330, 12 МП
На основании инструкции по фотограмметрическим работам [3], инструкции по маркшейдерским работам [1] и опыта использования беспилотных авиационных систем разработана технологическая схема создания цифровой модели поверхности карьера, отвечающей требованиям к точности планов масштаба 1:2 000 с сечением рельефа 1 м, с применением квадрокоптера типа DJI Phantom.
Разработанная технологическая схема состоит из следующих этапов:
1) подготовительные работы:
a) планирование аэрофотосъемки;
b) планирование планово-высотной подготовки (ПВП);
c) запрос разрешения на использование воздушного пространства;
2) полевые геодезические работы:
a) проведение спутниковых наблюдений на пунктах ПВП и маркшейдерской сети карьера;
b) расположение на местности маркировочных знаков и спутниковые наблюдения на них;
3) полевые аэрофотосъёмочные работы:
a) выбор места взлёта и посадки квадрокоптера;
b) проведение аэрофотосъемки с использованием DJI Phantom;
4) камеральные работы по обработке результатов полевых геодезических и аэрофотосъёмочных работ:
a) вычисление координат точек ПВП;
b) обработка аэрофотоснимков в Photoscan с целью получения цифровой модели поверхности (ЦМП).
С целью апробирования разработанной технологической схемы проведен комплекс работ на открытом карьере. Аэрофотосъемка выполнена в два этапа: сначала АФС характерного фрагмента карьера - его борта (площадь съемки составила 0,15 кв. км), затем с определенными из этой съемки параметрами произведен залёт над всем карьером (площадь - 0,4 кв. км). Диаметр его на момент проведения работ составлял около 400 м, глубина - 60 м.
На первом этапе работ было запланировано несколько залетов с высот 30, 50 и 100 м над бортом карьера и создан проект планово-высотного обоснования, включающий 20 замаркированных опознаков (см. рис. 1). Это позволило в дальнейшем получить избыточность информации, которая использовалась для оценки технологической схемы.
На втором этапе проведены полевые работы по определению координат точек ПВП и пунктов маркшейдерской сети. Для этих целей выполнены спутниковые наблюдения в режиме «быстрая статика» и «RTK» согласно инструкции по развитию съемочной сети спутниковыми методами [4]. После обработки результатов полевых геодезических работ стандартное отклонение координат точек не превышало 2 см. В качестве точек ПВП использованы маркировочные знаки различного цвета (белые, зеленые и синие, см. рис. 2). Применение в качестве опорных точек естественных контуров на карьере не представляется возможным ввиду их отсутствия, а также из-за однородности подстилающей поверхности.
Рис. 1. Фотосхема с расположением точек ПВП для аэрофотосъемки борта карьера
После завершения геодезических работ выполнена аэрофотосъемка с применением БАС DJI Phantom 4 с высот 30, 50 и 100 м, при этом размер проекции пикселя на местности составил 2, 3 и 5 см, соответственно.
На последнем этапе проведена камеральная обработка результатов АФС в программном продукте Agisoft РИ^овоап 1.3.2. Аналитическая фототриангуляция выполнена раздельно по снимкам, полученным с различных высот, после чего проведено сравнение точности фототриангулирования по координатам общих опорных и контрольных точек. Количество опорных точек составляло 4, контрольных - 9. При оценке точности использовались не все точки ПВП, так как некоторые из них, преимущественно расположенные на дне карьера, не отобразились при съемке с высоты 100 м, а крайние точки не отобразились на снимках, полученных с высоты 30 м. В табл. 2 представлены расхождения и средние квадратические погрешности (СКП) планового положения (ошибка в плане) и высот (ошибка по высоте) опорных и контрольных точек, полученные по результатам аналитической фототриангуляции и геодезических работ.
Таблица 2
Погрешности фототриангуляции, полученные по снимкам с различных высот
Имя точки Высота 100 м Высота 50 м Высота 30 м
Ошибка в плане, см Ошибка по высоте, см Ошибка в плане, см Ошибка по высоте, см Ошибка в плане, см Ошибка по высоте, см
Опорные точки
305 6,3 1,2 0,7 -0,1 3,4 0,1
311 4,9 1,0 5,2 1,3 7,5 2,0
312 16,4 -2,4 5,7 -0,6 7,8 -1,7
327 9,7 2,7 3,2 -0,5 2,7 -0,3
СКП 10,3 2,0 4,2 0,8 5,8 1,3
Контрольные точки
309 20,7 27,0 21,1 0,0 4,4 -3,0
310 20,8 9,4 6,0 4,6 10,9 0,5
314 21,2 3,0 8,3 -4,1 6,4 -8,5
320 13,9 -1,0 15,0 1,4 7,9 -1,7
321 19,6 -1,4 9,1 4,4 9,7 6,6
323 13,0 4,8 6,0 -2,0 8,5 4,0
324 4,4 -0,7 11,9 -0,1 14,6 1,7
325 5,6 8,9 11,0 -0,1 14,9 7,2
326 9,5 8,2 5,9 -7,8 3,9 -7,2
СКП 15,6 10,5 11,5 3,7 9,8 5,3
На основе сравнительного анализа данных, приведенных в табл. 2, установлено, что все результаты фототриангуляции отвечают требованиям к точности создания планов масштаба 1:2 000 с сечением рельефа 1 м, однако при высоте полета 30 м требуется значительно больших временных затрат на съемку и обработку снимков, так как значительно увеличивается количество изображений. На снимках, полученных с высоты 100 м, за счёт глубины карьера не рас-
познаются многие опознаки, что приводит к потере точности фототриангуляции. Поэтому оптимальной для аэрофотосъемки карьера является высота, равная 50 м.
Для создания цифровой модели всего карьера произведён залёт с использованием БАС DJI Phantom 4. В результате планово-высотной подготовки определены координаты 22 замаркированных опознаков в режимах «быстрая статика» и «RTK» [4]. Схема расположения опорных и контрольных точек представлена на рис. 3. Полученные в результате аналитической фототриангуляции погрешности отвечают требованиям инструкции по фотограмметрическим работам [3] для создания топографической продукции масштаба 1:1 000 с сечением рельефа 1 м. Средняя квадратическая погрешность (СКП) определения планового положения опорных точек составила 10 см, высот - 2 см, для контрольных точек - 22 см в плане и 13 см по высоте.
Рис. 3. Схема расположения точек ПВП для аэрофотосъемки всего карьера
После проведения оценки точности фототриангуляции в программном продукте Agisoft Photoscan построена цифровая модель поверхности карьера и отвалов (область точек ПВП 201-206-204, см. рис. 3). Данная ЦМП впоследствии использована для дешифрирования при создании топографического плана масштаба 1:2 000, также по ней построены квазигоризонтали с сечением рельефа 1 м, которые уточнялись при стереоскопической съемке. Кроме того, по ЦМП произведено измерение объемов отвалов в ГИС Спутник.
Таким образом, в соответствии с представленной технологической схемой были выполнены работы по созданию цифровой модели поверхности открытого карьера с применением квадрокоптера DJI Phantom.
В настоящее время беспилотные авиационные системы используются при проведении маркшейдерских работ в России и за рубежом. Так, в 2016 году компанией «Джи Пи Эс Ком»» определены объемы горных работ с применением БВС Phantom 4. При выполнении этой работы в качестве точек ПВП использовалось 12 замаркированных опознаков. СКП определения планового положения контрольных точек составила 7 см, высот - 6 см [5]. Французская компания Groupe CB совместно с RedBird (в настоящее время Ariware) разработала комплексное решение по мониторингу карьеров и проведению маркшейдерских работ с использованием БАС senseFly eBee. Исследования выполнены на 9 карьерах общей площадью 366 Га. Всего использовалось 77 точек ПВП в виде замаркированных опознаков, 22 из которых являлись контрольными. Погрешности планового и высотного положения контрольных точек составили не более 3 см. В результате работ получены цифровые модели карьеров, карты уклонов и ортофотопланы [6].
В материалах публикаций, посвященных применению беспилотной авиации для выполнения маркшейдерских работ, отмечаются преимущества использования БАС по сравнению с наземной съёмкой в отношении обеспечения безопасности, оперативности и невысокой стоимости проведения работ. Это объясняется тем, что маркшейдеру не требуется находиться непосредственно в очаге горных работ, значительно сокращается время пребывания геодезиста в зоне проведения геологических работ в карьере, отсутствует необходимость приостановки работ на карьере для выполнения маркшейдерского замера, так как получение материалов для этих целей производится дистанционно.
В результате экспериментальной проверки технологической схемы создания цифровой модели поверхности открытых карьеров с использованием БАС выявлены следующие особенности проведения работ:
1) необходимость использования замаркированных опознаков, так как естественные контуры отсутствуют;
2) при проведении аэрофотосъемки карьеров протяженностью до 500 м достаточно использовать пять опорных точек и две-три контрольных для обеспечения точности топографической продукции масштаба 1:1000 с сечением рельефа 1 м;
3) цифровые модели поверхности открытых карьеров, полученные с применением БАС, объективны (так как предоставляется изображение местности, а
не точечные и векторные данные), их можно использовать для контроля за ходом проведения работ на карьере, планирования дальнейшей разработки, выделения геологических особенностей.
4) использование беспилотной авиации при проведении маркшейдерских работ согласно инструкции [1] позволяет выполнить комплекс необходимых работ в кратчайшие сроки и обеспечивает требуемую точность выходных материалов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. РД 07-603-03. Инструкция по производству маркшейдерских работ. - М. : Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2004. -120 с.
2. Phantom 4 Характеристики [Электронный ресурс] // DJI: [сайт]. URL: http:// www.dji.com/ru/phantom-4/info (дата обращения: 18.11.2017).
3. ГКИНП (ГНТА)- 02-036-02. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. - М. : ЦНИИГАиК, 2002. - 100 с.
4. ГКИНП-02-262-02. Инструкция по развитию съёмочного обоснования и съёмке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS. - М. : ЦНИИГАиК, 2002. - 124 с.
5. Вьюнов М. В. Оценка использования возможности применения аэрофотосъемочных БПЛА для учета горных работ при добыче полезных ископаемых 2017. URL: http://con-fíg.com/files/pdf/презентации_2017/Вьюнов.pdf (дата обращения: 18.11.2017).
6. SenseFly. Building the future of quarry monitoring — using drones to boost safety & survey efficiency 2016. URL: https://www.sensefly.com/fileadmin/user_upload/sensefly/user-cases/ 2016/senseFly-Case-Study-Redbird.pdf (дата обращения: 10.11.2017).
© Н. А. Зуев, А. А. Кобзев, 2018
