CC BY
83
УДК 625.11: 528.721.212.6
ИСАКОВ АЛЕКСАНДР ЛЕОНИДОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, [email protected]
Сибирский государственный университет путей сообщения, 630049, г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191
ЮРЧЕНКО ВЛАДИСЛАВ ИВАНОВИЧ, начальник отдела автоматизации проектных работ ОАО «Сибгипротранс», [email protected]
630099, г. Новосибирск, ул. Вокзальная магистраль, 15
МОНИТОРИНГ ЛАВИНООПАСНЫХ УЧАСТКОВ ТРАНСПОРТНЫХ МАГИСТРАЛЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
В статье рассмотрены воздушные методы мониторинга снежного покрова на лавиноопасных участках; выделены экономические и организационные аспекты применения воздушных методов; рассмотрена возможность использования перспективного метода мониторинга с применением беспилотного летательного аппарата; определены основные достоинства и особенности использования беспилотных систем; рассчитаны основные параметры аэрофотосъемки, производимой с их помощью; сделан вывод о принципиальной возможности и целесообразности решения задачи мониторинга с применением беспилотных летательных аппаратов.
Ключевые слова: мониторинг; снежный покров; аэрофотосъемка; беспилотные летательные аппараты; любительские камеры.
ALEKSANDR L. ISAKOV, DSc, Professor, [email protected]
Siberian Transport University,
191, Koval'chuk Str., 630049, Novosibirsk, Russia
VLADISLAV I. YURCHENKO, Head of Department,
OAO Sibgiprotrans,
15, Vokzal'nayaMagistral' Str., 630099, Novosibirsk, Russia
MONITORING OF TRAFFIC AVALANCHE AREAS USING UNMANNED AERIAL VEHICLES
The paper is dealt with monitoring techniques of the snow cover in traffic avalanche areas; economic and organizational dimensions of application of air techniques; the possibility of using unmanned aerial vehicles for monitoring the snow cover. The paper describes the advantages of unmanned aerial vehicles used in monitoring; the main aerophotography parameters using unmanned aerial vehicles; the possibility and feasibility of unmanned aerial vehicle monitoring.
Keywords: monitoring; snow cover; aerophotography; unmanned aerial vehicle; amateur camera.
© А.Л. Исаков, В.И. Юрченко, 2014
Техногенные и природные воздействия могут привести к развитию процессов разрушения эксплуатируемых инженерных сооружений. Поэтому в последние годы получают развитие различные системы мониторинга, включающие в себя организацию инструментальных наблюдений, применение математических методов обработки результатов, построение математической модели и прогнозирование на её основе изменения состояния объектов природы и сооружений [1].
В исследовании [2] приведена классификация существующих методов мониторинга лавиноопасных участков линейных транспортных сооружений, представлен анализ космических методов, сделаны выводы о нецелесообразности их применения в специфичном виде мониторинга. В настоящей работе рассмотрена возможность применения воздушных методов.
К воздушным методам относят аэрофотосъёмку и лазерное сканирование (альтиметрию), применяемые, как правило, в комплексе. Воздушные методы мониторинга объектов имеют ряд преимуществ перед космическими: высокая точность продукции, регулируемая используемой аппаратурой и параметрами съемки; частичное или полное исключение работ по геодезическому обоснованию; высокий уровень автоматизации; возможность технико-экономического планирования всего комплекса аэрофотосъемочных работ и др.
Необходимо выделить организационные и экономические аспекты использования пилотируемых авиационных аэрофотосъемочных комплексов при решении задачи мониторинга небольших участков линейных транспортных объектов.
1. Стоимость оборудования для комплексной аэросъемки и программ обработки данных достаточно высока и составляет от 1,5 до 2 млн долл. Приобретение и использование такого оборудования под силу только крупным организациям, специализирующимся на объемных поставках сведений о дистанционном зондировании.
2. Суммарный вес комплекта навигационного, аэрофотосъемочного и локационного оборудования (лидара) составляет 200 кг и более, что требует адаптированного для съёмки самолета (Ан-3, Се8па и др.) или вертолета (Ми-8Т и др.).
3. Использование пилотируемой техники предполагает наличие достаточно развитой полевой инфраструктуры: аэродрома, базы хранения и обслуживания техники, сертифицированных пилотов, диспетчера и обслуживающего персонала. Стоимость летного часа колеблется от 15 тыс. для вертолета Ми-8 и до 345 тыс. руб. для самолета Ил-76, включая время на подлет к объекту и уход на аэродром.
4. Получение и обработка больших массивов информации приводят к созданию отдельных структурных подразделений: аэросъемочной и геодезической бригад, группы камеральной обработки данных съемки, что также возможно только для крупных специализированных организаций.
Таким образом, экономические затраты на единицу отснятой площади узкой полосы лавиноопасных участков существенно превосходят затраты для больших площадей. Следовательно, применение пилотируемых авиационных
комплексов нерентабельно при съемке малых территорий, особенно находящихся в значительном удалении от аэродрома.
Наиболее перспективными на сегодняшний день для оперативного мониторинга небольших участков являются беспилотные летательные аппараты (БПЛА).
Как правило, крупные производители предлагают на рынок беспилотные авиационные системы [3, 4], включающие в себя:
- БПЛА самолетного или вертолетного типа (рис. 1);
- бортовой комплекс управления (приемник спутниковой навигации или навигационно-инерциальную систему ОР8ЛМи, автопилот);
- полезную нагрузку - цифровую фото- или видеокамеру, ИК-камеру, тепловизор, лазерный дальномер и др. (рис. 2);
- наземный пункт управления (рис. 3);
Рис. 1. Предстартовая проверка БПЛА самолетного типа 0рлан-10
Рис. 2. Цифровая фотокамера Canon EOS 5D Mark II
Рис. 3. Наземный пункт управления БПЛА «Птеро-СМ»
Основными достоинствами беспилотных систем являются:
1. Относительная дешевизна комплекта, полезной нагрузки и программ обработки материалов съемки. В зависимости от типа аппарата и установленного на нем оборудования стоимость БПЛА колеблется от 2,5 до 5 млн руб.
2. Рентабельность регулярного мониторинга небольших по площади территорий или линейных объектов (транспортные магистрали, ЛЭП и др.). Ориентировочная стоимость одного летного часа составляет 1500 руб.
3. Возможность использования в труднодоступных и опасных для жизни и здоровья человека зонах - лавиноопасных склонах, районах чрезвычайных ситуаций и др., работа в условиях низких температур - до -35 °С.
4. Простота в эксплуатации, мобильность, отсутствие наземной инфраструктуры. Конструкция БПЛА модульная, аппарат умещается в транспортировочный кейс (рис. 4).
5. Оперативность проведения подготовительных и летно-съемочных работ. На развертывание комплекса и проверку оборудования уходит 30-40 мин, на аэросъемку - около 1 ч.
6. Манёвренность и легкая управляемость БПЛА, возможность как автоматического пилотирования с помощью бортового комплекса управления, так и ручного с пульта дистанционного управления.
7. Простота создания проекта аэросъемки и возможность отслеживания положения БПЛА в режиме реального времени в специализированных программах (рис. 5).
8. Возможность съёмки со сверхнизких высот (от нескольких метров для БПЛА вертолетного типа и от 90 м для самолетного) обеспечивает отсутствие облачности и равномерную освещенность, высокое пространственное разрешение и яркость снимков.
9. Высокий уровень автоматизации позволяет производить первичную обработку данных в полевых условиях в течение 2-3 ч после посадки.
Рис. 5. Программа проектирования аэрофотосъемки и навигации БПЛА - Ооп7оп
Таким образом, минимальные затраты на обслуживание при максимальной эффективности работ являются существенным преимуществом БПЛА по сравнению с пилотируемой аэросъемкой.
В России разработано более 40 моделей беспилотных комплексов, позволяющих производить аэрофотосъемку [5]. Несмотря на разнообразие, немногие из них способны обеспечить топографическое качество материалов аэрофотосъемки. Предпочтительные модели аппаратов ближнего и среднего радиуса действия представлены в табл. 1.
Таблица 1
Основные характеристики аэрофотосъемочных БПЛА*
Модель БПЛА ZALA 421-16Е Птеро-СМ Филин 0рлан-10
Фирма-производитель Группа компаний «Беспилотные системы Zala Aero», г. Ижевск ООО «АФМ-Сервис», г. Москва ЗАО «Транзас», г. Санкт-Петербург ООО «Специальный технологический центр», г. Санкт-Петербург
Максимальная взлетная масса, кг 10,5 20 60 18
Вес полезной нагрузки, кг 1,5 5 5 5
Тип двигателя Электрический Бензиновый Бензиновый Бензиновый
Время полета, ч 4 8 11 18
Макс. дальность полета, км 210 800 1230 600
Скорость полета, км/ч 60-110 85-145 до 170 80-150
Макс. высота полета, м 3600 3000 3500 5000
* Данные из открытых источников.
Основные типы любительских камер, применяемые при аэрофотосъемке с БПЛА, приведены в табл. 2.
Таблица 2
Основные характеристики любительских камер БПЛА*
Характеристики камеры Canon EOS 5D Mark II Nikon D800 Body Sony DSC-RX1** Canon EOS 5D Mark III
Средняя цена, тыс. руб. (на 2013 г.) 80 90 110 110
Размер матрицы, мм 36x24 35,9x24 35,8x23,9 36x24
Число эффективных пикселей, Мр1х 21,1 36,3 24,3 22,3
Размер пикселя, мкм 6,4 4,9 6,0 6,2
Максимальное разрешение снимка 5616x3744 7360x4912 6000x4000 5760x3840
Возможные выдержки, с 30-1/8000 30-1/8000 30-1/4000 30-1/8000
Скорость серийной съемки, кадров/с 3,9 4,6 5 6
Размер ШхВхГ, мм 152x114x75 146x82x123 113x65x70 152x116x76
Вес камеры без объектива, г 810 1000 482 950
* Данные из открытых источников.
** Встроенный объектив с фиксированным фокусным расстоянием f = 35 мм.
Высокоточный мониторинг с использованием БПЛА предъявляет повышенные требования к выдерживанию геометрии съемки и характеристик используемой аппаратуры. При решении поставленной задачи необходимо учитывать следующие особенности:
1. Для большинства БПЛА вес полезной нагрузки составляет 3-6 кг, что не позволяет использовать фотограмметрические камеры или лидары.
2. Любительские камеры имеют низкое разрешение, небольшую полезную площадь кадра и отсутствие системы продольной компенсации смазывания изображения. При этом нелинейные искажения объектива могут составлять до нескольких десятков пикселей, что существенно снижает точность результатов обработки. Однако учет данных калибровки таких камер позволяет добиться точности результатов, сопоставимой с применением малоформатных фотограмметрических систем.
3. Отсутствие или невысокая точность навигационной системы GPS\IMU требует создания геодезической основы на участке.
4. Порывы ветра и несовершенство автопилота ведут к неустойчивому полету БПЛА и искажениям геометрии, таким как разрывы в фототриангуляционном блоке, большие углы разворота и разномасштабность соседних снимков. Нередко результаты полета имеют низкое фотограмметрическое качество. Необходима первичная полевая обработка материалов с целью принятия решений на досъемку или пересъемку сложных участков.
5. Небольшая высота полета приводит к увеличению количества обрабатываемых снимков, а установка коротких выдержек экспонирования снижает их радиометрические характеристики. Обработка снимков также осложнена малой контурностью снежного покрова. Как следствие - увеличение объемов ручной работы оператора при фототриангуляции и построении цифровой модели рельефа.
Рассмотрим принципиальную возможность применения БПЛА для целей мониторинга лавиноопасных участков с точностью определения плановых координат Vs = 6 см и высот точек Vz = 5 см. Рассчитаем основные параметры аэрофотосъемки участка размерами Lx*Ly = 500x110 м2 камерой Sony DSC-RX1. Ввиду неустойчивого полета БПЛА запроектируем продольное перекрытие снимков Px = 70 % и поперечное перекрытие между маршрутами Py = 40 %.
Расположение камеры вдоль линии полета дает базис фотографирования на снимке, равный
Рассчитаем высоту фотографирования H относительно средней плоскости объекта Д;р.пл, необходимую для обеспечения точности определения высот Vz при размере пикселя (Pixel) камеры Pix = 6,0 мкм по формуле
(1)
(2)
Исходя из выражения (2) масштаб аэрофотосъемки = /н = ^2560 ' размер пикселя изображения на местности GSD = Pix • M = 1,54 см, базис фотографирования на местности Bx = b • M = 27,5 м, а число снимков в маршруте
N = L/Bx + 2 = 20.
Расстояние между маршрутами By вычисляется по формуле
B = l
y y
_ Py_ „J* 40 100
M = 23,911--12560 = 36,7 м. (3)
i 1001
Исходя из формулы (3) число маршрутов K = LyB = 3, а общее число
снимков на участке N = NxK = 60 . Количество точек геодезической опоры на объекте составит 6-7 шт.
Рассчитаем максимально допустимый размер пикселя снимка Ps, необходимый для обеспечения точности определения плановых координат объекта Vs, по формуле
P = -К^ = 6 40 = 11,7 мкм. (4)
s 2•M 2•2560
Так как Ps > Pix, то заданная точность Vs является достижимой. Ввиду того, что для лавиноопасных склонов критерий допустимой раз-номасштабности Н > 5 Ah (где Ah - максимальная разность высот на объекте) соблюсти невозможно, съемку следует проводить по высотным зонам, где абсолютная высота фотографирования Набс = Zcpim + H устанавливается для
каждого из проложенных вдоль склона маршрутов.
Рассчитаем время экспозиции Тэ, исходя из допустимой величины смазывания изображения 5 = 6 мкм при движении самолета по формуле
Т 5-M 6•10_6 • 2560 0 0006 1
Тэ =-=-= 0,0006 с «- с, (5)
э Кут 27,8 1700
где Кут - путевая скорость БПЛА, равная 27,8 м/c, что соответствует 100 км/ч.
Широкий диапазон экспозиций и светочувствительности используемой камеры позволят производить съемку с соблюдением условия (5) при любой погоде.
Необходимый интервал времени т между соседними экспозициями рассчитывается по формуле
Вх 27,6 ,
х = —— =-= 1 с. (6)
V™. 27,8
пут '
Используемая камера позволяет обеспечить данный интервал фотографирования.
Таким образом, на основе приведенных выше параметров аэрофотосъемки можно сделать вывод, что поставленная задача высокоточного мониторинга лавиноопасных участков линейных транспортных сооружений с пименением БПЛА в принципе может быть решена. Необходимо практическое подтверждение расчетов.
В статье не рассмотрены вопросы эксплуатации беспилотных систем: сертификации и регистрации БПЛА, получения разрешительной документации на аэрофотосъемку, обеспечения безопасности и страхования полетов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лазарев, В.М. Разработка и исследование методов пронгозирования деформаций фундаментов и несущих конструкций инженерных сооружений на оползнеопасных территориях по результатам геодезических измерений / В.М. Лазарев, В.Г. Дусье // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2011. - № 2. -С. 143-154.
2. Исаков, А.Л. Анализ космических методов мониторинга лавиноопасных участков транспортных магистралей / А.Л. Исаков, В.И. Юрченко // Транспортное строительство. -2014. - № 1. - С. 26-29.
3. Зинченко, О.Н. Беспилотные летательные аппараты: применение в целях аэрофотосъемки для картографирования (Часть 1) // Москва. Ракурс. Россия. 2011. - Условия доступа : http://www.racurs.ru/?page=681 (дата обращения : 04.12.2012).
4. Сечин, А.Ю. Беспилотные летательные аппараты: применение в целях аэрофотосъемки для картографирования (Часть 2) / А.Ю. Сечин, М.А. Дракин, А.С. Киселева // Москва. Ракурс. Россия. 2011. - Условия доступа : http://www.racurs.ru/?page=699 (дата обращения : 05.08.2013).
5. Беспилотные летательные аппараты // Российские БПЛА. - Условия доступа : http://bp-la.ru/category/rossijskie-bpla/, свободный (дата обращения : 08.10.2013).
References
1. Lazarev V.M., Dus'e V.G. Razrabotka i issledovanie metodov prongozirovaniya deformatsii fundamentov i nesushchikh konstruktsii inzhenernykh sooruzhenii na opolzneopasnykh terri-toriyakh po rezul'tatam geodezicheskikh izmerenii [Geodesic forecasting techniques of deformation of foundations and load-carrying structures built on soil slip grounds]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2011. No. 2. Pp. 143-154. (rus)
2. Isakov A.L., Yurchenko V.I. Analiz kosmicheskikh metodov monitoringa lavinoopasnykh uchastkov transportnykh magistralei [Space monitoring of avalanche-prone areas of traffic arteries]. Transport Construction. 2014. No. 1. Pp. 26-29. (rus)
3. Zinchenko O.N. Bespilotnye letatel'nye apparaty: primenenie v tselyakh aerofotos"emki dlya kartografirovaniya (Chast' 1) [Unpiloted aircrafts application in aerophotography and chart-making. Pt. 1]. Available at : www.racurs.ru/?page=681, (last visited 04.12.2012). (rus)
4. Sechin A.Yu., Drakin M.A., Kiseleva A.S. Bespilotnye letatel'nye apparaty: primenenie v tselyakh aerofotos"emki dlya kartografirovaniya (Chast' 2) [Unpiloted aircrafts application in aerophotography and chart-making. Pt. 2]. Available at : www.racurs.ru/?page=699, (last visited 05.08.2013). (rus)
5. Bespilotnye letatel'nye apparaty [Unpiloted aircrafts]. Rossiiskie BPLA. Available at : http://bp-la.ru/category/rossijskie-bpla/, (last visited 08.10.2013). (rus)
