CC BY
731
Дистанционное зондирование Земли, фотограмметрия
УДК 528.71:338.5
ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ АЭРОФОТОСЪЕМОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ
Вячеслав Николаевич Никитин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры физической геодезии и дистанционного зондирования, тел. (913)712-37-50, e-mail: [email protected]
Дмитрий Николаевич Раков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры физической геодезии и дистанционного зондирования, тел. (952)907-21-08, e-mail: [email protected]
В данной статье рассмотрены проблемы экономической эффективности аэрофотосъемки с использованием беспилотных аэрофотосъемочных комплексов (БАФК) малого класса в сравнении с классической аэрофотосъемочной системой на базе самолета АН-30. Показано, что при создании топографических планов масштаба 1 : 500 БАФК экономически эффективен для съемки территории до 5 квадратных километров. Показана структура затрат на проведение работ. Повышение экономической эффективности использования БАФК возможно при условии снижения затрат на создание планово-высотного съемочного обоснования.
Ключевые слова: беспилотный аэрофотосъемочный комплекс, экономическая эффективность, аэрофотосъемочные работы.
UNMANNED AERIAL PHOTOGRAPY COMPLEXES APPLICATION: COST-EFFECTIVENESS ASSESSMENR
Vyacheslav N. Nikitin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Assoc. Prof., Department of Physical Geodesy and Remote Sensing, tel. (913)712-37-50, e-mail: [email protected]
Dmitry N. Rakov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., postgraduate student, Department of Physical Geodesy and Remote Sensing, tel. (952)907-21-08, e-mail: [email protected]
The paper deals with cost-effectiveness of aerial photography using unmanned small-class aerial vehicle (UAV) complexes as compared with classical aerial photography system based on AN-30 aircraft. UAV is shown to be cost-effective for making topographic plans, scale 1 : 500, for the territory up to 5 square kilometers. The structure of costs for the works to be conducted is presented. UAV cost-effectiveness may be increased due to lower costs of horizontal and vertical control.
Key words: unmanned aerial vehicle complex, cost-effectiveness, aerial survey works.
В современном мире, наряду с традиционными пилотируемыми носителями, все более широкое применение при аэрофотосъемке находят малые беспилотные летательные аппараты (БПЛА) [1]. Они компактны, мобильны и просты
48
Дистанционное зондирование Земли, фотограмметрия
в обслуживании [2, 3, 4]. Однако БПЛА имеют ряд недостатков перед традиционными видами носителей. Такими недостатками можно считать чувствительность к ветру и малый объем полезной нагрузки.
Вместе с ранее упомянутыми недостатками, ограничение на выполнение аэрофотосъемочных работ накладывает условия, при которых применение БПЛА экономически эффективно.
В данной статье будет определен пороговый размер съемочного участка, при котором БПЛА теряет свою эффективность перед традиционным аэрофотосъемочным оборудованием, специализированным самолетом-аэрофотосъем-щиком АН-30, а также будут рассмотрены причины снижения экономической эффективности.
Для определения экономической эффективности использования БПЛА необходимо рассчитать финансовые затраты, которые определяются как совокупность всех затрат на производимые работы:
1) затраты на создание планово-высотного обоснования;
2) стоимость аэрофотосъемочных работ;
3) затраты на перевозку оборудования;
4) оплата труда сотрудников.
Расчет затрат на создание планово-высотного обоснования (ПВО).
Прежде чем считать непосредственно величину затрат, необходимо определить плотность размещения опознаков. Для этого произведем некоторые расчеты:
Lx = Ly = R-у]Mpix - 1000,
(1)
где Lx и Ly - размеры области, отображаемой на снимке, при разрешении R снимка;
Mpix - количество мегапикселей в изображении.
Также для определения плотности опознаков необходимо знать базис фотографирования Bx и расстояние между маршрутами By [5, 6]. Величина продольного px и поперечного перекрытия Ру обычно задается 60 и 30 % соответственно [7]:
Bx =
Lx - (100 - Px) 100%
(2)
By
Ly - (100 - Py) 100%
(3)
Количество базисов ибазис между высотными опознаками зависит от точности построения стереомодели по высоте mZ и заданной высоты сечения рельефа Исеч:
49
Дистанционное зондирование Земли, фотограмметрия
n —
базис.
V
4 • И2
—^ - 45 -1,
(4)
где mZ —
Lx -V2 ^ 0,5 ^ 6.
2tg2e 1000 •yjMpix ’
(5)
2в - угол поля зрения объектива.
Таким образом, с использованием формул (2), (3), (5) плотность размещения опознаков на квадратный километр съемочного участка n считается как
106
n —----------------
Пбазис • Bx • By
(6)
Зная стоимость определения геодезических координат одного опознака Ропознак, плотность опознаков и площадь участка 5уч, можно произвести расчет
затрат на создание планово-высотного обоснования ТСШ0:
ТСПВО n " ^опознак " 5уч • (7)
Для расчета затрат на аэрофотосъемочные работы в первую очередь необходимо рассчитать стоимость летного часа беспилотного летательного аппарата. Она находится как сумма стоимости обслуживания и амортизации за использование:
РЛч —
P
АФК
Рес
+
АФК
р
1 обсл
Т
V обсл J
(8)
где РАФК - стоимость аэрофотосъемочного комплекса (АФК);
РесАФК - ресурс работы АФК;
Робсл - стоимость обслуживания АФК;
Тобсл - периодичность обслуживания.
Время, необходимое на выполнение аэрофотосъемки, напрямую зависит от площади аэрофотосъемочного участка и производительности БПЛА (ПАФК):
уч
П
АФК
ПАФК
v • ВУ 1000
• K,
эф’
t
с
(9)
(10)
50
Дистанционное зондирование Земли, фотограмметрия
где v - скорость БПЛА;
^эф - коэффициент эффективности производительности БПЛА.
Из-за расстояния Dcy между съемочным участком и точкой вылета беспилотного аэрофотосъемочного комплекса (БАФК) летательному аппарату требуется время tп для прибытия к съемочному участку и возвращения с него р:
q° * и и (11)
где DCy - расстояние до съемочного участка. Для определения общего рабочего времени, затраченного на аэрофотосъемку, необходимо знать количество залетов. Количество залетов непосредственно зависит от полезного времени, который БПЛА может потратить на аэрофотосъемку, следовательно, количество залетов З рассчитывается как
З = tc . ^max Р р (12)
Зная стоимость летного часа РЛч и общее рабочее время ?раб, считать стоимость аэрофотосъемочных работ ТСАФС: можно рас-
раб _ Р ^ З • (Р ^ р ). (13)
II о (14)
Затраты на перевозку оборудования зависят:
- от стоимости автомобиля;
- от стоимости горючего;
- от расстояния.
Тогда затраты на транспортные расходы ТСт/р будут рассчитываться по формуле:
ТС
w/р
2s •
f РА Рб/у
V
Рес
Р.
топ
(15)
где Ра - стоимость нового автомобиля;
Ру - стоимость подержанного автомобиля;
Рес - экономически выгодный ресурс эксплуатации;
Ртоп - цена за топливо на 1 километр хода;
s - расстояние от места базирования до точки запуска БПЛА или до аэродрома.
51
Дистанционное зондирование Земли, фотограмметрия
Затраты на оплату труда сотрудников ТСзп рассчитываются по формуле:
С = ('путь + ^раб )-Н| • Ч, (16)
где ?путь - время, затраченное на путь от места базирования до точки взлета;
/раб - рабочее время;
Нв - норма выработки на человека в месяц.
Ч - количество человек в бригаде.
Общие затраты на аэрофотосъемочные работы ТС рассчитываются как сумма затрат на создание ПВО, на производство аэрофотосъемочных работ, на транспортные расходы и оплату труда сотрудников:
ТС = ТСт/р + ТСпво + ТСафс + С. (17)
Для расчетов в качестве исходных данных взяты технические характеристики беспилотного летательного аппарата малого класса [8] с цифровой неметрической камерой Sony NEX5 [9] в качестве полезной нагрузки и самолета АН-30 с цифровой аэрофотосъемочной камерой UltraCam. Исходные данные для расчетов приведены в табл. 1.
Таблица 1
Исходные данные для расчета стоимости проведения аэрофотосъемки при создании топографических планов масштаба 1 : 500
Технические характеристики БПЛА АН-30
Расстояние до аэродрома, км 50 30
Расстояние от точки взлета до АФУ, км 5 50
Разрешение на местности, м 0,05 0,05
рк, % 60 60
ру, % 30 30
Камера Sony Nex5 UltraCam
Количество пикселей (Mpix) 14,2 196
Угол поля зрения, градусы 83 55
Скорость БПЛА, км/ч 100 450
tmax, ч 1 6
Коэффициент производительности 0,5 0,99
Стоимость летного часа, руб. 267,7 50 000
Норма выработки, руб. 100 000 100 000
Количество человек в бригаде 2 2
Стоимость авточаса, руб. 236 236
Как видно из табл. 1, стоимость летного часа на АН-30 гораздо больше, чем на БПЛА. Расчет параметров аэрофотосъемки (АФС) для каждого типа ле-
52
Дистанционное зондирование Земли, фотограмметрия
тательного аппарата приведен в табл. 2.
Расчет параметров аэрофотосъемки
Таблица 2
Параметры аэрофотосъемки БПЛА АН-30
Ширина маршрута, м 132 490
Производительность АФР, км2/ч 6,6 347
2 Плотность опознаков на 1 км 20 3
Высота съемки, м 150 950
Базис фотографирования, м 75 280
Расстояние между маршрутами, м 132 490
2
Расчет затрат на выполнение АФС работ на участке 1 км приведен в табл. 3.
Таблица 3
Расчетов стоимости аэрофотосъемочных работ на участке площадью
один квадратный километр
Статьи затрат БПЛА АН-30
Время, затраченное на полет, ч 1 1
Стоимость полетов, руб. (ТСАФС) 268 50 000
Транспортные затраты, руб. (ТСт/р) 708 425
Затраты на оплату труда, руб. (ТСЗП) 4 678 3 509
Стоимость ПВО, руб. (ТСПВО) 10 000 2 000
Общая стоимость АФР, руб. 15 654 55 934
Проанализировав табл. 3, можно увидеть, что стоимость аэрофотосъемочных работ с применением БПЛА меньше в 3,6 раза, а трудоемкость на 43 % выше, в отличие от съемки с применением АН-30. Абсолютная экономия средств составила 40 279,51 рублей. Экономическая эффективность, рассчитанная для участка площадью один квадратный километр, приведена в табл. 4 [10].
Таблица 4
Экономическая эффективность для АФС участка площадью один квадратный километр
Параметры Затраты Абсолютное снижение затрат БПЛА/АН-30 Коэффициент относительного снижения затрат (К*), % Индекс снижения затрат (Y*)
БПЛА АН-30
Трудоемкость, ч 4 2,8 -1,2 -42,86 0,7
Стоимость, руб. 15 654 55 934 40 279,51 72,01 3,57
Для оценки экономической эффективности целесообразно выполнить расчеты для аэрофотосъемочных участков различных размеров (табл. 5).
53
Дистанционное зондирование Земли, фотограмметрия
Таблица 5
Зависимость затрат на АФС от площади участка съемки
Площадь, 2 км Общие затраты на АФС работы, руб. Общие затраты на единицу площади, руб. Индекс изменения затрат
БПЛА АН-30 БПЛА АН-30
0,125 7 654 55 934 61 232 447 469 7,30
0,25 8 154 55 934 32 616 223 734 6,86
0,5 10 654 55 934 21 308 111 867 5,25
1 15 654 55 934 15 654 55 934 3,57
2 25 654 56 934 12 827 28 467 2,22
4 45 154 59 434 11 289 14 858 1,32
8 85 591 64 934 10 553 8 117 0,77
16 165 029 75 434 10 168 4 715 0,46
32 325 341 96 934 9 984 3 029 0,30
64 644 527 139 934 9 888 2 186 0,22
128 1 284 837 225 934 9 846 1 765 0,17
256 2 564 958 448 603 9 823 1 752 0,17
512 5 124 261 843 273 9 812 1 647 0,17
1 024 10 242 868 1 632 612 9 806 1 594 0,16
2 048 20 481 519 3 261 960 9 804 1 593 0,16
4 096 40 956 885 6 520 656 9 802 1 592 0,16
8 192 81 908 115 13 038 048 9 802 1 592 0,16
16 384 163 810 076 25 970 492 9 801 1 585 0,16
32 768 327 615 436 51 938 220 9 801 1 585 0,16
65 536 655 225 217 103 873 176 9 801 1 585 0,16
Как видно из табл. 5, при увеличении площади аэрофотосъемочного участка стоимость аэрофотосъемочных работ на БПЛА стремительно увеличивается, стоимостная эффективность соответственно уменьшается, и уже при размере участка 4 км абсолютное изменение затрат составляет 14 280 рублей, а индекс изменения затрат составляет всего 1,32.
На рис. 1 и 2 показаны зависимости коэффициента изменения стоимостных затрат и индекса изменения затрат от размера аэрофотосъемочного участка.
Согласно приведенным графикам на рис. 1 и 2, лимит экономической эффективности использования БПЛА при аэрофотосъемке лежит вблизи значения 5 км . Однако следует также учесть большую гибкость использования БПЛА и меньшую совокупную стоимость оборудования, что несколько расширяет этот предел. Структура затрат при выполнении АФС работ с использованием БПЛА и АН-30 приведена на рис. 3.
54
Дистанционное зондирование Земли, фотограмметрия
• БПЛА АН-30
Площадь аэрофотосъемочного участка, кв.км
Рис. 1. График зависимости стоимости аэрофотосъемочных работ
от площади участка
Рис. 2. График затрат на АФР на единицу площади в зависимости от площади участка
Рис. 3. Структура затрат на выполнение площадной АФС
55
Дистанционное зондирование Земли, фотограмметрия
Как видно из рис. 3, при АФС участков местности значительных размеров наибольший вклад в затраты вносит создание планово-высотного обоснования. Использование глобальных навигационных систем существенно (ГНСС) уменьшает объем полевых работ. Однако точности ГНСС достаточно только для создания карт и планов масштаба 1 : 2 000 и мельче.
Следует отметить, что приведенные расчеты носят оценочный характер и могут значительно отличаться при другом составе аэрофотосъемочного оборудования или требований технического задания.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Антипов И. Т. Развитие фотограмметрии в России // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Пленарное заседание. - С. 102-137.
2. Петров М. В. Практический опыт использования БПЛА Swinglet производства компании Sensefly (Швейцария) // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. ЕХ Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 1. - С. 152-157.
3. Шрайнер К. А., Макаров И. В. Использование возможностей беспилотных летательных аппаратов для дистанционного зондирования на примере открытых горных работ // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 18 (2). - С. 47-50.
4. Применение малых беспилотных летательных аппаратов для съемки местности и подготовки геоинформационного контента в чрезвычайных ситуациях / В. К. Барбасов, П. Ю. Орлов, П. Р. Руднев, А. В. Гречищев // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. 1Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Раннее предупреждение и управление в кризисных и чрезвычайных ситуациях: предпринимаемые шаги и их реализация с помощью картографии, геоинформации, GPS и дистанционного зондирования»: сб. материалов (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. - С. 61-66.
5. Применение материалов аэрофотосъемки с беспилотного летательного аппарата для картографического обеспечения археологических работ / А. Л. Быков, А. С. Костюк, В. Л. Быков, Л. В. Быков, Л. В. Татаурова, П. В. Орлов, П. М. Погарский // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. ЕХ Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 1. - С. 139-144.
6. Костюк А. С. Расчет параметров и оценка качества аэрофотосъемки с БПЛА // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 4, ч. 1. - С. 83-87
7. Лобанов А. Н. Фотограмметрия. - М.: Недра, 1984. - 552 с.
8. Никитин В. Н., Раков Д. Н. Разработка концепции автоматической системы управления беспилотным аэрофотосъемочным комплексом // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. - С. 8-13.
9. Раков Д. Н., Никитин В. Н. Выбор цифрового неметрического фотоаппарата для беспилотного аэрофотосъемочного комплекса // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. «Гео-Сибирь 2012»: сб. молодых ученых СГГА (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.) - Новосибирск: СГГА, 2012. - С. 27-36.
10. Выбор и обоснование методики расчета экономической эффективности проекта [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://academout.ru/diploms/economics2/20.php.
Получено 23.10.2013 © В. Н. Никитин, Д. Н. Раков, 2013
56
