CC BY
3
УДК 528
DOI: 10.24412/2071 -6168-2024-2-412-413
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ С ПРИМЕНЕНИЕМ
БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
А.О. Хубаев, Н.В. Макаев, Н.В. Шевченко
Настоящая научная статья посвящена исследованию применения квадрокоптеров для повышения эффективности производства геодезических работ. В контексте современных технологических достижений и требований к точности геодезических измерений, данное исследование представляет новый подход к оптимизации процессов съемки и обработки пространственных данных. В статье рассматриваются технические характеристики квадрокоптеров, их преимущества по сравнению с традиционными методами, а также методы оптимизации использования беспилотных летательных аппаратов в геодезической практике. Особое внимание уделяется изучению преимуществ этой технолoгии по сравнению с традиционными методами и разработке способoв использования квадрокоптеров для дoстижения максимальной эффективности и точности геoдезических работ.Необходимость интеграции беспилотных летательных аппаратов в геодезическую практику становится все более актуальной, поэтому исследования в этой области могут сыграть важную роль в раскрытии возможностей и решении проблем, связанных с использованием этой инновационной технологии. Расширение объема исследований в этом направлении представляет собой перспективное направление для научного сообщества и промышленных специалистов в сфере геодезии, что способствует более полному освоению и оптимизации данного метода в геодезической практике.
Ключевые слова: геодезические работы, эффективность производства геодезических работ, беспилотные летательные аппараты, дистанционная съёмка с воздуха, применение квадрокоптеров в геодезии.
В настоящее время в области геодезии и земельного кадастра наблюдается стремительный технологический прогресс, который внес существенные изменения в методы и средства проведения геодезических работ. Одной из наиболее перспективных инноваций в этой области становится использование квадрокоптеров - беспилотных летательных аппаратов, оборудованных специализированными геодезическими сенсорами.
Применение квадрокоптеров в геодезии обещает революционизировать процессы сбора и обработки геодезической информации, а также повысить общую эффективность производства геодезических работ. Этот подход открывает новые возможности в сфере быстрого и точного получения данных для картографии, создания цифровых моделей местности, анализа динамики изменений в ландшафте, и многих других приложений.
За последнее десятилетие произошел настоящий прорыв в развитии гражданских беспилотных летательных аппаратов: значительно уменьшились размеры и стоимость электронного обеспечения (систем связи, компьютерных систем, приемников спутниковой навигации, микромеханических датчиков для инерциальных навигационных систем, фото- и видеоаппаратуры в видимом и инфракрасном диапазоне), появилось новое поколение двигательных установок и аккумуляторов. Также, появилось большое количество различного программного обеспечения для обработки результатов работы беспилотных систем. Уже сейчас беспилотные технологии по доступности приближаются к уровню повседневных технологий [1].
Результаты дистанционного зондирования с воздуха охватывают практически все области применения традиционных геодезических методов. Например, проектно-изыскательские работы для строительства и реконструкции дорог, зданий и сооружений; межевание земель; кадастровая оценка земельных участков; мониторинг инженерных коммуникаций, линий электропередач и трубопроводов; оценка эффективности использования земельных ресурсов; проектирование сельской и городской застройки с определением зон размещения различных объектов; ортофотопланирование для нужд сельского хозяйства и сельскохозяйственных предприятий: определение объема горной массы, подлежащей добыче на подготовительных, горнодобывающих и перерабатывающих предприятиях, добываемых на горно-обогатительных комбинатах, проектирование 3D ГИС, охрана объектов и мониторинг территорий в установленных границах, экологический мониторинг, отслеживание событий в режиме реального времени[4,
5].
Основная часть. Рассмотрим исследования и статьи по применению квадрокоптеров в геодезии, которые проводились в России.
С 2008 года в Сибирском федеральном университете ведется разработка полномасштабной беспилотной системы для решения задач дистанционного зондирования Земли, в первую очередь геофизического направления. В настоящее время доведён до опытной эксплуатации БПЛА Delta с максимальной взлетной массой 6 кг. Этот комплекс используется для решения задач аэрофотосъемки [1].
Статья Блищенко Александра Александровича показывает влияние использования беспилотного летательного аппарата на точность съемки и формирование методики использования геодезического квадракоптера в условиях открытой разработки полезных ископаемых [2].
В статье Ивана Александровича Кноля предложен принцип геодезических измерений, основанный на определении пространственных координат квадрокоптера с роботизированным электронным тахеометром относительно базовой точки и измерении расстояния от квадрокоптера до верхней поверхности стены здания или сооружения с помощью лазерного дальномера. Данный способ выполнения геодезических работ позволяет определить состояние верхней оболочки (крыши), получить в реальном режиме времени пространственные параметры верхней оболочки здания или сооружения, выполнить оценку точности геодезических измерений. Также предлагается, что внедрение методов геодезического мониторинга должно привести к улучшению значений следующих показателей: время, затраченное на сбор и первичную обработку исходных данных; время, затраченное на информационно-аналитическую деятельность; время, затраченное на формирование отчетной информации для лиц, принимающих решения. (ЛПР) [3].
В статье Чернякова Г.В. и Романкевича А.П. объясняются методы использования беспилотных летательных аппаратов и аэрофотоснимков в инженерно-геодезических изысканиях. Анализируются факторы, влияющие на
412
точность аэрофотоматериалов. Делается вывод о целесообразности использования беспилотных летательных аппаратов и аэрофотосъемки совместно с наземной съемкой при инженерно-геодезических изысканиях [7].
Использование БПЛА обеспечивает быстрое получение реальных трехмерных моделей искусственных сооружений, что является большим преимуществом для диагностики искусственных сооружений; аэрофотоматериалы, полученные с БПЛА, необходимы для развития геоинформационной системы Государственной компании "Ав-тоДор". В последние несколько лет эта работа ведется исключительно с помощью БПЛА в силу их доступности, мобильности и качества получаемых данных[8].
Рис. 1. Геодезический квадрокоптер
Повышение эффективности производства геодезических работ с использованием квадрокоптеров зависит от множества факторов. [9-16] Вот несколько ключевых аспектов, которые оказывают влияние на успешное внедрение и использование квадрокоптеров в геодезии.
Успешный учет и оптимизация этих факторов позволят максимально раскрыть потенциал квадрокоптеров в геодезии, обеспечивая высокую эффективность и точность проведения геодезических работ. Понятие комплексного подхода в повышение эффективности производства работ давно получило распространение среди научного сообщества. [17-25]
Проведём детальный анализ отличий между традиционными методами геодезических измерений и методами, основанными на применении квадрокоптеров. Рассматривая параметры, такие как скорость сбора данных, точность измерений, мобильность и затраты, попытаемся выявить преимущества и недостатки использования квадроко-птеров при выполнении геодезических задач.
Отличия между традиционными методами и методами, основанными на применении квадрокоптеров
№ Наименование Традиционные методы С использованием квадрокоптеров
1 Скорость и эффективность Традиционные методы геодезических измерений, в основном, включают в себя работу с теодолитами, нивелирами и другими традиционными геодезическими инструментами. Они обычно требуют аккуратной установки оборудования, процессов нивелирования и подбора точек измерений. Эти шаги занимают значительное время, особенно при работе на больших территориях. Геодезисты часто вынуждены перемещаться по местности, выполняя измерения вручную, что может быть трудоемким и затратным по времени. для получения данных традиционные методы требуют времени на установку и калибровку оборудования, а также на физическое перемещение геодезиста по местности. Это может быть особенно заметно при работе на больших территориях или в условиях сложного рельефа. Квадрокоптеры предоставляют значительное преимущество в скорости и эффективности. Используя автономные беспилотные летательные аппараты, геодезисты могут охватывать большие площади за короткий промежуток времени. Квадрокоптеры могут выполнять автоматизированный сбор данных, не требуя постоянного присутствия оператора. Это позволяет существенно сократить время выполнения геодезических работ, особенно при выполнении обширных обследований.
2 Точность и разрешение Точность традиционных методов геодезических измерений зависит от множества факторов, включая квалификацию геодезиста, качество используемого оборудования и правильность выполнения измерений. Хотя традиционные методы могут обеспечивать высокую точность, она может ограничиваться техническими характеристиками инструментов и уровнем опыта оператора. Разрешение данных в традиционных методах также может быть ограничено, особенно при работе на больших расстояниях. Современные квадрокоптеры и дроны оборудованы высокоточными глобальными системами навигации (GNSS), инерционными системами и камерами высокого разрешения. Это позволяет получать измерения с высокой точностью и детализацией данных. Высокое разрешение камер также способствует более детальной регистрации поверхности местности. Кроме того, использование GNSS обеспечивает точное определение координат, что дополнительно повышает точность измерений.
3 Доступность и мобильность: Традиционные геодезические методы могут столкнуться с ограничениями в доступности к определенным территориям. Работа с теодолитами и нивелирами может быть затруднительной в труднодоступных местах, таких как высокогорные районы, лесистые участки или места с ограниченной инфраструктурой. Перемещение и установка традиционного оборудования требуют времени и усилий, особенно в условиях с непредсказуемым рельефом. Квадрокоптеры, благодаря своей маневренности и возможности полета в воздухе, обладают высокой степенью мобильности и доступности. Они могут легко преодолевать препятствия, взлетать и приземляться на труднодоступных участках, исследовать высокие или опасные места. Это делает квадроко-птеры прекрасным выбором для задач, связанных с измерениями в труднодоступных и разнообразных условиях.
4 Затраты: Затраты на традиционные методы геодезических измерений могут включать в себя значительные расходы на приобретение и обслуживание специализированного оборудования, такого как теодолиты, нивелиры и приемники GNSS. Важными факторами становятся стоимость обучения квалифицированных специалистов и затраты на транспортировку и установку оборудования на месте работ. Вложения в квадрокоптеры также могут быть заметными, включая стоимость самого беспилотного аппарата, при необходимости дополнительные камеры высокого разрешения, GNSS-приемники и программное обеспечение для обработки данных. Однако, в долгосрочной перспективе, использование квадрокоптеров может снизить общие затраты, уменьшив время, необходимое для выполнения работ, и предоставив более точные и быстрые результаты.
• Вес и грузоподъемность: оптимальные параметры для переноса геодезического оборудования.
• Дальность полета и время работы: влияет на радиус обслуживания и продолжительность съемки.
• Стабильность и точность полета: важно для получения высококачественных данных.
• Разрешение и качество датчиков: определяет точность получаемых геодезических данных.
• Совместимость и калибровка: необходимо обеспечить правильное взаимодействие между квадрокоптером и геодезическим оборудованием.
• Программное обеспечение и обработка данных: специализированные программы для обработки геодезических данных, полученных с квадрокоптеров. Автоматизированные системы планирования маршрутов полета и съемки.
1. Технические характеристики квадрокоптеров:
• Обучение геодезистов и пилотов квадрокоптеров для эффективного управления полетами и обработки данных. Понимание особенностей геодезических измерений сприменением беспилотных летательных аппаратов.
2. Обучение и квалификация персонала:
• Соблюдение законов и лицензирование для использования квадрокоптеров в геодезических работах. Разработка стандартов безопасности и этических норм для предотвращения возможных конфликтов.
3. Правовые и регуляторные аспекты:
г ч
4. Экономическая эффективность:
• Расчет затрат и выгод от использования квадрокоптеров по сравнению с традиционными методами. Оценка возврата инвестиций в внедрение и обслуживание беспилотных систем.
5. Условия среды и местности:
• Адаптация квадрокоптеров к различным климатическим условиям и сложной местности для обеспечения безопасности и эффективности полетов.
Рис. 2 Аспекты, влияющие на использование квадрокоптеров в геодезии.
Сравнение традиционных методов геодезических измерений и методов с использованием квадрокоптеров подчеркивает, что выбор между этими подходами зависит от конкретных требований проекта, условий местности и целей исследования. Оба метода имеют свои преимущества и ограничения, и правильный выбор зависит от конкретных задач и бюджетных ограничений.
На основе анализа можно выделить преимущества и недостатки использования квадрокоптеров при производстве геодезических работ.
Рис. 3. Ортофотоплан с квадрокоптера, построенный из 64 изображений [9]
Рис. 4. Плюсы использования квадрокоптеров
Рис. 5. Минусы использования квадрокоптеров.
Выводы. В данной научной статье было рассмотрено повышение эффективности производства геодезических работ с помощью внедрения технологий использования квадрокоптеров. Статья подчеркивает значимость использования беспилотных летательных аппаратов для сбора геодезической информации, что приводит к существенному улучшению точности и скорости выполнения измерений.
На сегодняшний день большой вклад в развитие прикладывают и современные маркшейдеры. [25] Они активно занимаются внедрением БПЛА с промышленной аэрофотосъёмкой для геодезии и горного дела. Для заказчиков появляется возможность получить изображение в виде сшитого ортофотоплана, или детальную 3D модель для подсчёта объема, или классический топографический план, оформленный согласно ГОСТу в условных обозначениях для сдачи на экспертизу в составе проекта. Примеры работ:
Рис. 6. Ортофотоплан с этапом векторизации
Рис. 7. Ортофотоплан и топоплан в мастабе 1:2000
Для таких работ используются дроны DJI Phantom 4 TEO PPK GNSS. Это первый в мире серийный квадрокоптер с модулем синхронизации. С 2015 года известен под брендом Topodron. Дрон способен обрабатывать до 2250 Га за один световой день, что в более чем в 2 раза быстрее чем у конкурентов. Благодаря встроенному ГНСС приёмнику можно полностью отказаться от наземных знаков для привязки снимков. Также, в совокупности с модулем синхронизации затвора камеры и ГНСС платы появляется возможность получать точные координаты центров снимка (до 2 сантиметров). [25]
ВСТРОЕН ИДЯ CNSS ПЛАТА
DJI PHANTOM Л TEO PPK
ВСТРОЕННЫЙ РАДИОМАЯК ТИГРОМ УХ
КАЛИБРОВАННАЯ КАМЕРА
Рис. 8. Теодрон DJI Phantom 4 TEO PPK GNSS 416
С помощью подобных БПЛА и програмному комплексу, можно в считанные дни рассчитать объем вывезенного/привезенного материала с карьера или завода с точностью до 5%. [25]
В целом, оптимизация процесса геодезических работ при помощи квадрокоптеров предоставляет индустрии мощный инструмент для улучшения эффективности и качества данных, снижения затрат и расширения возможностей при проведении геодезических измерений. Несмотря на ограничения, современные технологии и методы обучения делают использование квадрокоптеров все более доступным и эффективным для широкого спектра геодезических задач.
Список литературы
1. Эпов Михаил Иванович, Злыгостев Игорь Николаевич. "Применение беспилотных летательных аппаратов в аэрогеофизической разведке", Интерэкспо Гео-Сибирь, вып. 2, №. 3, 2012, стр. 22-27.
2. Блищенко А.А., «Формирование и обоснование методики применения геодезического квадрокоптера для маркшейдерских съемок на карьерах», диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Санкт-Петербургский горный университет". 2022г.
3. Кноль Иван Александрович, "Экспериментальные исследования точности геодезического мониторинга верхней поверхности инженерных объектов и сооружений" Вестник СГУГиТ (Сибирского государственного университета геосистем и технологий), вып. 26, №. 2, 2021, стр. 18-27.
4. Погребенная Елена Александровна, «Формирование организационно-экономического механизма планирования и контроля в управлении жилищной недвижимостью»: диссертация на соискание кандидата экономических наук: Пенз. гос. ун-т архитектуры и стр-ва].- Пенза, 2010.- 199 с.: ил. РГБ ОД, 61 11-8/652
5. Okolelova E. Model of investment appraisal of high-rise construction with account of cost of land resources / E. Okolelova, M. Shibaeva, N. Trukhina // E3S Web of Conferences, Samara, 04-08 сентября 2017 года. Vol. 33. - Samara: EDP Sciences, 2018. - P. 03014. - DOI 10.1051/e3sconf/20183303014. - EDN UPNCNK.
6. Осипенко А.Е., Коукал Я., Панин И.А., Иванчина Л.А., Залесов С.В., "Опыт применения квадрокоптера для создания трехмерной модели лесных насаждений" Леса России и хозяйство в них, №. 4 (63), 2017, стр. 16-22.
7. А.П. Романкевич Г.В. Черняков, «Применение беспилотных летательных аппаратов при выполнении инженерно-геодезических изысканий», материалы междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 50-летию каф. геодезии и космоаэрокартографии и 85-летию фак. географии и геоинформатики БГУ, Респ. Беларусь, Минск, 20-22 нояб. 2019 г. / Белорус. гос. ун-т ; редкол.: А. П. Романкевич (отв. ред.) [и др.]. - Минск: БГУ, 2019. - С. 129-132.
8. А. В. Козлов, Д. Д. Фриман, В. В. Еремеев, «Применение беспилотных летательных аппаратов при решении задач управления качеством автомобильных дорог государственной компании «Автодор», ДОРОГИ. Инновации в строительстве №97, Октябрь 2021г., стр. 60-65.
9. Все, что нужно знать о создании ортофотоплана с помощью дронов [Электронный ресурс] URL: https://skymec.ru/blog/drone-use-cases/geodeziya/sozdanie-ortofotoplana-s-pomoshchyu-dronov (дата обращения: 07.02.2024).
10. Хубаев, А. О. Мировая практика в области модульного строительства / А. О. Хубаев, С. С. Саакян, Н. В. Макаев // Construction and Geotechnics. - 2020. - Т. 11, № 2. - С. 99-108. - DOI 10.15593/2224-9826/2020.2.09
11. Лапидус, А. А. повышение эффективности производства зимнего бетонирования посредством применения программного обеспечения "potencial-cwc" / А. А. Лапидус, А. О. Хубаев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2020. - № 5. - С. 18-26.
12. Хубаев, А. О. Повышение эффективности возведения монолитных конструкций с применением технологии виртуальной и дополненной реальности / А. О. Хубаев, С. С. Саакян // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2019. - № 12. - С. 492-495.
13. Khubaev, A. Analysis of physical and mechanical properties of vacuum treated claydite-concrete / A. Khu-baev, T. Bidov, A. Rybakova // MATEC Web of Conferences, Rostov-on-Don, 17-21 сентября 2018 года. Vol. 196. -Rostov-on-Don: EDP Sciences, 2018. - P. 04071. - DOI 10.1051/matecconf/201819604071.
14. Бидов, Т. Х. Организационно-техническое моделирование комплексной системы производства бетонных работ в зимний период при возведении жилых зданий / Т. Х. Бидов, А. О. Хубаев, А. А. Шабанова // Construction and Geotechnics. - 2021. - Т. 12, № 2. - С. 15-25. - DOI 10.15593/2224-9826/2021.2.02
15. Хубаев, А. О. Использование нанотехнологий при изготовлении бетона / А. О. Хубаев, Т. Х. Бидов // Строительство - формирование среды жизнедеятельности: Электронный ресурс: сборник трудов XX Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных, Москва, 26-28 апреля 2017 года. - Москва: Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, 2017. - С. 902-904.
16. Кайтуков, З. Ф. Повышение качества мелкозернистого бетона / З. Ф. Кайтуков, А. О. Хубаев // Научное обозрение. - 2017. - № 15. - С. 39-43.
17. Хубаев, А. О. Организационно-технологический потенциал использования методов неразрушающего контроля при производстве бетонных работ в зимний период / А. О. Хубаев, Т. Х. Бидов // Наука и бизнес: пути развития. - 2018. - № 4(82). - С. 101-104.
18. Lapidus, A. Organizational and technological solutions justifying use of non-destructive methods of control when building monolithic constructions of civil buildings and structures / A. Lapidus, A. Khubaev, T. Bidov // MATEC Web of Conferences, Moscow, 14-16 ноября 2018 года. Vol. 251. - Moscow: EDP Sciences, 2018. - P. 05014. - DOI 10.1051/matecconf/201825105014.
19. Lapidus, A. The study of the calibration dependences used when testing the concrete strength by nondestructive methods / A. Lapidus, T. Bidov, A. Khubaev // MATEC Web of Conferences, Warsaw, 19-21 августа 2017 года. Vol. 117. - Warsaw: EDP Sciences, 2017. - P. 00094. - DOI 10.1051/matecconf/201711700094.
20. Lapidus, A. Development of a three-tier system of parameters in the formation of the organizational and technological potential of using non-destructive testing methods / A. Lapidus, A. Khubaev, T. Bidov // E3S Web of Conferences: 22nd International Scientific Conference on Construction the Formation of Living Environment, FORM 2019, Tash-
417
kent, 18-21 апреля 2019 года. Vol. 97. - Tashkent: EDP Sciences, 2019. - P. 06037. - DOI 10.1051/e3sconf/20199706037.
21. Бидов, Т. Х. Организационно-технологические и управленческие решения использования методов не-разрушающего контроля при возведении монолитных конструкций / Т. Х. Бидов // Научное обозрение. - 2017. - № 13. - С. 54-57.
22. Лапидус, А. А. Формирование производственно-технологических модулей, обосновывающих использование методов неразрушающего контроля при возведении монолитных конструкций гражданских зданий / А. А. Лапидус, Т. Х. Бидов // Наука и бизнес: пути развития. - 2019. - № 1(91). - С. 36-39.
23. Фатуллаев, Р. С. Организационно-технологические решения, обосновывающие проведение внеплановых работ по капитальному ремонту многоквартирных домов / Р. С. Фатуллаев, А. А. Лапидус // Вестник МГСУ. -2017. - Т. 12, № 3(102). - С. 304-307. - DOI 10.22227/1997-0935.2017.3.304-307.
24. Фатуллаев, Р. С. Использование современных строительных материалов как фактор, влияющий на эффективность организационно-технологических решений при проведении капитального ремонта / Р. С. Фатуллаев, Т. Э. Хаев // Перспективы науки. - 2019. - № 5(116). - С. 224-228.
25. Информационный портал teodolit.ru [Электронный ресурс] URL: https://teodolit.ru (дата обращения: 07.02.2024).
Хубаев Алан Олегович, канд. техн. наук, доцент, ведущий научный сотрудник, [email protected], Россия, Москва, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет,
Макаев Николай Викторович, заместитель директора по проектированию, [email protected], Россия, Москва, ООО «Комбинат Инновационных Технологий - МонАрх»,
Шевченко Никита Валентинович, студент, [email protected]. Россия, Москва, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
INCREASE OF EFFICIENCY OF GEODETIC WORKS PRODUCTION WITH APPLICATION OF UNMANNED AERIAL
VEHICLES.
A.O. Khubaev, N.V. Makaev, N.V. Shevchenko
The present research paper is devoted to the study of quadrocopter application for improving the efficiency of geodetic works production. In the context of modern technological achievements and requirements to the accuracy of geodetic measurements, this study presents a new approach to optimising the processes of surveying and spatial data processing. The paper discusses the technical characteristics of quadrocopters, their advantages over traditional methods, and methods of optimising the use of drones in surveying practice. The emphasis is on the study of the advantages of this technology in comparison with traditional methods, as well as on the development of a methodology for the use of quadrocopters to maximise the efficiency and accuracy of surveying. The need to integrate unmanned aerial vehicles into surveying practice is becoming increasingly important and, consequently, research in this area can play a key role in unlocking the opportunities and solving the problems associated with the use of this innovative technology. Expanding the scope of research in this area represents a promising direction for academia and industry professionals in the field of geodesy, which contributes to a more complete adoption and optimisation of this method in geodetic practice.
Key words: geodetic works, efficiency of geodetic works production, unmanned aerial vehicles, remote sensing from the air, application of quadrocopters in geodesy.
Khubaev Alan Olegovich, candidate of technical sciences, docent, leading researcher, alan_khubaev@mail. ru, Russia, Moscow, National Research Moscow State University of Civil Engineering,
Makaev Nikolay Viktorovich, deputy director for design, N_makay@mail. ru, Russia, Moscow, LLC «Combine of Innovative Technologies - Monarch»,
Shevchenko Nikita Valentinovich, student, n1kit0sss@yandex. ru, Russia, Moscow, National Research Moscow State University of Civil Engineering
