CC BY
4
Науки о Земле / Earth Science Оригинальная статья / Original Article УДК: 528.4
DOI: 10.31161/1995-0675-2023-17-2-110-117 EDN: YVJYBQ
Применение беспилотных летательных аппаратов для определения местоположения границ охранных зон линейных объектов на примере линий электропередачи
© 2023 Сергеева И. В.н 1 Тихонов А. Д. 1 Кубанова М. С. 2
1 Государственный университет по землеустройству Москва, Россия, Irina.Sergeeva.777@yandex.ruH; tikhonov78@mail.ru 2 Российский университет транспорта (Московский институт инженеров транспорта)
Москва, Россия, kubanova.mariya@mail.ru
РЕЗЮМЕ. Цель. Проведение анализа существующей модели определения границ охранных зон и усовершенствование методики установления границ объектов электросетевого хозяйства путем применения беспилотных воздушных судов. Для выполнения цели проводились исследования аэрофотосъемки путем фотограмметрической обработки и рассмотрения с последующим использованием в картографических материалах. Методы. Сбор, инвентаризация, описание, систематизация, сравнение, анализ и оценка исходных данных в составе картографического метода исследования. Обработка осуществлялась в программном обеспечении Agisoft Metashape: Professional. Результаты. Получение более эффективных способов подготовки землеустроительной документации в отношении объектов электросетевого хозяйства путем применения беспилотного летательного аппарата (БПЛА) и программного обеспечения обработки аэрофотоснимков, а также потенциальное использование искусственного интеллекта. Вывод. Применение беспилотных летательных аппаратов для осуществления геодезической съемки является эффективным методом предварительных работ, необходимых кадастровому инженеру для дальнейшей подготовки описания местоположения границ зон с особыми условиями использования территории в виде охранных зон и направления готового пакета документов в ППК «Роскадастр».
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, аэрофотоснимки, картографические материалы, объекты электросетевого хозяйства, ортофотоплан, границы объектов.
Формат цитирования: Сергеева И. В., Тихонов Д. А., Кубанова М. С. Применение беспилотных летательных аппаратов для определения местоположения границ линейных объектов на примере линий электропередач // Известия Дагестанского государственного педагогического университета. Естественные и точные науки. 2023. Т. 17. № 2. С. 110-117. 001: 10.31161/1995-0675-2023-17-2-110-117 БОИ: УМУВ<Э
Unmanned Aerial Vehicles for Determining the Boundaries of Linear Objects Security Zones on the Example of Power Lines
© 2023 Irina V. Sergeeva^ 1, Alexander D. Tikhonov 1 Maria S. Kubanova 2
1 State University of Land Use Planning Moscow, Russia, Irina.Sergeeva.777@yandex.ruH; tikhonov78@mail.ru 2 Russian University of Transport (Moscow Institute of Transport Engineers) Moscow, Russia, kubanova.mariya@mail.ru
ABSTRACT. Aim. Analysis of the existing model for determining the boundaries of security zones and methodology improvement for establishing the boundaries of electric grid facilities through the use of unmanned aerial vehicles. To achieve the aim, aerial photography research was carried out through photo-grammetric processing and examination with subsequent use in cartographic materials. Methods. Collec-
tion, inventory, description, systematization, comparison, analysis and evaluation of source data as part of the cartographic research method. Processing was carried out in Agisoft Metashape: Professional software. Results. Obtaining more efficient ways to prepare land survey documents for electric grid facilities through the use of unmanned aerial vehicle (UAV) and aerial image processing software, as well as the potential use of artificial intelligence. Conclusion. The use of UAVs for geodetic surveying is an effective method of preliminary work required by a cadastral engineer for further preparation of a description of the boundaries of zones with special conditions for the use of the territory in the form of security zones and sending a ready documents package to Federal Agency of Geodesy and Cartography.
Keywords: unmanned aerial vehicle, aerial photographs, cartographic materials, electric grid facilities, orthophotoplane, boundaries of objects.
For citation: Sergeeva IV, Tikhonov DA, Kubanova MS. Unmanned Aerial Vehicles for Determining the Boundaries of Linear Objects Security Zones on the Example of Power Lines. Dagestan State Pedagogical University. Journal. Natural and Exact Sciences. 2023;17(2):110-117. (In Russ.). DOI: 10.31161/19950675-2023-17-2-110-117. EDN: YVJYBQ
Введение
Электрификация России началась в 20-е гг. прошлого столетия. Был пройден сложный путь от становления топливно-энергетического комплекса до практически полного его разрушения во время Второй мировой войны. Однако в послевоенные годы и до настоящего времени энергетическая мощь нашей страны только растет. Сейчас самые удаленные уголки России подключены к единой энергетической системе [1].
Вместе с тем, надежная эксплуатация объектов энергетики невозможна без соответствующих правил охраны электрических сетей, которые зависят от вида объекта электросетевого хозяйства и конструктивных элементов сооружений.
Независимо от геополитической ситуации в нашей стране правовому обеспечению безопасности эксплуатации объектов электросетевого хозяйства всегда уделялось особое внимание - от Постановлений Совета народных комиссаров СССР от 30.06.1925 г. до новейшей истории и принятии Постановления Правительства РФ от 24.02.2009 № 160 прошло более 80 лет [2; 3]. Однако цели как нынешних, так и ранее действующих нормативных актов в области охраны электрических сетей направлены на решение одних и тех же задач - создание условий для надежного электроснабжения потребителей и защиты как объектов энергоинфраструктуры, так и жизни и здоровья населения РФ.
С развитием электрических сетей особое значение приобретает определение границ как самих объектов электросетевого хозяйства, так и их охранных зон на местности для владельцев объектов энергетики, а также для правообладателей зе-
мельных участков, обремененных такими зонами. В настоящее время в отношении большей части объектов энергетики не определены границы, данный факт является препятствием для осуществления гражданских правоотношений (осуществление сделок с недвижимостью и т. д.) и использования земельных участков в соответствии с существующими ограничениями. Осуществить геодезическую съемку и подготовить необходимые для учета документы в отношении огромного количества электрических сетей является затратным для сетевых организаций и не представляется возможным в ближайшей перспективе в текущих условиях.
Стремительный рост технологий с внедрением беспилотных летательных аппаратов в землеустроительные и кадастровые работы может решить вышеуказанную проблему. Актуальность статьи обуславливается использованием БПЛА, которые помогут оптимизировать работу кадастровых инженеров, сократить время на выполнение полевых и камеральных работ, обеспечить экономию денежных средств, необходимых для производства работ.
Изучение и выявление особенностей применения БПЛА для определения местоположения границ объектов электросетевого хозяйства имеет ряд характерных отличительных особенностей:
1) Увеличение площади картографирования: благодаря высокой скорости и маневренности БПЛА можно выполнять картографирование на больших площадях;
2) точность меньше, чем у традиционной съемки;
3) маленькая грузоподъемность: в разных моделях беспилотных летательных
аппаратов имеются разные характеристики по полезной нагрузке и при выборе БПЛА необходимо учитывать вес камеры, лидара или сканера, который нужно прикрепить к комплексу;
4) неприспособленность к погодным условиям: БПЛА чувствительны к погодным условиям. При сильных ветрах или плохой видимости качество работы БПЛА снижается. Также съемку затрудняет гу-сторастущая растительность и снег;
5) ограниченное время полета: время полета зависит от емкости и заряда аккумулятора;
6) риск зацепления;
7) правовые ограничения: использование БПЛА влечет за собой определенные правовые ограничения и требования к оператору и самому БПЛА. Нарушение этих правил может привести к штрафам.
Целью данной статьи является демонстрация возможности и особенностей использования БПЛА для определения границ объектов электросетевого хозяйства. Для достижения указанной цели решался комплекс задач:
1) Изучение технических и функциональных характеристик БПЛА;
2) изучение ПО Agisoft Metashape: Professional и обработка с помощью него проекта;
3) провести эксперимент путем применения БПЛА и обработки результатов в ПО Agisoft Metashape: Professional c указанием анализа полученных результатов.
Материалы и методы исследования
При проведении научно-
исследовательской работы использованы сбор, описание, сравнение, анализ и оценка картографических материалов в составе картографического метода исследования.
При этом ведущим в данном исследовании является анализ полученных картографических материалов (аэрофотоснимков), предполагающий осуществление сложного процесса тщательного описания и комплексного изучения их элементов и свойств, для получения данных о местоположении объекта капитального строительства электросетевого хозяйства [3].
Анализ картографического материала и всей процедуры определения местоположения границ путем применения БПЛА. Все больше и больше в современном мире на смену тяжелым полевым работам приходят современные технологии. С развитием
технологий появилась возможность производить съемку с помощью БПЛА вместе с геодезическим оборудованием.
Применение беспилотных летательных аппаратов началось еще в начале XX столетия, и тогда их применяли и разрабатывали для военных целей. С развитием технологий такие комплексы начали применять в кадастровых и землеустроительных работах, а также для обороны, транспорта, навигации и других сферах жизни [5].
В данное время представить любую сферу деятельности без применения беспилотных летательных аппаратов очень сложно. Комплексы помогают решить такие проблемы как:
1) Мониторинг пожаров;
2) военная оборона;
3) определение границ объектов на местности;
4) помощь в поисково-спасательных операциях;
5) обнаружение загрязнения территорий;
6) изучение атмосферы.
«Беспилотный летательный аппарат
(дрон) представляет собой воздушное судно без пилота, которое выполняет полет без командира воздушного судна на борту и либо полностью дистанционно управляется из другого места с земли, с борта другого воздушного судна, из космоса, либо запрограммировано и полностью автономно» [6].
Изначально аэрофотосъемка совершалась с пилотируемых летательных аппаратов, либо снимки брались со спутниковой съемки. Максимальное разрешение данных спутников съемки 0,5 м, что бывает недостаточно для крупномасштабного картирования. А традиционная аэрофотосъемка с помощью самолетов и вертолетов требует высоких экономических затрат.
Таким образом, благодаря экономической выгоде и возможности получения более точных данных, популярность беспилотных летательных аппаратов возрастает. Они являются привлекательными как для профессиональных целей, так и для любительских съемок.
Помимо этого, различают следующие типы БПЛА, отличающиеся конструкцией и принципом работы, взлета/посадки и назначения:
1) БПЛА самолетного типа;
2) мультироторные БПЛА;
3) БПЛА аэростатического типа;
4) беспилотные конвертопланы и гибридные модели.
Качество съемки зависит не только от погодных условий, выбора самого беспилотного летательного аппарата, но также и от параметров камеры.
Качество аэрофотоснимков зависит от таких параметров, как:
1) Размер матрицы;
2) разрешение матрицы;
3) светочувствительность:
4) угол обзора;
5) оптические характеристики объектива;
6) физический размер пикселя.
В ходе исследования были проведены следующие этапы работы:
1) Загрузка данных (снимков) в М^азЬаре;
2) обзор загруженных снимков, удаление ненужных;
3) выравнивание аэрофотоснимков;
4) построение облака точек;
5) построение трехмерной полигональной модели;
6) построение цифровой модели местности (ЦММ);
7) построение ортофотоплана;
8) экспорт результатов.
В данной работе рассматривается весь цикл вышеуказанных этапов на примере объекта электросетевого хозяйства, который размещен на территории Приволжского района Самарской области (рис. 1) [4].
Рис. 1. Административное деление и границы Самарской области [7]
Fig. 1. Administrative division and borders of the Samara Region [7]
Для обработки в ПО Agisoft Metashape: Professional был выбран объект электросетевого хозяйства низкого напряжения 0,4 - 6 - 10 кВТ с высотой фотографирования 102 м, фокусным расстоянием 20 мм в системе координат UMC-R10C.
В начале обработки необходимо загрузить исходные аэрофотоснимки линейного объекта.
Далее осуществляется импорт и загрузка координат центров фотографий в местной системе координат. Следующим этапом необходимо выровнять аэрофотоснимки для того, чтобы программа определила положение снимков и в дальнейшем простроила плотное облако точек (рис. 2).
Рис. 2. Выравнивание аэрофотоснимков
Fig. 2. Alignment of aerial photographs
После определения положений аэрофотоснимков и выравнивание снимков необходимо построить плотное облако точек. Программа позволяет создавать плотное облако точек на основании рассчитанных элементов внутреннего и внешнего ориентирования (рис. 3).
Рис. 3. Создание плотного облака точек
Fig. 3. Creating a dense point cloud
Для дальнейшего построения ортофо-топлана необходимо построить цифровую модель рельефа (ЦМР). «ЦМР представляет собой модель поверхности в виде регулярной сетки значений высот» (рис. 4) [8].
Рис. 4. Создание цифровой модели рельефа
Fig. 4. Creating a digital elevation model
Далее необходимо построить ортофо-тоилаи по цифровой модели местности. «Ортофотоплан создается путем орто-трансформирования исходных снимков» (рис. 5) [8].
\
Ч
%
Рис. 5. Ортофотоплан на картографической подложке
Fig. 5. Orthophotoplan on a cartographic substrate
После создания ЦМР и ортофотоплана создается 3D модель местности. Перед созданием трехмерной модели местности необходимо создать текстуру для лучшего отображения цветовых свойств объекта, но так как был выбран объект электросетевого хозяйства текстура не играет роли при создании трехмерной модели (рис. 6).
Далее осуществляются переходы в местную/локальную систему координат. Для корректного преобразования данных в местную/локальную систему координат (СК) готовим файл *.prj, точно описывающий параметры преобразования.
Рис. 6. Трехмерная модель
Fig. 6. Three-dimensional model
В рамках одной местной или локальной СК все параметры, кроме TOWGS84, остаются неизменными. Для выполнения точных преобразований необходимо использовать параметры TOWGS84, получаемые при калибровке (локализация) GNSS сети (проекта) [9].
Далее кадастровый инженер осуществляет подготовку технического плана и описания местоположения границ объекта электросетевого хозяйства в целях дальнейшей постановки на кадастровый учет и внесения сведений об охранной зоне в Единый государственный реестр недвижимости.
Результаты и их обсуждение
Указанная выше графическая часть, а именно трехмерная модель (рис. 6), дает полное представление о рассматриваемой местности с включением всех размещенных объектов.
Лучше всего идентифицируются линейные объекты, а именно дороги.
Программное обеспечение Agisoft Metashape: Professional дает возможность создать цифровые модели и построить ортофотоплан на картографической подложке. Данные результаты отражают расширенные функции применения БПЛА для внесения актуальных сведений в Единый государственный реестр недвижимости. По результатам обработки этих моделей можно сформировать такие документы, как описание местоположения границ охранной зоны, публичного сервитута, межевой план, технический план, проект планировки территории, проект межевания территории, генеральный план, схему территориального планирования и т. д. Особенно актуально применение БПЛА в стесненных условиях, например, территория населенных пунктов.
Осуществление геодезической съемки путем применения БПЛА позволяет осу-
ществить правильную оценку территории в оперативные сроки. Благодаря полученным снимкам и формируемым моделям учитываются особенности территории и применение может расшириться от подготовки землеустроительной документации до мониторинга состояния земель, распространения разрастания опасных растений, эрозии почвы, лесных пожаров и т. д.
Заключение
В рамках данной работы был рассмотрен вариант оптимизации осуществления геодезической сьемки линейных объектов. По результатам проведенной работы можно сделать вывод, что с учетом применения БПЛА выполнение кадастровых работ осуществляется в максимально короткие сроки за счет производства геодезической сьемки большого количества объектов электросетевого хозяйства и элементов окружающей среды.
Путем оптимизации при помощи искусственного интеллекта можно было достигнуть более детального результата, более точных координат, что позволит сократить этапы обработки и получить более качественный материал.
Проекты, созданные с помощью БПЛА, можно улучшить путем применения искусственного интеллекта, а именно применение его в самом летательном аппарате, что позволяет упростить процесс сбора и анализа геопространственных данных.
Использование нейронных сетей для сегментации изображений, полученных с БПЛА, позволяет автоматически выделять различные типы местности, такие как земельные участки, леса, водоемы, дороги и здания.
Искусственный интеллект может быть обучен распознавать и идентифицировать объекты на снимках с БПЛА, такие как здания, дороги, деревья и структуры. В дальнейшем искусственный интеллект может быть адаптирован под местность съемки и включать в себя функцию определения характеристик объектов, таких как высота зданий или тип почвы.
Использование искусственного интеллекта в съемке с БПЛА позволяет увеличить эффективность и точность процесса, сократить затраты и уменьшить человеческую ошибку. Это особенно полезно в сферах геодезии, управления недвижимостью, городского планирования и земельного управления, где актуальные и точные кадастровые данные играют важную роль [10].
Благодаря применению искусственного интеллекта комплекс БПЛА может без вмешательства человека переключать режимы съёмки, что повысит точность аэрофотосъемки, то есть осуществлять работы, сопоставимые с деятельностью геодезистов и кадастровых инженеров.
Список источников
1. История Государственной комиссии по электрификации России: официальный сайт Министерства энергетики РФ. URL: https://minenergo.gov.ru/node/3039 (дата обращения: 07.06.2023).
2. Постановление СНК СССР от 30.06.1925 «О порядке сооружения и регистрации электрических станций и надзора за таковыми» // «СЗ СССР», 1925, № 45, ст. 335; «Известия ЦИК СССР и ВЦИК», 1925, № 168.
3. О порядке установления охранных зон объектов электросетевого хозяйства и особых условий использования земельных участков, расположенных в границах таких зон» (с изменениями и дополнениями): Постановление Правительства РФ от 24.02.2009 № 160.
4. Салищев К. А. Картография. 3-е изд., пере-раб. и доп. М.: Высшая школа, 1982. 272 с.
5. Овчинникова Н. Г., Медведков Д. А. Применение беспилотных летательных аппаратов для ведения землеустройства, кадастра и градострои-
References
1. History of the State Commission for Russian Electrification: official website of the Energy Ministry of the Russian URL: https://minenergo.gov.ru/node/3039 (accessed 07.06.2023). (In Russ).
2. Resolution of the Council of People's Commissars in the USSR dated June 30, 1925 "On the procedure for the construction and registration of electrical stations and the supervision". Collected Laws of the USSR, 1925, No. 45, art. 335; "Proceedings of the Central Executive Committee of the USSR and the All-Russian Central Executive Committee", 1925(168). (In Russ).
3. On the procedure for establishing security zones of electric grid facilities and special conditions for the use of land plots located within the boundaries of such zones" (with amendments and additions): Decree of the Government of the Russian Federation dated February 24, 2009(160). (In Russ).
4. Salishchev KA. Cartography. 3rd ed., revised and enlarged. Moscow, Vysshaya shkola, 1982:272.
тельства // Экономика и экология территориальных образований. 2019. Т. 34. № 1. С. 98-108. DOI: 10.23947/2413-1474-2019-3-1-98-108. EDN: VUULFW
6. Беспилотный летательный аппарат (дрон, БПЛА). URL: https://www.tadviser.ru/index.php/Статья:Беспилот ный_летательный_аппарат_(дрон,_БПЛА) (дата обращения: 07.06.2023).
7. Карта административного деления Самарской области. URL: https://www.samregion.ru/administrativnaya-karta/ (дата обращения: 07.06.2023).
8. Пошаговое руководство: «Построение орто-фотоплана и цифровой модели местности (ЦММ) по данным аэрофотосъемки в программе Agisoft Metashape Pro 1.6 (с опорными точками и без)» URL: https://www.agisoft.com/pdf/MS_1.6_ tutorial_ru_Orthomosaic_DEM.pdf (дата обращения: 07.06.2023).
9. Руководство пользователя Agisoft Metashape Professional Edition, версия 1.6. URL: https://www.agisoft.com/pdf/metashape-pro_1_6_ru.pdf (дата обращения: 07.06.2023).
10. Матюха С. В. Искусственный интеллект в беспилотных авиационных системах // Транспортное дело России. 2022. № 1. С. 8-11. DOI: 10.52375/20728689_2022_1_8. EDN: BBMRRG
(In Russ).
5. Ovchinnikova NG, Medvedkov DA. The use of unmanned aerial vehicles for land management, cadastre and urban planning. Economy and Ecology of Territorial Formations. 2019;34(1):98-108. DOI: 10.23947/2413-1474-2019-3-1-98-108. (In Russ). EDN: VUULFW
6. Unmanned aerial vehicle (drone, UAV). URL: https://www.tadviser.ru/index.php/CTaTba:BecnMAOT h n M_AeTaTeAbH biñ_anna paT_(ApoH ,_BnAA) (accessed 07.06.2023). (In Russ).
7. Map of the administrative division in the Samara Region. URL: https://www.sa m region.ru/administrativnaya-ka rta/ (accessed 07.06.2023). (In Russ).
8. Step-by-step guide: "Constructing an orthomo-saic and digital terrain model (DTM) based on aerial photography data in the Agisoft Metashape Pro 1.6 program (with/without control points)". URL: https://www.agisoft.com/pdf/MS_1.6_tutorial_ru_Or thomosaic_DEM.pdf (accessed 07.06.2023). (In Russ).
9. Agisoft Metashape Professional Edition User Guide, version 1.6. URL: https://www.agisoft.com/pdf/metashape-pro_1_6_ru.pdf (accessed 07.06.2023). (In Russ).
10. MATYUKHA SV. Artificial intelligence in unmanned aircraft systems. Transport Business of Russia. 2022(1):8-11. DOI: 10.52375/20728689_2022_1_8. (In Russ). EDN: BBMRRG
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации Тихонов Александр Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент кафедры информатики, Государственный университет по землеустройству, Москва, Россия, tlkhonov78@mall.ru,
https://orcid.org/0000-0001-9790-0336
Сергеева Ирина Владимировна, аспирант, кафедра информатики, Институт геоинформационных технологий и географии, Государственный университет по землеустройству, Москва, Россия, irina.Sergeeva.777@yandex.ru, https://orcid.org/0009-0006-6685-3729
Кубанова Мария Сергеевна, студентка, кафедра «Высшая школа», Российский университет транспорта (Московский институт инженеров транспорта), Москва, Россия,
kubanova.mariya@mail.ru, https://orcid.org/0009-0001-5556-7819
INFORMATION ABOUT TNE AUTHORS Affiliations
Alexander D. Tikhnov, Ph.D. (Technical Science), Associate Professor, Department of Computer Science, State University of Land Use Planning, Moscow, Russia, tikhonov78@mail.ru, https://orcid.org/ 0000-0001-9790-0336
Irina V. Sergeeva, Ph.D. student, Department of Informatics, Institute of Geoinformation Technologies and Geography, State University of Land Use Planning, Moscow, Russia, iri-
na.Sergeeva.777@yandex.ru, https://orcid.org/ 0009-0006-6685-3729
Maria S. Kubanova, student, Department of Higher School, Russian University of Transport (Moscow Institute of Transport Engineers), Moscow, Russia, kubanova.mariya@mail.ru,
https://orcid.org/0009-0001-5556-7819
Критерии авторства
Сергеевой И. В. подготовлена информация в части истории и развития электрификации и объектов электросетевого хозяйства, анализа территории и картографического материала; Кубанова
Contribution of the authors
Sergeeva I. V. prepared information regarding the history and development of electrification and electric grid facilities, analysis of the territory and cartographic material. Kurbanova M. S. made UAV
Естественные и точные науки ••• 117
Natural and Exact Sciences •••
М. С. сделала теоретический обзор БПЛА с указанием применения, характеристик и технических особенностей БПЛА и программного обеспечения, необходимого для обработки данных. Практическая часть работы с описанием выполняемых этапов, а также выводы по работе подготовлены совместно Сергеевой И. В. и Кубановой М. С. Тихоновым А. Д. произведено курирование написания статьи и внесение необходимых корректировок.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила в редакцию 15.06.2023 Одобрена после рецензирования 19.06.2023 Принята к публикации 21.06.2023
theoretical review with an indication of the using, characteristics and technical features of the UAV and the software required for data processing. The practical part of the work with a description of the stages performed, as well as conclusions were prepared jointly by Sergeeva I. V. and Kubanova M. S. Tikhonov A. D. supervised the writing of the article and made the necessary adjustments.
Conflict of interest
The authors declare no conflicts of interests.
The article was submitted 15.06.2023 Approved after reviewing 19.06.2023 Accepted for publication 21.06.2023
