CC BY
3Технологии, машины и оборудование для агропромышленного комплекса
Код ВАК 4.3.1 УДК 528.721.221.6:528.8
ПРОБЛЕМАТИКА ПОЛУЧЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ С ПОМОЩЬЮ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ А.П. Татарчук1*, А.С. Гусев1 ХФГБОУ ВО Уральский ГАУ, Россия, г. Екатеринбург
* E-mail: brassica@inbox.ru
Аннотация. В данной работе рассматривается проблематика получения пространственных данных с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Обсуждаются различные типы конструкций БПЛА, включая самолетный и мультироторный аппараты, а также гибридные модели. Основное внимание уделяется использованию беспилотных самолетов и мультироторных аппаратов для сбора пространственных данных. Обсуждаются преимущества и недостатки каждого типа, их применимость в различных сферах деятельности. Обсуждается принцип работы фотограмметрического метода обработки изображений, его преимущества и недостатки. Также приводится пример использования дрона DJI Phantom 4 RTK с модулем Artec для создания картографических данных и трехмерных моделей объектов. Описываются преимущества и недостатки данной технологии, а также проблемы, связанные с ее внедрением в рабочий процесс геодезической компании. Несмотря на некоторые сложности, дроны обеспечивают высокую производительность, точность и способность работать в сложных условиях.
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, аэрофотосъемка, пространственные данные.
THE PROBLEM OF OBTAINING SPATIAL DATA USING UNMANNED AERIAL
VEHICLES A.P. Tatarchuk1*, A.S.Gusev1 1Ural State Agrarian University, Russian Federation, Yekaterinburg.
* E-mail: brassica@inbox.ru
Abstract: This paper discusses the problems of obtaining spatial data using unmanned aerial vehicles (UAVs). Various types of UAV designs are discussed, including aircraft and multirotor vehicles, as well as hybrid models. The main focus is on the use of unmanned aircraft and multirotor vehicles to collect spatial data. The advantages and disadvantages of each type and their applicability in various fields of activity are discussed. The principle of operation of the photogrammetric image processing method, its advantages and disadvantages are discussed. An example of using the DJI Phantom 4 RTK drone with the Artec module to create cartographic data and three-dimensional models of objects is also provided. The advantages and disadvantages of this technology are described, as well as the problems associated with its implementation in the workflow of a geodetic company.
Despite some difficulties, drones provide high performance, accuracy and the ability to work in difficult conditions.
Keywords: unmanned aerial vehicle, aerial photography, spatial data.
Беспилотники - это летающие роботы, способные самостоятельно принимать решения. Особенно востребованы беспилотные летательные аппараты в профессиональной сфере. Они оснащены вычислительным блоком и контроллером, которые позволяют им автономно функционировать.
Беспилотные летательные аппараты делятся на несколько типов конструкции, включая эстетический и динамический типы. Аэродинамические беспилотники, в свою очередь, подразделяются на самолеты, мультироторные аппараты и гибридные модели.
Рассмотрим более подробно самолетный тип. Это обычные самолеты без пилота, которые включают как пассажирские, так и грузовые аппараты. Беспилотные самолеты этого типа требуют взлетно-посадочную полосу или специальные катапульты, иногда используются другие взлетно-посадочные устройства. Важно отметить, что такие самолеты не могут останавливаться в воздухе, а всегда должны находиться в движении.
Беспилотные мультироторные аппараты имеют свои особенности. В отличие от самолетов, у них отсутствует аэродинамика. Если у самолета выключатся двигатели, он может продолжать планировать, а у мультироторных аппаратов такой возможности нет. Они зависят только от силы винтов и движутся исключительно благодаря этому. Взлетно-посадочная площадка для них не требуется, и они могут оставаться на одном месте или зависать над точкой. Однако они не способны планировать и оперируют исключительно силой своих приводящих в движение винтов [1].
Итак, беспилотные летательные аппараты разных типов обладают своими особенностями. Создание беспилотных систем требует аккуратного планирования и учета всех факторов, чтобы обеспечить их безопасное и эффективное функционирование.
Существует различные типы мультироторных беспилотных летательных аппаратов, в зависимости от количества лучей и расположения пропеллеров. Наиболее распространенным типом является квадрокоптер, который представлен на картинке. Он состоит из четырех воксовых коптеров, каждый из которых имеет по одному пропеллеру. Квадрокоптеры популярны из-за своей простоты, универсальности и производительности. Они могут далеко лететь и поднимать большие грузы относительно своей массы. Кроме того, они легко ремонтируются и модернизируются. Квадрокоптеры являются наиболее популярным выбором в эксплуатации беспилотных летательных аппаратов из-за своей простоты и эффективности. Однако также существуют и другие типы мультироторных аппаратов, включая гексакоптеры и конвертопланы, которые используются для решения различных задач. Каждый тип имеет свои особенности и применимость. Гексакоптеры более сложные и менее распространенные, чем квадрокоптеры, однако могут быть более производительными. Также стоит отметить, что есть гибридные схемы, где аппарат может лететь как вертикально, так и горизонтально. Каждый тип имеет свои
преимущества и ограничения, и выбор того или иного типа зависит от конкретной задачи, которую нужно решить. Дирижабли также являются одним из типов беспилотных летательных аппаратов. Они могут лететь на большое расстояние и поднимать большие грузы, но при этом слабо-маневренные и требуют большого места для взлета и посадки [2,3].
В последнее время беспилотные летательные аппараты все чаще применяются в различных областях, так как такие устройства обладают рядом полезных характеристик - грузоподъемностью, скоростью полета и маневренностью. В зависимости от ситуации, даже высота полета может быть изменена для достижения требуемых результатов. От определения размеров объектов и расположения, до получения данных о топографии и создания планов - промышленные дроны предоставляют необходимый объем пространственных данных.
Одним из самых эффективных методов получения геопространственных данных является воздушное лазерное сканирование. Благодаря высокой плотности измерений, этот метод позволяет получить информацию даже из густой растительности, что помогает обнаружить визуально скрытые объекты и определить их точные размеры. Принцип работы прост - лазерный сканер излучает импульсы, которые отражаются от поверхности объектов различной плотности и отражаются с разной интенсивностью. Благодаря этому, объекты могут быть точно идентифицированы.
Полученные данные затем преобразуются в цифровую модель рельефа, которая служит основой для создания топографического плана. Одним из основных преимуществ этого метода является быстрый результат - время обработки занимает менее одного часа с момента проведения сканирования. Кроме того, важно отметить возможность получить данные даже в сложных условиях освещения, а также получение точных результатов в независимости от освещения. Однако, следует учитывать и некоторые недостатки, включая высокую стоимость оборудования и сложность обработки данных [4,5].
Еще одним распространенным методом получения пространственных данных является цифровая аэросъемка. Она основана на фотографировании поверхности территории с небольшим перекрытием и получении точных координат снимков. Данные обрабатываются с использованием фотограмметрического метода - поиск общих точек на разных изображениях, из которых создается облако точек, описывающее местность. Этот метод обладает некоторыми преимуществами, такими как высокая производительность, высокая детализация изображений и более низкая стоимость оборудования. Однако, его недостатками являются ограниченность качества данных в зависимости от освещенности, а также более длительное время обработки данных.
Например, элементы зданий и сооружений, растительность и подобное, а также искусственные фотографии, которые являются цифровым и плоским отображением местности или объектов, создаются на основе перекрывающихся фотоснимков. С помощью фотоплана можно провести инвентаризацию различных объектов и создать математическую модель трехмерного объекта или местности с геодезической привязкой [2,3]. Индустриальное решение DJI Phantom 4 RTK является компактной и
точной платформой для картографирования на небольших высотах. В данном дроне интегрирован модуль Artec, благодаря чему пользователи могут рассчитывать на позиционирование в реальном времени с точностью до сантиметра. Резервный GNSS-модуль обеспечивает стабильность полета в районах с низким уровнем сигнала. Дрон оснащен калиброванной 20-мегапиксельной камерой с механическим затвором, который предотвращает смазанность изображения при резких движениях. Технология Time Sync применяется для синхронизации системы с микросекундной точностью. Phantom 4 RTK идеально подходит для картографирования больших территорий, так как может находиться в воздухе до 30 минут и передавать видео и изображения на расстояние до 7 километров без прерываний. DJI Matrice 300 RTK - это универсальный дрон с расширенными возможностями искусственного интеллекта, эффективной системой позиционирования и обнаружения препятствий в 6 направлениях. Он идеально подходит для аэрофотосъемки и лазерного сканирования, а также может нести практически любую полезную нагрузку весом до 2,7 килограмма. Мatrice 300 RTK способен находиться в воздухе до 50,5 минут без нагрузки и до 35 минут с нагрузкой в два килограмма, а также передавать данные на расстояние до 15 километров. Предусмотрена горячая замена аккумулятора. Корпус дрона имеет степень защиты IP45, поэтому его можно использовать при температуре воздуха от минус 20 до плюс 50 градусов Цельсия. Он демонстрирует устойчивость при порывах ветра до 15 метров в секунду, что было подтверждено при эксплуатации дрона в условиях скорости ветра до 25 метров в секунду. Еще одной важной особенностью Matrice 300 RTK является время подготовки дрона к запуску, которое занимает около 2 минут. Система представлена модулем контроллера GNSS, подвесом и камерой с точностью в микросекундах, трехосевым стабилизатором и функцией Smart Apple Tether, ускоряющей создание 3D-моделей и повышающей их качество. DJI Zenmuse P1 - это камера, объединяющая в себе полнокадровый датчик с фиксированным фокусом на трехосево стабилизированном подвесе. Она представляет собой решение для фотограмметрических полетов, способное вывести эффективность и точность на новый уровень. Камера Zenmuse P1 особенно рекомендована для аэрофотосъемки огромных площадей и обеспечивает расширенный динамический диапазон, что повышает качество снимков. Полнокадровый высокочувствительный датчик способен делать новые снимки каждые 0,7 секунд, что позволяет отснять около трех квадратных километров за один полет или до 22 квадратных километров за пять минут. Функция System Time Sync хранит точность модуля контроллера, GNSS-модуля, подвеса и камеры с точностью до микросекунд. Головное устройство основано на трехосево стабилизированном подвесе, в котором объединены модуль лазерного сканера и высокоточный L1-лидара с дюймовым обнаружением. Устройство простое в использовании и легко интегрируется с дронами DJI. L1 передает полученные данные на пульт управления в режиме реального времени, что позволяет объективно оценивать ситуацию на месте и быстро принимать обоснованные решения для достижения высокой результативности. Lidar поддерживает до трех отражений и имеет максимальную рабочую высоту полета до 190 метров. С
помощью системы L1 можно получать достоверные данные о рельефе с точностью, соответствующей графическому плану на различных масштабах, до 1:500, в зависимости от высоты полета.
Используя дроны в качестве дополнительной технологии, можно выйти на новый уровень получения пространственных данных. Рассмотрим основные плюсы и минусы таких технологий, а также проблематику их внедрения в рабочий процесс предприятия. GNSS с предоставляет множество преимуществ, методики и правила описаны в своде правил, а приборы внесены в средства измерения [3]. Дроны обеспечивают возможность проводить съемки в любую погоду, обеспечивая высокую точность и позволяя снять все за один раз. Таким образом, можно получить около 90-95% информации для топографического плана за один вылет в поле. Однако, низкая скорость и большая трудоемкость работ, а также высокая стоимость и большие затраты являются недостатками данной технологии. Кроме того, существуют некоторые сложности с сертификацией и методологией, а также сложности интеграции дронов в рабочий процесс. Тем не менее, дроны обладают высокой производительностью и способностью работать даже в стесненных условиях, а также позволяют сократить сроки работ и повысить точность. Кроме того, для выполнения задач достаточно одного-двух специалистов. Однако, есть зависимость от погоды и сезона времени суток, а также необходимость постоянного повышения квалификации. Важно сохранять недоверие к новым технологиям из-за нехватки опыта и знаний. Дроны могут быть использованы для выполнения специфических задач, например, съемки линий электропередач, как с помощью аэрофотосъемки, так и лазерного сканирования. Обе технологии предоставляют точные данные, которые могут быть использованы для внесения в топографический план. Для съемки лесных насаждений, как правило, применяется лазерное сканирование, которое позволяет измерить даже толщину стволов деревьев. Обработка полученных данных производится с помощью программного обеспечения, подобранного индивидуально с учетом задачи. Программы, такие как Civil 3D, позволяют наложение топографической съемки на ортофотоплан, что облегчает обследование необходимых зон. Для обработки данных, полученных методом лазерного сканирования, удобно использовать программы типа Тир 1, которые позволяют получить информацию о рельефе местности и деревьях. Беспилотные технологии позволяют сократить затраты, ускорить процесс создания топографических карт и планов работ по инвентаризации и капитальному строительству, а также решать множество других задач.
В итоге, выбор между лазерным сканированием и аэросъемкой зависит от конкретных задач, и условий. Лазерное сканирование обеспечивает точные данные для создания цифровой модели местности, в то время как аэросъемка позволяет получить большую детализацию изображений. Каждый из методов имеет свои преимущества и недостатки, и определить, какой из них подходит для конкретной задачи, требует комплексного подхода и оценки всех факторов.
Библиографический список:
1. Брагина Е.В., Райская В.В., Лещенко А.П. Развитие технологий автоматизированного дешифрирования материалов космической съемки в интересах решения прикладных задач МЧС России 27
// В сборнике: Совершенствование тактики действий спасательных воинских формирований (СВФ) МЧС России. Сборник трудов ХХXI Международной научно-практической конференции. ФГБВОУ ВО «Академия гражданской защиты МЧС России». Химки, 2021. С. 58-67.
2. Гусев А.С., Вашукевич Н.В., Старицына И.А., Беличев А.А., Смирнова А.Д. О некоторых аспектах использования материалов дистанционного зондирования в прогнозировании урожайности сельскохозяйственных культур // International Agricultural Journal. 2023. Т. 66. № 3.
3. Митрофанов Е.М. Разработка методики геопространственного анализа деградации лесной растительности по гиперспектральным данным дистанционного зондирования // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Моск. гос. ун-т геодезии и картографии. Москва, 2013.
4. Урасова А.А, Глезман Л.В., Федосеева С.С. Применение беспилотных летательных аппаратов в сельском хозяйстве РФ: оценка региональной популярности потребительских предпочтений // Экономика региона. 2023. Т. 19. № 4. С. 1146-1160.
5. Яичков К.М. Обзор дистанционных методов и их применение для инженерно-геодезических изысканий автомобильных дорог // Актуальные вопросы проектирования автомобильных дорог. Сборник научных трудов ОАО ГИПРОДОРНИИ. 2010. № 1. С. 22-32.
Refere^es:
1. Bragina E.V., Raiskaya V.V., Leshchenko A.P. Development of technologies for automated interpretation of satellite imagery materials in the interests of solving applied problems of the Ministry of Emergency Situations of Russia // In the collection: Improving the tactics of action of rescue military formations (SVF) of the Ministry of Emergency Situations of Russia. Collection of proceedings of the XXXI International Scientific and Practical Conference. Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Academy of Civil Defense of the Ministry of Emergency Situations of Russia." Khimki, 2021. pp. 58-67.
2. Gusev A.S., Vashukevich N.V., Staritsyna I.A., Belichev A.A., Smirnova A.D. On some aspects of the use of remote sensing materials in forecasting crop yields // International Agricultural Journal. 2023. T. 66. No. 3.
3. Mitrofanov E.M. Development of a methodology for geospatial analysis of forest vegetation degradation using hyperspectral remote sensing data // Abstract of the dissertation for the degree of candidate of technical sciences / Moscow. state University of Geodesy and Cartography. Moscow 2013.
4. Urasova A.A., Glezman L.V., Fedoseeva S.S. Application of unmanned aerial vehicles in agriculture of the Russian Federation: assessment of regional popularity of consumer preferences // Economics of the region. 2023. T. 19. No. 4. P. 1146-1160.
5. Yaichkov K.M. Review of remote sensing methods and their application for engineering and geodetic surveys of highways // Current issues in the design of highways. Collection of scientific works of JSC GIPRODORNII. 2010. No. 1. P. 22-32.
