Беспилотные воздушные комплексы как средство сбора информации для ГИС
Географические информационные системы (ГИС) на
сегодняшний день уже нашли широкое применение на предприятиях самой различной
отраслевой принадлежности.
Как любая другая информационная система, ГИС состоит
из пяти ключевых составляющих: оборудование, программное обеспечение, данные,
методы и специалисты.
Обеспечение предприятия оборудованием, программным
обеспечением ГИС, методами и ГИС-специалистами – это исключительно
организационная задача, которую предприятие должно реализовать на первичной
стадии внедрения ГИС.
Совершенно по-другому выглядит ситуация с данными –
основой любой ГИС. ГИС будет оправдывать ожидания руководителей и специалистов
предприятия только в том случае, если в ее составе будут использоваться достоверные,
актуальные, подробные и непротиворечивые данные.
Традиционно, одним из основных источников данных для
ГИС считаются данные дистанционного зондирования Земли (ДДЗ) – фотоматериалы,
получаемые с искусственных спутников Земли (космическая съемка) и воздушных судов
(аэрофотосъемка).
Спутники дистанционного зондирования Земли на
сегодняшний день представлены очень широко. Получаемые с их помощью снимки
характеризуются доступностью, большим пространственным охватом, высоким
качеством, геометрической точностью и низкой стоимостью. К числу недостатков
спутниковых систем и получаемых с их помощью снимков можно отнести:
сложность подбора
безоблачных снимков из архивов съемки (особенно актуально для условий
Российского Севера);
недостаточная
мобильность при съемке под заказ (планирование съемки осуществляется минимум за
месяц), отсутствие гарантии в получении безоблачных снимков при съемке под
заказ;
недостаточное для
решения многих прикладных задач пространственное разрешение (до 50 см.);
не достаточно
гибкая политика операторов и дистрибьюторов в отношении снимков на компактные
участки (например, минимальная площадь заказа снимка со спутника Quick Bird составляет 25 кв. км.);
высокая стоимость
или невозможность получения стереопар.
Большинство этих недостатков не характерно для
аэрофотосъемки с пилотируемых воздушных судов (самолетов, вертолетов). Однако
содержание авиапарка в современных условиях требует высоких экономических
затрат на обслуживание и топливо, что в конечном итоге определяет высокую
стоимость выходной продукции – аэрофотоснимков, особенно при съемке небольших
по площади участков. Кроме того, на сегодняшний день в нашей стране парк
средств воздушной авиации не располагает достаточным количеством единиц
техники, поэтому заказчик аэрофотосъемочных работ вынужден ждать своей очереди
месяцами, а иногда и дольше. Помимо этого, съемка с пилотируемых воздушных
судов должна производиться, как правило, в безоблачную погоду.
Исходя из вышесказанного, применение спутниковых
систем и пилотируемых авиасредств для получения фотоснимков местности
нецелесообразно в ряде случаев, особенно при потребности в снимках
сверхвысокого пространственного разрешения, съемке небольших по площади и
протяженных объектов, а также когда требуется высокая оперативность. В таких
случаях целесообразно использование аэрофотосъемочных комплексов на базе
средств сверхмалой беспилотной авиации, обеспечивающих высокую мобильность и
низкую себестоимость выходной продукции.
По результатам анализа доступных на мировом рынке
сверхмалых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), предназначенных для
аэрофотосъемки, для исследований и апробации был выбран БПЛА CropCam производства компании MicroPilot (Канада), как
оптимальный по соотношению «качество - технические возможности – стоимость».
CropCam – это легкий планер из стекловолокна,
управляемый миниатюрным автопилотом MP2028g. Оборудование комплекса CropCam
состоит из трех блоков: воздушного, наземного и камерального. CropCam выполняет
полет по заранее спланированному маршруту, ориентируясь по координатам GPS. При этом цифровая камера, установленная на нижней
плоскости крыла планера, автоматически производит съемку в заданных
координатах. Для каждого отснятого изображения автопилот регистрирует его GPS-координаты. Снимки можно получать с взаимным
перекрытием, формируя стереопары. Высота полета и съемки определяется требуемым
пространственным разрешением и разрешающей способностью фотокамеры. Например,
при использовании камеры с разрешающей способностью 3000*4000 пикселей и
требуемым пространственным разрешением снимков 15 см, высота полета составит
около 600 метров. Продолжительность полета планера – около 50 минут.
При этом
половина времени приходится на взлет, посадку и развороты. Это означает, что в
режиме выполнения съемки CropCam работает
около 25-30 минут. Этого достаточно, чтобы покрыть территорию в 400 Га снимками
пространственным разрешением 15 см, с перекрытием 60% в маршруте и 40% между
маршрутами. После получения снимков, они подлежат фотограмметрической обработке
с целью создания на их основе ортофотоплана и цифровой модели местности. В
случаях, когда потребность в геометрически точных материалах фотосъемки
отсутствует, снимки, полученные с помощью CropCam, могут использоваться в ГИС
сразу после проведения их автоматической обработки в программе CropCam Image Software.
Следует отметить, что при проведении космической съемки и аэрофотосъемки с
управляемых летательных аппаратов используются специально разработанные фотокамеры,
которые позволяют получать высококачественный фотоматериал, характеризующийся
высокой геометрической точностью. Установить подобное аэрофотосъемочное
оборудование на сверхмалый БПЛА типа CropCam невозможно из за его значительных
габаритов и массы. Поэтому на CropCam устанавливаются обычные бытовые цифровые
фотокамеры, для которых характерно высокое значение дисторсии объектива. Это
создает определенные сложности при фотограмметрической обработке получаемых
снимков и вносит значительные геометрические ошибки в получаемые фотопланы
местности. Эту проблему можно решить, произведя фотограмметрическую калибровку
камеры и используя для построения фотопланов откорректированные за дисторсию
изображения. Применение откорректированных изображений и использование
современных фотограмметрических программных продуктов вполне обеспечивает
достаточный для большинства практических задач уровень точности фотопланов и
ортофотопланов.
В качестве оценки
целесообразности и эффективности применения БПЛА CropCam для получения
фотоматериала территории, ниже приведен расчет стоимости работ по получению
снимков на лесной участок для целей проведения инвентаризации лесных насаждений
на этом участке.Площадь участка 1400 Га.
Участок расположен в 300 км от г.Сыктывкара. Для получения снимков
с пространственным разрешением 15 см, с перекрытием 60% в маршруте и 40% между
маршрутами, будет необходимо выполнить 4 полета. Отсюда, вычисляем затраты
времени на организацию и выполнение аэрофотосъемки:
время в пути к
месту выполнения работ из г.Сыктывкара и обратно (на автомобильном транспорте)
– 8 часов;
затраты времени
на перемещение в пределах исследуемой территории (поиск площадок для
взлета/посадки) – 4 часа;
подготовка к
полету (сборка самолета, настройка параметров полета, подготовка площадки для
взлета/посадки) – 30 минут на каждый полет, итого 2 часа;
выполнение
полетов- 1 час на каждый полет, итого 4
часа.
Таким образом, для выполнения съемки данного участка
потребуется 18 часов, или 2,25 рабочих дня. Все технологические операции при
организации и выполнении аэрофотосъемки выполняются двумя специалистами. Ниже
приводится таблица с расчетом затрат на выполнение съемки.
Расчет затрат на выполнение съемки:
Из выполненного расчета следует, что затраты на
проведение аэрофотосъемки данного участка с применением БПЛА CropCam составят 11008 рублей. Рассмотрим альтернативные пути
получения данных фотосъемки на эту территорию.
Стоимость космического снимка со спутника Quick Bird
составляет 25 долларов за 1 квадратный километр. Площадь изучаемого участка –
14 кв.км. Однако минимальная площадь заказа снимка Quick Bird составляет 25 кв.км.
Отсюда, затраты на покупку снимка составят 625 долларов (около 19000 руб.). При
этом заказчик съемки оплачивает 56% стоимости за те части снимка, которые, по
сути, его не интересуют. Кроме того, пространственное разрешение снимка Quick Bird
составляет 60 см. Этого может оказаться недостаточно для выполнения работ по
инвентаризации лесных насаждений в камеральных условиях, что повлечет
увеличение объема дорогостоящих и трудоемких полевых работ.
Точных данных о стоимости аэрофотосъемки с
пилотируемого летательного аппарата нет. Однако известно, что только лишь
стоимость аренды самолета АН-2 составляет около 32000 рублей в час. По
некоторым данным, стоимость аэрофотосъемочных работ в этом случае может
достигнуть 300 и более тысяч рублей.
Таким образом, применение сверхмалых БПЛА для
получения аэрофотоснимков весьма эффективно для небольших по площади участков.
Снимки, получаемые с помощью БПЛА на малых высотах, способны обеспечить пользователей
ГИС подробной и актуальной информацией и конкретной территории.
