Отражен опыт применения беспилотных летательных аппаратов в Открытом акционерном обществе «Балтийское аэрогеодезическое предприятие» (ОАО «Балт АГП») для получения материалов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с целью создания цифровых топографических планов масштаба 1: 2000 населенных пунктов в Калининградской области и при демаркации государственной границы Российской Федерации с Литовской Республикой. Намечены пути совершенствования применяемых комплексов с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) для получения материалов ДЗЗ в картографических целях. Отмечено, что для преодоления административных барьеров актуальным является вопрос о совершенствовании нормативно-правовой базы по определению порядка и правил использования воздушного пространства при полетах БПЛА.
Беспилотный летательный аппарат, дистанционное зондирование.
Pilotless plane, remote sensing.
Мирное направление использования беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) чаще всего связано с дистанционным зондированием Земли (ДЗЗ). Основная цель использования БПЛА – получение изображений необходимой территории с заданными характеристиками. Важнейшая задача современных исследований, решаемая с использованием БПЛА, – получение пространственных данных о каком-либо объекте или о местности наиболее экономически и технологически оправданным способом.
Преимущества и уникальность данной технологии для топографо-геодезического производства очевидны.
Аэрофотосъемка с БПЛА используется для создания и обновления цифровых карт и планов тех территорий, для которых отсутствует практическая возможность или экономическая целесообразность детального изучения местности и определения числовых характеристик по космическим снимкам или материалам традиционной аэрофотосъемки. Например на участках:
- покрытых тенями и облаками на космических или традиционных аэрофотоснимках;
- изменении местности преимущественно с линейно-протяженными изменившимися объектами;
- изменений местности при точечной застройке в населенных пунктах;
- изменений местности, требующих оперативного анализа и принятия решений (сезонные изменения местности, например затапливаемые площади разливов рек).
Кроме того, пространственные характеристики по данным, полученным с БПЛА. применяются для мониторинга состояния природных и техногенных систем. Так, например, при сравнении такой информации по аэрофотоснимкам разных годов съемки прослеживается динамика изменения береговой линии крупных рек или влияние антропогенной деятельности на естественные ландшафты. Благодаря отображению на аэрофотоснимках характера почвы (различные оттенки), растительного покрова и т. д., аэрофотосъемка весьма эффективна при лесоустройстве хвойно-лиственных насаждений, учете древостоев, пораженных насекомыми-вредителями, создании почвенных карт культурных земель, обследовании посевов, создании карт севооборота.
Технология фотограмметрической обработки материалов аэрофотосъемки с БПЛА эффективно решает задачу оперативного создания и обновления картографической основы для ведения кадастра объектов недвижимости, землеустройства, контроля и мониторинга земель.
В результате выполнения аэрофотосъемочных работ с применением БПЛА данные о пространственном размещении объектов местности заключены в обработанных изображениях и технических характеристиках конкретного запета. Эти данные могут быть применены для создания и обновления цифровых топографических карт (ЦТК) и цифровых топографических планов (ЦТП). Поэтому использование БПЛА является одним из наиболее развивающихся современных методов картографирования территории.
Аэрофотосъемка с БПЛА перед космической и традиционной имеет следующие преимущества:
- маловысотная (позволяет проводить съемку на высотах от 100 до 1000 м);
- высокое разрешение на местности (видны мельчайшие детали рельефа и объекты даже сантиметрового размера);
- возможность снимать под углом к горизонту (перспективная съемка), что невозможно при космической съемке и довольно сложно при традиционной аэрофотосъемке;
- возможность создания панорамных снимков (спутниковая и традиционная
Аэрофотосъемка не имеют такой возможности); - возможна детальная съемка небольших объектов; технология аэрофотосъемки с БПЛА позволяет проводить аэрофотосъемку небольших объектов и малых площадок там, где сделать это другими видами аэрофотосъемки нерентабельно, а в ряде случаев и технически невозможно;
- возможность выбора погодных условий и времени суток для проведения аэрофотосъемки;
- оперативность (весь цикл от выезда на съемку до получения конечных результатов занимает несколько часов в течение одного дня);
- низкая стоимость (значительно дешевле традиционных методов аэрофотосъемки);
- экологическая безопасность (для работы используется электрический двигатель, что обеспечивает практическую бесшумность и экологическую чистоту полетов).
В картографии в зависимости от видов летательных аппаратов, высоты аэрофотосъемки, целей и задач выполнения аэрофотосъемки материалы ДЗЗ с БПЛА применяются для создания и обновления ЦТК масштабов 1:25 000-1 :10 000 и ЦТП масштаба 1:5 000-1:500.
Технологическая схема, применяемая в ФГУП «Балтийское аэрогеодезическое предприятие» (ФГУП «Балт АГП») при создании (2008-2009 гг.) ЦТП масштаба 1:2000 пяти населенных пунктов Калининградской области, приведена на рис. 1.
 |
Для выполнения аэрофотосъемки с применением БПЛА требуется правовое и техническое обеспечение работы.
Правовое обеспечение работы включало получение разрешения на проведение аэрофотосъемочных работ на территории Калининградской области от Генерального штаба Вооруженных Сил Российской Федерации и разработку, согласование и утверждение исполнителем работ (ФГУП «Балт АГП») «Инструкции по выполнению аэрофотосъемочных полетов с применением БПЛА».
Инструкция по выполнению аэрофотосъемочных полетов с применением БПЛА состояла из следующих разделов:
- текстовая часть;
- карты районов полетов и картограммы планируемой аэрофотосъемки;
- страховки от причинения вреда третьим лицам;
- лицензии на выполнение аэрофотосъемки;
- согласование «Инструкции по выполнению аэрофотосъемочных полетов с применением БПЛА» в ВОСЬМИ организациях, расположенных в городах Москва, С.-Петербург, Калининград, а также в муниципальных образованиях в районах выполнения аэрофотосъемки.
Аэрофотосъемка. Аэрофотосъемка с использованием БПЛА проводилась с целью получения аэрофотоснимков на заданный район с высоты 500 м со средней скоростью полета 70 км/ч в светлое время суток. Взлет и посадка осуществлялись против ветра.
Производство аэрофотосъемки включало следующие этапы:
- анализ метеоусловий в районе проведения работ на планируемый период;
- разработка технического задания на проведение съемки;
- составление плана работ; рекогносцировка местности; проведение полетов; анализ результатов аэрофотосъемки; повторное проведение полетов (при необходимости, по результатам анализа);
- оформление отчетных документов и передача материалов аэрофотосъемки в подразделение, осуществляющее фотограмметрические работы.
Анализ метеоусловий в районе предполагаемых работ проводился с целью определения возможности аэрофотосъемки местности в заданном временном промежутке и составления графика проведения работ.
Техническое задание на проведение аэрофотосъемки представляло собой формализованный документ, отражающий следующие сведения:
- сроки проведения работ; границы района (координаты вершин многоугольника, ограничивающего район работ);
- фокусное расстояние объектива и характеристики матрицы прибора с зарядовой связью (ПЗС) цифровой камеры;
- допустимый диапазон высот аэрофотосъемки;
- масштаб создаваемого ЦТП; рекомендуемое московское время проведения аэрофотосъемки (наличие теней на фотоснимках);
- минимальное продольное и поперечное перекрытие фотоснимков.
В качестве обязательных приложений к техническому заданию прилагались:
- ЦТК местности на район аэрофотосъемки требуемого масштаба с соответствующим классификатором;
- прогноз метеоусловий в районе проведения работ на планируемый период, полученный из официальных источников;
- свидетельство о калибровке цифровой камеры, содержащее данные о элементах внешнего и внутреннего ориентирования и матрицу коэффициентов для устранения дисторсии.
План проведения аэрофотосъемочных работ разрабатывался с учетом технического задания и прогнозного графика, составленного по данным метеоусловий.
При планировании работ использовалась программа аэрофотосъемочных расчетов из состава комплекса площадной съемки. Программа предназначена для расчета прогнозной трассы полета БПЛА, экспонометрического расчета, отображения местоположения БПЛА в процессе полета и оценки качества выполнения аэрофотосъемки.
Программа управления полетом БПЛА позволяла реализовать выполнение следующих функций:
- нанесение района проведения работ на пользовательскую карту;
- расчет маршрутов полета БПЛА по исходным данным:
- по масштабу создаваемого ЦТП и высоте сечения рельефа местности расчет высоты полета БПЛА;
- по параметрам цифровой камеры, величине продольного и поперечного перекрытия аэрофотоснимков, максимальной и минимальной высоте рельефа в районе съемки, скорости и направление ветра – расчет времени выполнения полета, количества снимков на район съемки, скорость движения БПЛА, интервалы съемки;
- в случае, если для покрытия всего района съемки необходимо производить несколько полетов, а также, если старт и посадку БПЛА необходимо выполнять с разных стартовых позиций, – осуществить разбивку района съемки на отдельные участки.
Рассмотрим порядок выбора точки старта и посадки БПЛА:
- точку старта следует выбирать максимально высокой относительно предполагаемого маршрута с минимальным удалением от исследуемых объектов для увеличения полезного времени работы и достижения максимальных результатов;
- площадку для старта предпочтительно выбирать с травяным покрытием; диаметр площадки должен быть не менее 50 м с условием, чтобы на прилегающей местности имелись воздушные подходы в радиусе не менее 200 м и не находилось объектов, препятствующих штатному режиму взлета, посадки и поиску БПЛА (реки, озера, овраги, строения, мачты, вышки и т. п.);
- определить положение сторон света, направление и скорость ветра (при этом следует учитывать, что направление и скорость ветра у поверхности земли и на рабочей высоте аэрофотосъемки могут отличаться);
- определить направление маршрута относительно наземной станции управления и убедиться в отсутствии препятствий в этом направлении для обеспечения прямой радиовидимости;
- определить направление запуска и убедится в отсутствии препятствий в этом направлении;
- убедиться в отсутствии препятствий в зоне посадочной глиссады; при этом следует учесть, что на посадку аппарат заходит против ветра, точка захвата координат является точкой открытия парашюта в режиме автоматической посадки и аварийной посадки в случае потери связи;
- для безопасного запуска и посадки БПЛА необходимо отсутствие препятствий: строений, мачт, вышек, заводских труб высотой более 50 м на удалении 500 м;
- площадка посадки выбирается вблизи точки старта из учета возможности визуального контроля оператором захода на посадку и посадки БПЛА;
- для посадки БПЛА выбирается ровный участок местности диаметром не менее 50 м с травяным покрытием высотой не более 1 м; на площадке не должно быть предметов, при приземлении на которые возможно повреждение БПЛА, а именно: кустов и деревьев, пней и камней, столбов и линий электропередач, зданий и сооружений, водоемов и т. п.;
- посадка производится в ручном режиме на фюзеляж, при этом оператор БПЛА должен иметь возможность свободного обзора в секторе захода на посадку.
Для выполнения аэрофотосъемочных работ использовалась цифровая фотокамера со следующими характеристиками: формат ПЗС-матрицы – 1/1,8″: 0,00718 х 0,00532 м; 3264 х 2448 пикселей: размер пикселя – 0,0000022 м; фокусное расстояние объектива – 0,008 м; угол поля зрения объектива – 48,3°. Результатом аэрофотосъемки являются аэрофотоснимки изображений местности в формате JPEG размером 3264×2448 пикселей и текстовые файлы с навигационными параметрами, полученными бортовым GPS-приемником в момент фотографирования.
Для оценки качества выполненных аэрофотосъемочных работ производился накидной монтаж полученных цифровых аэрофотоснимков с использованием программы аэрофотосъемочных расчетов. При создании накидного монтажа каждый аэрофотоснимок отображался на цифровой карте. Расположение аэрофотоснимков на карте и их масштаб определялись координатами центральной точки аэрофотоснимка, углом азимута и высотой, полученными в момент фотографирования по данным бортового GPS-приемника.
По результатам накидного монтажа оценивались следующие параметры:
- наличие пропусков аэрофотоснимков в маршруте (Пропущенным считается аэрофотоснимок, если продольное перекрытие смежных аэрофотоснимков меньше заданного);
- отклонение масштаба аэрофотоснимков от заданного (не более 5 %);
- продольное и поперечное перекрытие аэрофотоснимков;
 |
- прямолинейность маршрутов (для контроля прямолинейности маршрутов производился монтаж каждого маршрута по начальным направлениям. Главные точки аэрофотоснимков, расположенных на концах маршрута, соединялись прямой, от которой измерялась стрелка прогиба (расстояние от прямой до наиболее удаленной от нее главной точки). Прямолинейность определялась в процентах отношением стрелки прогиба маршрута к его длине. Если стрелка прогиба превышала 2 % от длины маршрута, то маршрут браковался);
- величина продольных углов наклона двух смежных кадров маршрута и взаимных поперечных углов наклона на перекрывающейся части двух смежных аэрофотоснимков соседних маршрутов следующие: углы наклона не должны превышать 3° (число аэрофотоснимков с углом наклона 3° допускается не более 10 % от общего количества аэрофотоснимков на съемочном участке);
- ошибка установки цифровой камеры на угол сноса (не более 6°) [1].
 |
В случае если результаты анализа накидного монтажа не удовлетворяли требованиям к проведению фотограмметрических работ, производили повторное планирование полетов и дополнительную аэрофотосъемку местности. По результатам анализа накидного монтажа программой аэрофотосъемочных расчетов формировался отчет в виде формализованного документа, который вместе с материалами аэрофотосъемки прилагался к акту выполненных работ для передачи в подразделение, осуществляющее фотограмметрические работы.
Перед каждым взлетом производилась проверка всех систем (рис. 2). Взлет и посадка БПЛА осуществлялись против ветра. Взлет с руки, посадка на поле в ручном режиме управления (рис. 3, 4). Высота полетов для АФС с целью создания цифровых планов масштаба 1 : 2000 составляла 500 м. средняя скорость полета 70 км/ч.
Полет по маршруту выполнялся в ручном режиме по видеокамере, контроль места БПЛА производился с помощью навигационной программы, заведенной в управляющий компьютер (рис. 5).
Параметры полета и состояние систем БПЛА постоянно контролировались по специальному табло, выведенному на видеомонитор.
Для обеспечения безопасности полетов руководитель группы постоянно находился на связи с контролирующими органами и руководством ФГУП «Балт АГП».Что касается следующих этапов технологической схемы создания цифровых топографических масштаба 1:2 ООО населенных пунктов в Калининградской области (см. рис. 1), то их выполнение носит традиционный характер.
 |
В 2012 г. ОАО «Балт АГП» для демаркации российско-литовской государственной границы выполнена Аэрофотосъемка с БПЛА полосы местности вдоль государственной границы (рис. 6).
Произведена полевая планово-высотная подготовка аэрофотоснимков, камеральные фотограмметрические работы, изготовлены цифровые ортофотопланы для обновления итоговой демаркационной карты масштаба 1: 10 000.
Выполнение аэрофотосъемочных работ традиционным методом (большим самолетом) предусматривает значительные затраты, особенно в условиях геополитического положения Калининградской области. Так, только на перелет по маршруту Москва – С.-Петербург – нейтральные воды Балтийского моря – Калининград (Литва не разрешает перелет аэрофотосъемочного бортов через свою территорию.) и обратно требуется свыше 700 тыс. руб.
 |
Необходимо также учесть, что аэросъемочные работы с большого самолета можно производить лишь при благоприятных метеорологических условиях и освещенности в весенне-осенний период. В условиях Калининградской области за весь год таких дней наберется только 15-20.
В то же время БПЛА быстро готовится к старту и его можно оперативно применить в момент улучшения погоды. Более того, так как минимальная высота полета составляет 150-200 м, БПЛА может летать под облаками, т. е. практически всегда. Таким образом, несмотря на свой малый размер, БПЛА может быть более производительным, чем обычный самолет.
Аэрофотосъемочные работы при помощи БПЛА позволяют значительно сократить сроки выполнения работ и затраты на их производство учитывая:
- небольшие размеры и вес БПЛА; мобильность, удобство транспортировки: съемные модули и компактность;
- отсутствие необходимости в специальных взлетно-посадочных площадках;
- оперативность в эксплуатации: возможность старта с руки;
- простоту в обслуживании: не требует содержания высококвалифицированного летного и технического состава;
- возможность маловысотной съемки: ниже границы облаков;
- технологию ДЗЗ в реальном масштабе времени на безопасном расстоянии;
- полноту получаемой информации о наблюдаемом районе за счет комплексирования средств наблюдения и оперативности доставки данных;
- интегрированные радиоэлектронные бортовые подсистемы управления, связи, контроля;
- отсутствие необходимости высокозатратного обслуживания.
 |
Цикл подготовки БПЛА к запуску включает сборку, установку заряженных аккумуляторных батарей. Время подготовки к запуску и повторному пуску составляет не более 20 мин. Транспортировка БПЛА осуществляется в эксплуатационной таре, обслуживание БПЛА обеспечивается одним пилотом- оператором, запуск производится с руки.
Неслучайно в аэрогеодезическом предприятии «Opegieka» в г. Эльблонг (Польша), имея большой двухмоторный аэрофотосъемочный самолет Vulcanair Р68 ТС Observer (Италия), оснащенный цифровой аэрофотокамерой широкого диапазона Intergraph DMC-II230, цифровой аэрофотокамерой среднего диапазона IGI DigiCAM60, тепловизорной камерой IGI DigiTHERM, лазерным воздушным сканером RIEGL LMS-Q680i приобрели беспилотную летательную платформу MD4-1000 (Германия), оснащенную цифровым аэрофотоаппаратом, тепловизорной камерой, камерой близкого инфракрасного диапазона и видеокамерой.
Опыт применения БПЛА в ОАО «Балт АГП» для получения материалов дистанционного зондирования Земли показал, что имеющиеся на предприятии комплексы БПЛА необходимо:
- оснастить профессиональным автопилотом с 3-осевым акселерометром, гироскопом и магнитометром, процессором, управляющим авионикой и полезной нагрузкой, энергонезависимой памятью, сохраняющей полетное задание и координаты центров фотографирования;
- для получения более качественных аэрофотоснимков установить современный высококлассный цифровой фотоаппарат;
- для слежения оператором БПЛА в реальном времени за ходом выполнения полетного задания и при необходимости изменения его или прерывания оснастить БПЛА цифровым дуплексным радиоканалом с дальностью работы 10 км;
- для обеспечения безопасности полетов и долговечности БПЛА изготавливать его из более высокопрочных и сверхлегких композитных материалов;
- для обработки аэрофотоснимков необходимо программное обеспечение, которое по материалам аэрофотосъемки автоматически формирует ортофотоплан и матрицу высот.
Несомненно, для преодоления административных барьеров актуальным является вопрос о совершенствовании нормативно-правовой базы по определению порядка и правил использования воздушного пространства при полетах БПЛА.
 |
 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Технологическая инструкция. Аэрофотосъемка с использованием беспилотного летательного аппарата, ШДФИ.501620.004И2.
Summary
The article represents the experience of pilotless plane application in order to receive the materials of remote sensing of the earth for the creation of digital topographic plan on a scale of 1:2 000 communities in the Kaliningrad region and in demarcation of state borders between Russian Federation and Lithuanian Republic.There are outlined the ways of improvement of the complexes applying the pilotless planes in order to receive the materials of remote sensing of the earth for the cartographic purposes.lt is noted that to overcome the administrative barriers becomes actual the question of improvement of legal foundation in determination of order and rules of airspace usage in pilotless plane flights.
Журнал “Геодезия и картография ” выпуск № 1 январь 2013 г.