Беспилотные технологии и традиционные методы геодезического исследования

Какие преимущества и возможности у беспилотных технологий в геодезических исследованиях? Что уже применяется в российской практике?

Геодезические исследования являются важной частью рабочих процессов в разных видах деятельности: в строительстве (зданий и объектов инфраструктуры), геологоразведке и добыче полезных ископаемых, в городском планировании, землеустройстве и межевании, при выполнении кадастровых работ. О том, как сегодня новые, в частности беспилотные, технологии применяются в геодезии и картографии, мы уже неоднократно писали в блоге. Но считаем необходимым сделать нечто вроде обобщающей статьи, в которой показаны возможности и преимущества беспилотных систем в геодезии. Мы никоим образом не хотим сказать, что традиционные методы полностью устарели и срочно нуждаются в полной замене. Однако следует признать, что в ряде случаев они зачастую оказываются гораздо менее эффективными по сравнению с новыми технологиями.   

Традиционные методы геодезических исследований: преимущества и недостатки

Методика проведения геодезических исследований давно известна и мало отличается в плане национальных стандартов и требований. Развитие новых технологий, разумеется, вносит свои коррективы в эту сферу, но в целом традиционные методы и инструменты остаются востребованными. 

Полевые геодезические изыскания обычно выполняются специальными бригадами, состоящими из инженеров – геодезистов. Значительная часть работы выполняется “на земле”. Если задача содержит обследование сравнительно небольшой территории, где нет сложных условий для работы специалистов, то в таком случае существующие традиционные методы и оборудование позволяют выполнить исследовательские задачи качественно, точно и при сравнительно низких производственных расходах. 

Более сложной становится задача по изысканиям на больших территориях. Хотя и в этом случае большая роль остается за наземными исследованиями и измерениями, выполнять их без поддержки с воздуха становится сложно, трудоемко и дорого. Подспорьем становится использование космической и аэрофотосъемки с последующей расшифровкой материала. 

Помимо использования аэрофотосъемки и/или результатов космического зондирования современная геодезия стала активно использовать достижения в области цифровой съемки и обработки изображений, возможности машинного обучения, компьютерного зрения, распознавания образов, двух- и трехмерные реконструкции изображений, машинную графику, цифровую фильтрацию, зрение роботов и многое другое. 

Из других принципиальных изменений следует отметить расширение автоматизации процессов и повышение точности измерений. Последнее, в частности, связано с расширяющимся применением GPS/ГЛОНАСС-технологий и инерциальных систем. Благодаря этому удалось частично снизить трудоемкость работы инженеров-геодезистов и повысить точность углового и линейного положения снимков.

Использование беспилотных технологий для геодезии

С учетом уже описанных серьезных изменений в методике и технологиях геодезических изысканий внедрение беспилотников в производственный процесс не кажется чем-то революционным. Однако это выглядит таким образом лишь при первом приближении. Поверхностный взгляд обычно делает акцент лишь на применении собственно летательных аппаратов с камерами и иным полезным оборудованием. Но за последние несколько лет ситуация в области беспилотных систем изменилась радикальным образом.

Во-первых, сами БПЛА промышленного класса сегодня представляют собой почти полностью автоматизированные платформы с элементами искусственного интеллекта, высокопроизводительным аппаратным и программным обеспечением. Во-вторых, для таких платформ появилось много высококачественного дополнительного оборудования, которое обеспечивает выполнение задач почти любого уровня сложности. В-третьих, специализированное программное обеспечение и соответствующие приложения для компьютеров и мобильных устройств создают единую производственную среду и позволяют эффективно интегрировать беспилотные системы в общий рабочий процесс. 

В России растет применение беспилотников беспилотников в самых разных отраслях народного хозяйства. Многие промышленные компании, занятые в горной добыче, металлургии, строительстве, активно внедряют отечественные и зарубежные разработки в свои бизнес-процессы. Если в начале прошлого десятилетия беспилотники, включая продукцию DJI, чаще тестировали и изучали их возможности, то примерно после 2017-2018 гг. многие компании активизировали интеграцию беспилотных решений в свои производственные процессы. Об одном из таких примеров мы уже рассказывали. 

Беспилотные системы доказали свою эффективность и в геодезических изысканиях. Российские предприятия все чаще применяют БПЛА для фотограмметрии и трехмерной реконструкции наряду с решением других задач (например, для маркшейдерской съемки карьеров). То есть, пока в этом направлении лидерами остаются добывающие компании, хотя есть успешные примеры и из других отраслей. 

Преимущества различных моделей беспилотников DJI в геодезических исследованиях

Геодезические исследования на больших территориях предполагают использование съемки с воздуха для двухмерной и/или трехмерной реконструкции. 

Применение БПЛА, как уже отмечалось выше, зачастую становится наиболее эффективным способом получения данных с воздуха. В отличие от самолетов или вертолетов беспилотные летающие платформы обходятся намного дешевле, даже с учетом подвесного оборудования. Кроме того, современные системы навигации и технологии изготовления планера позволяют беспилотникам работать тогда, когда пилотируемые летательные аппараты вынуждены находиться на земле. 

Важно отметить, что при выборе в пользу беспилотников, особенно летательных аппаратов DJI, у специалистов появляется возможность определять, какой конкретно дрон и какое оборудование им потребуется. Например, если проект имеет не очень большие объемы работы, не требует работы в любое время суток и при любой погоде, то специалистам можно воспользоваться небольшим квадрокоптером DJI Phantom 4 RTK, который был специально разработан для геодезических исследований и оснащен встроенным модулем RTK. Он может работать в связке с мобильной станцией D-RTK 2 (которую можно приобрести отдельно или в варианте Combo вместе с летательным аппаратом P4 RTK).

Преимущества DJI Phantom 4 RTK:

• Комплекс изначально выполнен по схеме полной готовности к полетам и выполнению рабочего задания (Ready-To-Fly), то есть нет необходимости в установке дополнительного оборудования и его сложной настройке.
• Аппарат очень компактный (меньше его на сегодня лишь новый ультракомпактный промышленный квадрокоптер Mavic 2 Enterprise Advanced, который также можно использовать вместе с модулем RTK).
• Квадрокоптер оборудован встроенной камерой с разрешением 20 Мп и 1-дюймовой CMOS-матрицей.
• Простой и интуитивно-понятный интерфейс для управления всеми операциями.
• Высокий уровень автоматизации операций (пилотирования и съемки) снижает почти до нуля риск потери дрона или серьезной аварии.
• Готовые цифровые модели обладают высоким уровень точности (в пределах 2-7 см).
• Встроенный приемник GNSS геодезического класса предоставляет возможность специалистам не использовать во время работы наземные знаки для привязки кадров.
• Использование сразу 2 модулей GNSS во время работы беспилотника обеспечивает большую надежность и точность позиционирования, что особенно важно во время выполнения работ в населенных пунктах.
• Квадрокоптер может находиться в воздухе до 30 минут, предоставляя специалистам больше времени для работы (в среднем за 1 полет БПЛА способен обработать участок площадью от 30 до 50 га).

Даже температурные перепады уже не так  страшны современным БПЛА. Например, благодаря герметичному корпусу и батареям с системой самообогрева промышленные платформы от DJI – Matrice 200/300 способны работать в условиях низких температур, а также во время небольшого дождя или снега. Конкретные технические характеристики аппаратов M200 V2, M210 V2, M210 RTK V2, M300 RTK можно посмотреть на соответствующих страницах.

Статья “Сравниваем DJI Matrice 300 RTK и серию Matrice 200 V2” из нашего блога будет полезна тем, кто хотел бы сравнить технические характеристики и возможности двух поколений промышленных дронов серии Matrice, чтобы сделать для себя полезные выводы и определиться с выбором платформы.

Так вот, возвращаясь к преимуществам беспилотников, следует учитывать еще один немаловажный фактор. Работа в непростых погодных условиях обычно опасна для экипажей самолетов или вертолетов (и специалистов на борту летательных аппаратов). С беспилотниками такой проблемы не существует. В этой связи далеко не лишним будет отметить преимущества новейшего промышленного беспилотника DJI Matrice 300 RTK

Преимущества M300 RTK:

• Высокая продуктивность. Летательный аппарат может находиться в полете до 55 минут (конкретное время зависит от полезной нагрузки и погодных условий). Максимальная полетная скорость превышает 82 км/ч. Три модуля для подключения полезной нагрузки (два внизу и один вверху). Конкретные параметры обработанной площади будут зависеть от типа используемого оборудования, сложности и объема выполнения работ.
• Эффективность. Аппаратное и программное обеспечение позволяет установить на промышленный квадрокоптер M300 RTK сразу несколько видов оборудования, включая камеры для различных типов съемки, модуль LiDAR или иное оборудование. Для геодезических исследований безусловным “плюсом” является возможность установить не только камеры визуальной съемки, но и лидар.
• Удобство эксплуатации. Аппарат получил специальный дисплей полетных данных, который облегчает управление дроном и снижает риск аварий при выполнении сложных заданий. Система двойного управления позволяет выполнять сложные задачи двум пилотам, в нужное время переключаясь между пультами управления, например, если идет обследование большого по площади участка. Интеллектуальные функции пилотирования снижают риск ошибки пилота и утери летательного аппарата с дорогим оборудованием. Сигнальные огни и дополнительное освещение наряду с интеллектуальными функциями позволяют беспилотнику работать в условиях плохой видимости или даже в темное время суток.
• Интеллект и надежность. Летательный аппарат обладает высоким уровнем безопасности и надежности благодаря таким важным функциям, как полеты по точкам маршрута, отметка точек и другие возможности. Система дублирования ключевых модулей повышает надежность полетов и предотвращает аварии из-за отказа одного из важных модулей. Дрон способен выполнять задачи во время небольших осадков и при температурах ниже нуля (до -20 градусов по Цельсию) за счет высокой защиты корпуса (класс защиты IP45).
• Универсальность. Геодезические исследования и задачи топографии могут решать разные задачи. Вам может потребоваться создавать высокоточные снимки поверхности, выполнять точную съемку рельефа и создавать трехмерные модели. М300 RTK подходит для этого, как никакой другой дрон. Вы можете использовать для него фирменные камеры от DJI, включая уникальную универсальную камеру Zenmuse L1 с модулем Livox Lidar.

Конкретные преимущества беспилотников по сравнению с традиционными методами геодезических исследований нами уже указывались в статьях: “Фотограмметрия с помощью дронов в качестве альтернативы классическим методам”, “Как использовать беспилотные платформы, оснащенные LIDAR?” (здесь будет полезен раздел по применению LiDAR в геодезии), “Дроны и геодезические исследования: возможности, преимущества и выбор инструментов” и некоторые другие.

В российской практике геодезических исследований беспилотные технологии уже перестали быть экзотикой и широко применяются компаниями самого разного профиля. Свидетельством этого являются не только примеры использования стандартного аппаратного и программного обеспечения от компании DJI, но и разработка специальных геодезических решений отечественного происхождения для летательных аппаратов DJI.

Исследования и обзоры на эту тему показывают, что на данный момент лидером в применении беспилотных технологий остаются нефтегазовые компании и компании горно-металлургического сектора, что отчасти отражает специфику отечественной экономики. Один из примеров эффективного применения промышленных квадрокоптеров Matrice 300 RTK и Phantom 4 RTK в горно-добывающей промышленности был показан нами в статье “Применения БПЛА в горнодобыче и геологоразведке”.