Летающие платформы и программное обеспечение DJI для геодезических исследований

Беспилотные технологии революционным образом меняют многие сферы человеческой деятельности. Одно из передовых направлений, где широко используются промышленные летающие платформы DJI и программное обеспечение этой компании – геодезические исследования и картографирование. 

Традиционные методы работы геодезистов существуют уже не одно десятилетие. По мере совершенствования научных представлений, развития научно-технической мысли и приборостроения геодезические изыскания совершенствовались, становились более точными и занимали все меньше времени. 

Однако даже самые передовые приборы вроде тахеометров, портативных модулей геопозиционирования и базовых станций RTK не позволяют добиться еще более впечатляющих результатов, пока основным “инструментом” исследования остается человек. В итоге, ключевыми проблемами для традиционных геодезических исследований сегодня остаются значительные затраты трудовых и финансовых ресурсов, особенно если речь идет о работах в сложных условиях и выполнении исследований для масштабных проектов.

Когда необходимо выполнение геодезических исследований?

• На этапе проектирования автомобильных и железных дорог (как трасс общего, так и скоростного назначения).
• На этапе проектирования строительства различных объектов: жилых и общественных зданий, инженерных сооружений.
• Для выполнения работ по землеустройству и межеванию.
• При строительстве промышленных объектов, включая отдельные производственные помещения и сооружения.
• При выполнении поисковых работ и нанесения на топоплан различных инженерных коммуникаций (водопроводов, канализационных и электрических сетей.
• Геодезическое сопровождение различных видов работ.
• Съемка фасадов различных зданий.
• Подготовительные работы по реконструированию и капитальному ремонту сооружений.

Как видим, объем работ может быть достаточно приличный, и даже большой команде специалистов может потребоваться много времени на выполнение всех этапов исследования.

Однако на смену привычным традиционным приходят новые методы геодезических исследований, базирующиеся на применении комплекса беспилотных технологий и передового программного обеспечения для хранения, обработки и анализа данных. Сегодня лидером в этой сфере являются решения китайской компании DJI, которая в последние годы развивает такое направление, как промышленные беспилотные технологии. Они носят комплексный характер, так как включают не только инновационные разработки в области летающих беспилотных платформ, но и специализированное оборудование, а также приложения для мобильных устройств и ПК. 

Беспилотные технологии DJI помогают наносить на карту большие участки, где планируется ведение работ или они уже начаты, помогая строителям, подрядчикам и другим заинтересованным специалистам и руководящему персоналу получать подробные и точные данные. С помощью программного обеспечения для планирования полетных заданий и 2D/3D картографирования и моделирования специалисты могут сравнительно легко и быстро собрать геодезические данные и выполнить оценку планируемых или выполняющихся работ на местах. 

Воздушная картография и аэрофотограмметрия приносят очевидные преимущества землемерам и геодезистам. Оставим первых юристам, риэлторам и другим заинтересованным категориям читателей. Нас, конечно же, в первую очередь занимают вопросы геодезии. Но в любом случае аэрофотосъемка, используемая в картографических целях, также будет полезной, ибо она позволяет получать более точные и полные данные. Более того, геодезисты могут получить высокоточную карту с фотограмметрией, которую легко превратить в трехмерную топографическую карту с контурными данными. Ранее этот процесс был чрезвычайно трудоемким и утомительным, не говоря уже о финансовых затратах. Благодаря своему опыту и наличию высококачественного оборудования, такого как устройства RTK GPS, геодезисты могут создавать чрезвычайно точные карты для заказчиков, а беспилотные летательные аппараты помогут специалистам ускорить рабочий процесс и улучшить итоговые показатели. 

Эффективность, безопасность и точность, – вот ключевые преимущества использования беспилотных технологий DJI.  

Первый компонент беспилотных решений – летающие платформы

DJI начала экспериментировать с созданием высокопроизводительных платформ несколько лет назад и за довольно короткое время успела добиться больших успехов, превратившись в несомненного лидера не только в классе любительских, но и профессиональных дронов (гекса- и квадрокоптеров). Платформы Spread Wings и Matrice 100 с их модульной системой установки и подключения основного и дополнительного оборудования завоевали огромную популярность среди профессионалов. Уже тогда некоторые специалисты вполне удачно модифицировали платформы DJI для геодезических работ. 

Компания учла опыт пользователей и выпустила на рынок последовательно несколько моделей дронов (гексакоптер DJI Matrice 600 Pro, квадрокоптеры Phantom 4 RTK и Matrice 200 V2), которые были оснащены штатным оборудованием для исследований, а также допускали установку дополнительных модулей,включая компоненты от сторонних производителей, для воздушной картографии и 3D-моделирования.  

DJI Phantom 4 RTK – компактное и эффективное решение для небольшого объема работ

Хотя квадрокоптеры серии Phantom всегда позиционировались DJI и, соответственно, воспринимались пользователями в качестве любительских, различные версии этих надежных и высокопроизводительных БПЛА с штатной камерой на борту нередко использовали для решения самых разных серьезных задач: от мониторинга до геодезических исследований. 

До появления специализированной модели Phantom 4 RTK (октябрь 2018 года) специалистам приходилось порой “дооснащать” дрон дополнительным оборудованием для повышения точности и качества аэрофотосъемки и фотограмметрии. Поэтому появление на рынке новой модели, многие характеристики и возможности хорошо знакомы пользователям, но которая при этом рассчитана уже на настоящих профессионалов, было удачным ответом DJI на запросы пользователей. 

Для высококачественной аэрофото- и видеосъемки у нового квадрокоптера была установлена мощная камера с большой матрицей в 1 дюйм и 20 Мп. Механический затвор позволяет выполнять съемки, не опасаясь негативного воздействия вибрации или резких маневров на качество кадров. Емкий аккумулятор на борту при полном заряде обеспечивает до 30 минут полета в нормальных погодных условиях при стабильной скорости (максимальная дальность при этом составляет 7 км). Этих исходных характеристик уже вполне хватило бы для различных задач. 

Отличные полетные характеристики, простота управления и эксплуатации, универсальность и надежность остаются основными преимуществами всей линейки Phantom, включая, конечно же, и описываемую модель. Однако для геодезических работ модель Phantom 4 RTK представляет большую ценность не только этим. На борту дрона имеется модуль (приемник RTK), под которым разработчики установили еще и резервный модуль GNSS. Отлично дополняет этот комплект наземная станция RTK. 

Комплекс DJI Phantom 4  RTK можно считать оптимальным решением для выполнения средних по объему задач в сфере картографии и геодезических исследований профессионального уровня. При правильной эксплуатации и использовании всех возможностей беспилотного комплекса специалисты получают данные сантиметровой точности. Помимо этого можно модифицировать аппаратное и программное обеспечение дрона за счет совместимости новой модели с сервисами DJI SDK. То есть, вы сможете разрабатывать собственные образцы оборудования и программные приложения для решения специфических задач, но при этом получить полную интеграцию со средой DJI. Для этого можно использовать удобную мобильную версию DJI SDK. 

Phantom 4 RTK и приложение GS RTK

DJI разработала специальное приложение GS RTK для геодезических исследований. Оно поможет вам настроить интеллектуальное управление дроном и эффективно использовать два режима планирования: Photogrammetry и Waypoint Flight. Режим планирования позволяет автоматизировать рутинные операции: выбор маршрута полета дрона, настройку высоты и скорости, настройку параметров камеры и даже коэффициента наложения, а также ряд других операций, которые необходимы для решения задач автоматической картографии и / или инспекции. Помимо этого данное приложение максимально учитывает потребности пользователей и содержит ряд функций, которые будут оптимальными при выполнении задач геодезического исследования. Команда специалистов может выполнять операции планирования прямо из офиса, заранее загружая пространственные файлы KML, настраивая выдержку камеры и предупреждая операторов на месте об изменениях погоды.

Как выглядит рабочий процесс с использованием комплекса Phantom 4 RTK и GS RTK? На первом этапе команда планирует задание с помощью приложения, когда решается вопрос о типе и протяженности маршрута (например, линейный полет или полет по коридору для проектов, связанных со строительством коммуникаций). На втором этапе собственно происходит сбор данных с помощью дрона. При этом вы можете спокойно работать без установки наземных контрольных точек (GCP) и использовать протокол NTRIP. На завершающем этапе можно приступать к 2D/3D-моделированию, используя возможности приложения DJI Terra, о котором еще будет рассказано. Подобные решения доказали на многочисленных примерах свою высокую эффективность и более простую процедуру выполнения работ. Например, работу команды из 25 специалистов – геодезистов с традиционным оборудованием и использованием инструментальных методов могут заменить 2 специалиста “в поле” и 1-2 специалиста в офисе, “вооруженных” комплексом Phantom 4 RTK и другим оборудованием.

Преимущества комплексного решения “Phantom 4 RTK + DJI Terra”:

• Компактность и удобство транспортировки
• Поддержка работы со станцией RTK/сетью RTK/PPK
• Соответствие требованиям топографии масштаба 1:500
• Экономичность и эффективность.
  

Гексакоптер DJI Matrice 600 Pro – гибкое решение для сложных проектов

Серия Matrice стала одним из самых удачных профессиональных беспилотных решений, эффективным продолжением первой серии промышленных универсальных дронов Spread Wings. При этом в линейке Matrice вы можете встретить различные типы конфигурации БПЛА: как квадрокоптеры вроде серии Matrice 200 двух версий, так и гексакоптеры серии Matrice 600 (далее М600/М600 Pro). 

Чем привлекателен именно DJI Matrice 600 Pro для геодезических исследований? Во-первых, это одно из лучших решений для выполнения достаточно сложных проектов, причем речь может идти о возможности нестандартных решений, использования в качестве полезной нагрузки не только высокопроизводительных камер и модулей RTK, но и оборудования для LiDAR-сканирования. Максимальная полезная нагрузка в 6 кг допускает установку самого разного типа оборудования (включая разные типы LiDAR). 

Гексакоптер оборудован высокопроизводительным полетным контроллером А3 Pro и тремя комплектами модулей IMU и GNSS, за счет чего обеспечивается не только высокая точность пилотирования и съемки, но и надежность работы всех систем в сложных условиях или в случае ошибки/отказа одного из модулей. Наличие дополнительного высокоточного модуля D-RTK GNSS и ряд других особенностей аппаратного обеспечения позволяет дрону эффективно работать даже в условиях магнитных помех. Уровень точности позиционирования 1 см.

Преимущества решения M600Pro + LiDAR и рабочий процесс

• С максимальной полезной нагрузкой в 6 кг летательный аппарат готов взять на борт различные типы оборудования для Lidar-сканирования.
• Наличие резервных модулей и прочная, продуманная конструкция M600 Pro обеспечивают надежное и стабильное пилотирование даже в плохую погоду, например при ветре со скоростью до 8 м/сек.
• Lidar-сканирование обеспечивает эффективный сбор данных высокой точности.
• Программное и аппаратное обеспечение допускают работу в условиях плохого освещения  

Как примерно выглядит рабочий процесс, если вы используете комплекс М600 Pro  и LiDAR? Вы можете задействовать систему мобильного SDK для планирования работ (всей миссии), затем приступить к выполнению сканирования с помощью оборудования LiDAR, а после завершения сканирования приступить к постобработке и сбору статистики. Как и в случае с Phantom 4 RTK, для эффективной работы на М600 Pro и для подключения специализированного оборудования и ПО можно воспользоваться преимуществами открытого DJI SDK. 

С помощью сервиса SDK вы можете подключить следующие виды профессионального оборудования:

• Сканер Lidar
• Наклонную камеру
• Мультиспектральный датчик
• Гиперспектральный датчик
• Другое оборудование

Преимущества всепогодных универсальных квадрокоптеров DJI Matrice 200 V2

За последние 4-5 лет линейка дронов семейства Matrice пополнилась сразу несколькими новыми моделями и сериями. К 600-й серии добавилась 200-я, причем сегодня уже успешно работает второе поколение серии М200 (DJI Matrice 200 V2, DJI Matrice 210 V2, DJI Matrice 210 RTK V2). И именно о ее преимуществах для профессионалов мы и поговорим, в частности с акцентом на использование в геодезических исследованиях. 

200-я серия – это одна из самых интересных и уникальных в своем роде разработок DJI. Она унаследовала лучшие качества предыдущих моделей семейства Matrice: надежность, стабильность, высокую производительность и мощность. Причем все эти качества удалось реализовать на четырехроторной конфигурации. Второе поколение Matrice 200 (M200 V2), которое также представлено тремя модификациями, получило улучшенные аппаратные и программные характеристики, а также новые функции для повышения надежности, удобства эксплуатации и высокой эффективности при выполнении даже самых сложных задач. Дальность полета увеличилась до 8 км, а полетное время составило 38 минут.  

Для сложных геодезических исследований наиболее интересной будет модификация Matrice 210 RTK с мощной и точной системой RTK и мобильной станцией D-RTK 2. Использование такого комплекса позволяет добиться данных сантиметрового уровня точности. Таким образом, это практически идеальная система для воздушной съемки и картографии. Об этом свидетельствует также возможность подключения разных типов подвесов с камерами Zenmuse, причем в разной конфигурации, в зависимости от модели.

Дроны серии Matrice 200 V2 совместимы с мобильной и бортовой версией комплекта для разработки ПО DJI (Mobile / Onboard Software Development Kit (SDK)), предоставляющими программистам создавать индивидуальные решения для планирования полетного задания, сбора данных и анализа. 

Программные пакеты для геодезических исследований: DJI Terra и DJI GS Pro

В беспилотный комплекс DJI для геодезических исследований помимо дронов и подвесного оборудования также входит программный пакет. Среди наиболее интересных разработок DJI в этом плане интересны приложения DJI Terra и DJI GS Pro. 

Первой на рынок была выпущена система DJI Ground Station Pro (GS Pro), которая разработана для установки в качестве приложения на iPad. Программный пакет позволяет существенно повысить эффективность работы беспилотного комплекса, а именно: 

• Выполнять в автоматическом режиме полетные задания.
• Управлять полетными данными в облаке.
• Выполнять совместную работу на всем протяжении проекта. 

Приложение GS Pro создавалось в расчете на работу со следующими платформами DJI и полетными контроллерами:

• Mavic 2 Pro, Mavic 2 Zoom, Mavic Pro, Phantom 3 Standard/4K/Advanced/Professional, Phantom 4/Pro/Advanced/V2, Phantom 4 RTK, Mavic 2 Enterprise Dual, Mavic 2 Enterprise.
• Inspire 1/Inspire 2, Matrice 100,Matrice 200/210/210 RTK, Matrice 600/600 Pro,A3, N3

Оно также может работать со штатными камерами следующих платформ и систем: Mavic 2 Pro, Mavic 2 Zoom, Mavic Pro, Phantom 3 Standard/4K/Advanced/Professional, Phantom 4/Pro, Zenmuse X3, X5, X5R, X4S,X5S, Z3, Z30, XT, XT2.

Приложение DJI Ground Station Pro является бесплатным, а поскольку оно разработано самим производителем, то у специалистов не возникает проблем при интеграции различных систем в единое целое во время осуществления проекта. Сокращается и количество самих специалистов, необходимых для включения в рабочий процесс. Планирование задач и их реализация в виде картографирования и/или геодезических исследований могут выполняться минимумом профессионалов. 

DJI Terra

До появления специализированного приложения DJI Terra выполнение задач в рамках геодезических исследований было намного сложнее. Теперь же имеется очень удобное в работе, интуитивно понятное специализированное картографическое ПО. Им можно пользоваться по подписке и решать самые сложные задачи. DJI Terra представляет собой специализированное приложение для установки на персональный компьютер. В нем вы можете заниматься автономным планированием маршрутов, выполнять контроль аэрофотосъемки и реконструкцию 2D и 3D моделей, а также их измерение. 

По сути, вы получаете решение «все в одном», которое повышает эффективность всего рабочего процесса наряду с его упрощением для специалистов. Например, благодаря DJI Terra вы сможете использовать преимущества различных типов миссий и их планирования: Waypoints (по точкам маршрута), Area (в рамках определенной зоны) и Oblique (наклонная съемка). Кроме этого, вам будет доступен функционал создания 2D/3D-моделей и многое другое.

Основные функции DJI Terra:

• Умное планирование маршрута

Поддерживает несколько способов планирования маршрута, таких как полет по точкам маршрута, 2D-картографирование и планирование полета для наклонной съемки.

• Картография в реальном времени

Поддерживает картографию в реальном времени

• TDOM

В ходе пост-обработки изображений можно создавать ортофотоизображения высокой точности и качества

• 3D-моделирование

После планирования миссии наклонной съемки можно быстро создать 3D-модель.

Геодезические исследования: пользовательские сценарии

Беспилотные решения DJI для геодезических исследований могут использоваться различных пользовательских сценариях, например: 

• Для реновации города
• Для кадастрового управления
• Для ГИС в сфере общественной безопасности
• Для концепции “Умный город”
• Для подготовки мероприятий по аварийно-спасательным работам
• Для городского планирования
• Для территориального планирования
• Для строительства

Одним из таких пользовательских сценариев стало использование беспилотников DJI для строительства дорожной инфраструктуры государственной компанией “Автодор”. Компания применяет флот дронов для реализации проектов новых дорог, в частности для получения данных и обработки информации. Беспилотные решения теперь все чаще заменяют традиционные инструментальные геодезические методы. Особенно эффективно такая модель работает при реализации проектов в сложных условиях рельефа, но не только.

Применение беспилотного комплекса DJI Phantom 4 RTK с мобильной станцией D-RTK-2

Компания “Автодор” использует для исследования зон, которые планируется включить в проект, беспилотный комплекс, включающий дрон DJI Phantom 4 RTK и мобильную станцию D-RTK 2 MobileStationCombo. Это эффективное и мощное решение, которое с успехом применяется специалистами российской госкомпании не только для геодезических исследований и картографирования, но и для мониторинга строительства. Комплекс, оснащенный модулем RTK, помогает выполнять операции по картографированию с высокой точностью (погрешность по вертикали и горизонтали не превышает ±0.1 м), что работает в тех ситуациях, когда специалисты подключают мобильную станцию и выполняют работу в обычном режиме. Воздушная съемка с помощью Phantom 4 RTK дает более детализированную фотограмметрическую модель для ускорения исследования местности и, в итоге, помогает получить картографические данные высокой точности. 

Преимущества беспилотных решений для компании “Автодор”:

После тестовых и “боевых” опытов применения беспилотных решений с Phantom 4 RTK специалисты пришли к выводу, что новый метод эффективнее инструментальной съемки, особенно в местности со сложным рельефом. Таких зон, где планируется дорожное строительство, в России достаточно много. Например, применение беспилотников значительно облегчит и удешевит строительство автомагистралей в рамках проекта “Западный Китай – Западная Европа”. Среди основных преимуществ беспилотных решений в геодезии специалисты “Автодора” отмечают: 

• Возможность оперативно (быстрее, чем раньше) создать цифровую модель местности. Достигается это в первую очередь за счет высокой производительности дронов, которые могут обследовать за сутки десятки и даже иногда сотни километров интересующей дорожников территории. 
• Применение специализированного оборудования, а также датчиков, вместе с возможностью подключения к SDK позволяет решать намного больше задач, например, изучить детально местность с лесным покровом и другой растительностью, что в обычных условиях затруднило бы решение задачи. 
• Специалисты получают весь комплекс данных (причем данные не только очень точные, но и максимально полные) в режиме онлайн. Преимущество здесь как в скорости поступления и обработки данных, так и в их качестве и точности. 
• Существенно экономятся затраты на финансирование исследование, трудовые затраты, а также время на обследование территории. 

Такое преимущество, как экономия времени и оперативность можно проиллюстрировать следующим примером, который приводят специалисты “Автодора”: работа выполненная беспилотным комплексом Phantom 4 RTK за один час при обычных методах и затратах выполнялась за четыре дня. Количество сотрудников, которые были задействованы, при этом в 2-3 раза меньше. 

Заключение

Преимущества применения дронов и беспилотных комплексов DJI для геодезических исследований очевидны. Если коротко, то их можно свести к следующим тезисам: 

• Стабильность, безопасность и надежность. Они выражаются не только в прочной и надежной конструкции, но и в резервировании ключевых модулей, а также возможность многих моделей дронов (Мatrice 200) работать в любую погоду.
• Простота эксплуатации и возможность постоянного обучения и совершенствования работы с беспилотными платформами. Для этого можно использовать встроенные симуляторы и программы DJI для обучения. 
• Гибкость и универсальность. Многие беспилотники DJI, но особенно серия Matrice, отличаются гибкостью и универсальностью в использовании за счет возможности установки разнообразного оборудования и подключения к сервисам SDK от DJI. 
• Интеллект и быстрая реакция на команды. Беспилотные решения (как сами дроны, так и программные пакеты) позволяют использовать широкий функционал и интеллектуальные функции для безопасного пилотирования и эффективного выполнения задач разного уровня сложности.