Применение беспилотников по созданию цифровых моделей местности, контуров и объемному измерению запасов

Беспилотные технологии, в частности летающие платформы со специализированным оборудованием, все интенсивнее внедряются в гражданские отрасли. В одной из прошлых статей мы рассказали о том, как и где специалисты используют БПЛА для создания цифровых двойников, а также в информационном моделировании зданий (BIM). Эти технологии в сочетании с беспилотниками показали высокую эффективность в геодезии, строительстве и других отраслях. Но это далеко не все направления, где возможно использование беспилотников. В этой статье мы покажем некоторые возможности, которые предоставляет технология беспилотных систем в геодезических исследованиях и анализе запасов полезных ископаемых, отвалов горных пород, товарных запасов в логистических цепочках (склады, порты и т.п.).

Что такое DEM и для чего используется?

Для начала немного разберемся с терминологией, которая в данном случае может кого-то запутать или ввести в заблуждение. 

Аббревиатура DEM (Digital Elevation Model) означает хорошо знакомое специалистам понятие “цифровая матрица высот”. В ряде стран DEM по сути отождествляют с другим термином DTM (Digital Terrain Model) “цифровой моделью рельефа” (ЦМР) или “цифровой моделью местности” (ЦММ), рассматривая DEM в качестве одного из способов представления цифровой модели рельефа. Однако в США и некоторых других государствах между DEM и DTM проводят различие. 

В этой статье мы не будем углубляться в терминологические тонкости и будем подразумевать под DEM и DTM цифровую модель рельефа (здесь и далее DEM или ЦМР), то есть изображение земной поверхности в 3D, которое представляет собой массив точек с конкретной высотой. Если же еще конкретнее, то в ЦМР обычно хранится вся информация о высотах рельефа без данных о растительности, зданиях и иных объектах. Отсюда, частично, и использование термина “модель рельефа”. 

ЦМР являются частью цифровой карты или цифровой модели местности. Чтобы создать такую модель, необходимо собрать исходную информацию (вспоминаем процесс создания цифровых двойников, или виртуальных моделей). Для сбора информации сегодня используют различные методы:

• наземную топографическую съемку,
• фотограмметрию с использование летательных аппаратов (включая беспилотные) или спутники,
• лазерное сканирование с воздуха (включая дроны, оборудованные модулями LiDAR),
• радиолокационная интерферометрия.  

Для получения качественных результатов нужно несколько условий. Они не всегда зависят от техники и оборудования. Тем не менее, применение новых технологий, например, беспилотных систем с мощными камерами или современными сканерами, а также высокопроизводительное программное обеспечение для обработки данных, – важный фактор в получении нужных результатов. 

Из объективных факторов, влияющих на качество данных, следует отметить наличие структурных линий в местности с неровным рельефом. Отсюда использование разных подходов и методики получения данных. Например, наземные и фотограмметрические методы съемки позволяют зафиксировать структурные линии в качестве исходных данных. В отличие от фотограмметрии лазерное сканирование компенсирует отсутствие линий большой плотностью точек. 

Где же можно применять цифровые модели рельефа? Чем они могут быть полезны в практическом плане? Сфер применения ЦМР достаточно много. Вот только некоторые из них:

• Картографирование;
• Мониторинг и прогнозирование ландшафтных процессов для более рационального использования почв, безопасности людей и т.п.;
• Городское и территориальное планирование;
• Проектирование зданий и сооружений.
• Строительство дорожной инфраструктуры и коммуникаций;
• Охрана окружающей среды, включая мониторинг и моделирование экологического характера;
• Создание ЦМР дна водоемов;
• Цифровое моделирование в ГИС для создания электронных карт и навигаторов. 

Это далеко не все. Гражданские специалисты могут перечислить еще несколько направлений, где ЦМР будет весьма полезным. 

ЦМР и использование беспилотных технологий

Поскольку в геодезии и картографии использовать дроны стали довольно рано, то совсем не удивительно, для создания ЦМР самым активным образом используют беспилотники. Развитие программного обеспечения наряду с появлением мощных камер и сканеров ускорило и упростило процесс получения, анализа и обработки данных. 

Сегодня информацию, поступающую с бортовых датчиков БПЛА достаточно легко ввести в любую специализированную программу для фотограмметрии и создать качественную и точную цифровую модель рельефа. Это важно, так как на современном рынке представлено большое количество самых разных моделей дронов от крупных и мелких производителей. 

Достаточно отметить такой факт: ряд компаний, в том числе отечественных, до сих активно используют для этих целей старые модели DJI (Spreading Wings 1000 (s1000), DJI 550 (f550) и старые версии серии Phantom). То есть, даже использование устаревших моделей БПЛА  дает специалистам значительные выгоды и преимущества по сравнению с традиционными подходами. 

Даже относительно устаревшие беспилотные системы дают значительный выигрыш во времени и затратах трудовых, а также финансовых ресурсов на полевые исследования. Для строительных и иных проектов, где время и себестоимость работ играют решающую роль, подобное преимущество становится крайне важным фактором в пользу выбора новых технологий.

 Например, если требуется собрать дополнительную информацию, то наличие хотя бы одного беспилотника с соответствующим оборудованием и ПО лишает необходимости снова направлять на рабочий участок (строительную площадку и т.п.), чтобы собрать дополнительные данные. 

Новые модели DJI, например, промышленный квадрокоптер Matrice 300 RTK и некоторые другие модели из линейки Matrice (в том числе старые платформы 600 Pro) предоставляют пользователям возможность устанавливать собственное оборудование и создавать свои программы обработки данных, используя в качестве интеграции в среду DJI сервис SDK. А конструктивные решения облегчают установку модулей оборудования от сторонних производителей или собственные разработки. 

Процесс создания цифровой модели с помощью беспилотника     

Традиционные подходы к созданию цифровых моделей рельефа хорошо известны. Для нее нужны точные данные об изучаемом участке. Обычно для этого используется геодезическая съемка с привлечением большого количества специалистов. Такая задача и так выглядит трудоемкой, но если речь заходит о больших территориях, то дело осложняется еще более. 

Она требует не только большего количества людей, но и временных затрат, а как следствие, становится невероятно дорогим “удовольствием”. Для коммерческих проектов или проектов, которые рассматриваются в качестве крайне важных для развития территорий, традиционные методы создания цифровых моделей рельефа становятся крайне обременительными. Выход в применении съемки с воздуха. И беспилотники в данном случае будут более эффективным и более дешевым решением, чем самолеты. 

Так как же создается ЦМР с помощью БПЛА? В чем отличие этого подхода от традиционного, если оно вообще есть? Отличий много и они существенны. Сразу скажем, что внедрение беспилотных технологий сократит количество специалистов, которые нужны для полевых исследований, анализа и обработки полученных данных. Исследование даже больших по площади территорий станет намного быстрее и дешевле, потому что вам не потребуется направлять “в поле” десятки и сотни людей, рисковать их здоровьем и даже жизнями, особенно если речь идет о создании модели сложной по своему рельефу местности. 

Основные этапы работы с применением беспилотника могут выглядеть примерно так:

• Предварительный сбор данных об объекте (территории) (расположение, параметры, особенности и др.) для формулировки цели создания ЦМР, расчета времени и затрат, а также планирования работ.
• Планирование работ и миссий БПЛА. Суть этого этапа понятна. Уже на этапе предварительного сбора данных станет более или менее очевидно, какое время потребуется на сбор данных, какое количество специалистов необходимо для реализации, какое оборудование и конкретные модели беспилотников (включая их количество) будут нужны. Планирование также предполагает составление карты полетов и назначение дня (дней) полетов. Сегодня многие детали планирования можно реализовать через специализированные программные приложения, например, DJI FlightHub и другие.  
• Полетные миссии с выполнение съемки / сканирования поверхности. Этот этап также можно автоматизировать уже на стадии планирования в программе DJI FlightHub или других соответствующих приложениях. Беспилотники могут выполнять съемку, пролетая по заранее подготовленному маршруту (даже с указанием конкретных маршрутных точек). Также перед полетом специалисты могут разместить нужное количество точек привязки. После этого выполняется съемка и сбор данных. Для выполнения съемки может потребовать всего 1-2 человека, редко больше.   
• Анализ и обработка данных. Специалисты в офисе могут получать данные непосредственно с борта беспилотника или же заниматься их анализом и обработкой после выполнения всех полетов и передачи данных в офис для работы с ними. На основе полученных данных начинается создание цифровой модели рельефа. Если требуется, выполняются дополнительные вылеты БПЛА для сбора недостающих данных или для уточнения некоторой информации. Для обработки данных и создания ЦМР используется специализированное ПО.
• Использование полученных моделей в проекте.

Аналогичным образом выполняются работы по цифровой модели контуров, где контурные линии предоставляются в векторном формате. Кстати, о контурах, с помощью которых создают карты высот. Эти карты востребованы в самых разных отраслях:

• строительстве,
• горнодобывающей промышленности,
• сельском хозяйстве.

В строительстве такие карты помогают лучше отобразить реальную структуру рельефа. В сельском хозяйстве карты высот часто полезны для планирования работ по посеву и обработке угодий, когда необходимо знать направление потоков воды во время дождей, а также другие детали. Кроме того, такие карты помогают качественно выполнять дренажные работы. 

Что же касается горнодобывающей промышленности, то карты высот наряду с другой информацией могут быть крайне полезны для измерения объемов. Что же касается практического применения дронов M300 RTK для измерения отвалов, то мы рекомендуем вам нашу статью “Применения БПЛА в горнодобыче и геологоразведке”. Здесь можно узнать о совместном проекте компании “СУЭК-Кузбасс”, а также компаний Hive и 4vision по использованию М300 и других промышленных дронов для измерения объемов грунта на промышленных площадках.