Пространственная съемка и моделирование с использованием беспилотных летательных аппаратов

Воздушная съемка с применением БПЛА не копирует полностью классическую аэрофотосъемку, а имеет свои отличия. Основное отличие - отсутствие традиционной тяжелой стабилизирующей аэрофотосъемочной аппаратуры. Другое отличие - съемка является не сплошной съемкой поверхности по заранее заданному прямолинейному протяженному маршруту, а управляемой с помощью теленаблюдения и фрагментарной, запускаемой оператором с земли. Классическая аэрофотосъемка производится с одной высоты (обычно от 3 до 10 км). Такие высоты обусловлены тем, что при более низких высотах на снимках появляется смаз изображения, обусловленный высокой скоростью современных самолетов. Съемка с БПЛА может проводиться с разных высот для одного участка местности с высоты от 50 до 500 м. Маршрут съемки с БПЛА может быть криволинейным, а режим прерывистым. Скорость БПЛА на порядки ниже и, главное, он может работать в режиме вертолета - зависать над местностью. Детальность и четкость снимков с БПЛА не уступают качеству аэрофотосъемки. Однако, чем выше съемка, тем больший охват территории фиксируется на снимке. В работе [5] показано, что один космический снимок может заменить до 1000 снимков аэрофотосъемки. Соответственно, один аэрофотоснимок заменяет до 100 снимков БПЛА. Но больший охват влечет к потере детальности и четкости. Кроме того, аэрофотосъемка на малые территории экономически не выгодна или не осуществима. Аэрофотосъемка требует времени на получение разрешения на полет, а если рядом (20-50 км) находятся охраняемые объекты, то получение разрешения может затянуться на 3-6 месяцев. После получения разрешения для выполнения аэрофотосъемки необходимо время для подготовки и установки съемочной аппаратуры. Проведение аэрофотосъемки требует световых и полетных условий (отсутствие ветра и отсутствие облаков на территории не менее 10 км). При этом затраты дорогостоящего авиационного горючего при проведении аэрофотосъемки очень велики.

БПЛА может взлетать на 5-20 минут в просветах между облаками и может неоднократно повторять съемку. БПЛА не требует топлива, а работает на аккумуляторах. Их можно с легкостью заменять между перерывами в съемке. Съемка с применением БПЛА имеет меньшую область охвата территории, но не ограничена по частоте и менее требовательна к метеоусловиям. Часто на съемочных высотах 3-9 км имеется сильный ветер, в то время как в наземном слое ветра нет. Кучевые облака располагаются на высотах от 2 км и исключают аэрофотосъемку. БПЛА никогда не поднимается до таких высот, и кучевые облака не создают для него помехи. Кроме того, при облачной погоде днем имеет место рассеянный свет, который исключает повышенную контрастность наземных объектов и повышает качество съемки с БПЛА. Для съемки протяженных объектов применяют группы БПЛА.

Развитие геоинформатики с применением БПЛА

Развитие БПЛА в значительной степени переосмысливает геоинформатику, а также саму концепцию воздушной мощи. Сегодня беспилотные летательные аппараты обладают практически всеми характерными качествами пилотируемых летательных аппаратов, кроме того, они преодолевают некоторые физиологические и физические ограничения пилотов и полностью избегают человеческого риска. Отсутствие пилота в кабине позволяет эксплуатировать БПЛА на пределе их эксплуатационной возможности, тем самым повышая время в полете, полезную нагрузку, потолок высоты и скорость. Последние достижения в области пилотируемых авиационных систем были интегрированы с достижениями в области компьютеров, каналов передачи данных, систем управления и оптроники, чтобы сделать БПЛА мощным средством сбора, обработки и передачи данных. Кроме того, достижения в области микроэлектроники и бесконтактных/визуальных датчиков в сочетании с наличием детального картографирования ГИС привели к разработке микро-БПЛА, которые могут автономно работать на очень малых высотах в плотной городской среде и обеспечивать невероятный интеллект.

БПЛА до сих пор не были официально признаны авиационными машинами, и для сертификации/ стандартизации не было использовано никакой общей стандартной классификации БПЛА. Условно беспилотники обычно разделяют на три большие категории Tecnocom.ru [Электронный ресурс]. - URL: http://www.tecnocom.ru/stati/bespilotnye-letatelnye-apparaty-v-rossii (дата обращения: 25.03.2020).:

- ДПЛА - беспилотные дистанционно-пилотируемые аппараты;

- автоматические БПЛА;

- неуправляемые БПЛА.

В свою очередь в этих категориях разделяют микро-, мини-, средние и тяжелые БПЛА. Отношение беспилотника к тому или иному классу определяют по массе, дальности и высоте полета и времени, которое аппарат способен провести в воздухе:

- Тяжелые - имеют потолок до 20 км, могут провести в воздухе без дозаправок более 24 часов;

- Средние (иногда их называют "миди") - имеют массу до 1000 кг, способны провести в воздухе 10-12 часов и подняться на высоту до 9-10 км;

- Мини - 50 кг, несколько часов могут провести в воздухе, потолок ограничен 3-5 км;

- Микро - до 10 кг, около часа в воздухе и высота полета до 1 километра.

В данный момент беспилотные аппараты России в основном представлены БПЛА самолетного типа, однако в последнее время быстро развивается направление по созданию БПЛА вертолетного типа.

Помимо очевидных военных целей БПЛА могут использоваться в гражданской сфере для коммуникаций, картирования, мониторинга атмосферы, наблюдения за Землей, дополняя данные спутников дистанционного зондирования. Например, мини-БПЛА используются группами для съемки протяженной территории, в том числе, для мониторинга морского или океанического побережья [9]. В случае возникновения внештатных или чрезвычайных ситуаций БПЛА становятся незаменимыми, поскольку их потеря не несет угрозы для жизни людей. Они обеспечивают сбор, обработку данных в центр управления в режиме реального времени.

Типичный БПЛА, помимо его планера и двигательной установки, также требует наличия системы связи и системы управления. Система управления может быть полностью автономна, дистанционно и в режиме реального времени контролироваться или дистанционно пилотироваться/управляться в режиме реального времени [16].

Управление БПЛА и полезной нагрузкой осуществляется через наземную станцию управления (Ground Control Station - GCS) по каналам передачи данных. GCS может быть контейнерной станцией, которая может быть наземной, на борту пилотируемого самолета, корабля, подводной лодки или в любом другом месте, или даже портативной станцией на базе ноутбука, которая может использоваться в любом месте в пределах диапазона управления. В обычных БПЛА системы навигации и наведения могут включать вспомогательные модули ГИС/GPS, в то время как более сложные БПЛА могут использовать дифференциальный GPS (DGPS) и модули согласования контуров местности.

В отсутствие летного состава на борту БПЛА отсутствует ситуационная осведомленность. Таким образом, полет БПЛА должен постоянно контролироваться внешними средствами, такими как радары или дополнительные датчики, которые размещаются на воздушном средстве и проектируют интерфейсы для включения их в нисходящую линию связи. Управление каналами передачи данных и нисходящие линии связи делают БПЛА уязвимыми к помехам и ограничению пропускной способности. Будучи беспилотными, БПЛА нуждаются в резервировании практически во всех системах, влияющих на безопасность полета, например, в командных звеньях, бортовых компьютерах, навигационных датчиках и системах, сервоприводах или системах посадки.

С учетом того, что сети на основе TCP IP используются в беспилотных летательных аппаратах, существующие наземные станции (GCS) уходят в прошлое или остаются автономной станцией [16]. Вместо GCS создается центральный центр управления, имеющий несколько контрольных станций, и данные, собранные со всех БПЛА, мгновенно интегрируются в одну систему. Это позволяет оператору (или системам) принимать решения на основе всесторонних данных. Управление БПЛА может быть передано на любую станцию управления в сети, независимо от физического местоположения БПЛА. Кроме того, технически становится возможным управлять некоторыми функциями БПЛА в полете с помощью мобильного устройства. Это дает возможность управлять БПЛА или его полезной нагрузкой из любой точки мира.

Технологическая реализация съемки

Беспилотные летательные аппараты применяются для решения геодезических задач и геомониторинга и последующего пространственного моделирования, входящего в геодезическое или геоинформационное обеспечение. В настоящее время существуют три основных направления применения БПЛА: сбор геоданных, экстренная поддержка в чрезвычайных ситуациях, регулярный геомониторинг [18] или геотехнический [6] мониторинг. Съемка включает две дополняющие группы задач: задачи управления и задачи получения информации. Задачи управления основаны на теории управления подвижными объектами [14] и теории многоцелевого управления [11; 15] для групп БПЛА. Основные этапы съемки и пространственного моделирования с использованием БПЛА представлены на рисунке 1.

Технология съемки использует три канала: фотограмметрический, телевизионный и сенсорный [12]. Эти каналы интегрированы в общую технологию съемки, где они являются комплементарными [8]. На основе съемки получают данные, которые преобразуются в модели.

На первом этапе осуществляют комплексную съемку и на ее основе получают данные о трех качественно разных пространственных объектах. На втором этапе строят модели пространственных объектов на основе полученных точечных измерений. Модели формируют из множества связанных точек. При этом используют семантическое моделирование или конструирование [3]. Затем разрозненные модели сводят в единую интегрированную пространственную модель. При учете особенностей некоторых пространственных объектов удалось разработать специальный алгоритм [10] построения пространственной модели.

Применение БПЛА создало новые возможности для пространственного моделирования, поскольку БПЛА может не только собирать информацию массовым способом, но и по специальному техническому заданию собирать информацию о конкретной модели: объекта или отдельного фрагмента. При этом важно, что такой сбор может контролироваться с земли и оператор может выбирать ракурс съемки и взаимное расположение датчика и объекта.

Рисунок 1 - Основные этапы съемки и пространственного моделирования с использованием БПЛА

Методы и приемы пространственного моделирования по информации, собираемой при помощи БПЛА