1. Технічні характеристики БПЛА DELTA-M
2. Результати калібрування фотокамери Sony RX1
3. досягнуті точності
4. Угоди з виробниками профільних програмних комплексів

В.А. Макаров, директор ІГДГіГ СФУ, Д.Г-М.Наука, професор;
Д.А. Бондаренко, директор ТОВ НВП «АВАКС-Геосервіс»;
І.В. Макаров, тех.діректор ТОВ НВП «АВАКС-Геосервіс»;
К.А. Шрайнер, гл.маркшейдер ТОВ НВП «АВАКС-Геосервіс»;
А.А. Перунів, фахівець з ДЗЗ ТОВ НВП «АВАКС-Геосервіс»;
Е.В. Труханів, фахівець з ДЗЗ ТОВ НВП «АВАКС-Геосервіс».

Мал. 1. Безпілотний літальний апарат (БПЛА) DELTA-M. комплекс для вирішення аерофотограмметріческіх завдань

Діяльність будь-якого гірничодобувного підприємства неможлива без налагодженої маркшейдерської служби. Маркшейдерська забезпечення гірничих робіт - процес досить трудомісткий, що вимагає високо кваліфікованих кадрів, дорогого обладнання та спеціалізованого програмного забезпечення (ПО).

Для гірничодобувних підприємств великої потужності характерні висока швидкість просування вибоїв, швидка мінливість кордонів відвального комплексу і хвостового господарства, рудних складів і, найчастіше, одночасне існування двох, трьох і більше будівельних майданчиків. Оперативний об'єктивний контроль за такими об'єктами традиційними засобами утруднений. Як правило, для виконання тахеометрической зйомки одного об'єкта гірничодобувного підприємства потрібно зусилля декількох фахівців на тривалий (до тижня) період часу. Для підвищення продуктивності можливе застосування аерофотозйомки (АФС) з пілотованих літальних апаратів.

Для регулярної зйомки ділянок місцевості площею до 10 км2 або при періодичному моніторингу ведення відкритих гірничих робіт, ефективним методом є аерофотознімання з використанням легких БПЛА, масою менше 10 кг. На відміну від пілотованої авіації, апаратів даного класу не потрібно спеціального аеродрому. Достатньою умовою для зльоту і посадки є відкритий майданчик розміром 50м х 70м. Технічні можливості сучасних БПЛА-комплексів (фотоапаратура, системи навігації, управління і зв'язку) забезпечують бόльшую оперативність отримання результату в порівнянні з супутниковою зйомкою, більш високу роздільну здатність (3 см на точку), а також мінімальну залежність від погодних умов.

При роботі з БПЛА від оператора не потрібно спеціальних навичок пілотування і тривалого навчання, завдяки повній автоматизації управління комплексом. Для виконання регулярної зйомки всіх об'єктів гірничодобувного підприємства досить одного-двох співробітників. Продуктивність комплексу останнього покоління, дозволяє протягом одного світлового дня виконати аерофотозйомку площі до 70 км2.

При проведенні відкритих гірських робіт БПЛА може використовуватися для вирішення різних завдань: моніторингу робіт, картування, а також оцінки обсягів гірничих виробок і відвалів. Для завдань моніторингу основною умовою зйомки є достатня просторову роздільну здатність одержуваних фотоматеріалів для візуального аналізу і контролю техногенних і природних об'єктів. Зйомка з БПЛА для цих цілей може проводитися на малій висоті (200-600 м), що дозволяє отримувати знімки з розміром пікселя, відповідним 3 & dash; 7 см на місцевості, одержувані при цьому матеріали аналогічні класичної АФС. Для вирішення завдань картографування і визначення обсягів гірничих робіт необхідна висока точність геодезичної прив'язки фотоматеріалів.

Компанія ТОВ НВП «АВАКС-Геосервіс» за підтримки групи компаній «Прогноз» і сприянні Інституту гірничої справи, геології та геотехнологій (ІГДГіГ) Сибірського федерального університету (СФУ) з 2010 року активно розвиває технологію аерофотозйомки із застосуванням БПЛА серії DELTA власної розробки для вирішення гірничо геологічні завдань. Перший досвід застосування технології аерофотознімальних робіт з безпілотних літальних апаратів в гірничій справі був викладений авторами в журналі «Золото і технології» №1 (15) 2012 р

Накопичений досвід робіт по експлуатації комплексу DELTA ліг в основу створення БПЛА нового покоління, спеціалізованого для вирішення завдань геодезії і картографії. Апарат DELTA-M (рис. 1) за своїми технічними характеристиками не має аналогів серед інших легких російських БПЛА цивільного призначення і, по суті, являє собою самостійний картографічний інструмент.

Технічні характеристики БПЛА DELTA-M

Швидкість літального апарату 65-80 км / год Висота польоту 100-3000 м Дозвіл фотознімків 3-10 см / пікс.в залежності від висоти (300-1000 м відповідно) Продуктивність зйомки для задач моніторингу - до 80 км2 / виліт;
для вирішення 10 см / точку - до 30 км2 / виліт;
для вирішення 3 см / точку - до 10 км2 / виліт. Дальність дії радіозв'язку 30 км Тривалість польоту До 200 хвилин Допустима швидкість вітру 15 м / с Зліт катапультний Посадка парашутна Діапазон робочих температур від -35 ° С до + 40 ° C Діапазон кутів переміщення гіростабілізованого опорно-поворотного пристрою за кутом крену ± 45 °;
за кутом тангажа ± 25 °;
за кутом зносу ± 50 °. Точність прив'язки центру фотографування базова комплектація: середня квадратична помилка (СКП) в плані 2 м, за висотою 3 м комплектація з GPS \ ГЛОНАСС приймачем підвищеної точності (фазовий диференціальні режим - RTK): СКО в плані 0.1 м, за висотою 0.2 м Конфігурація фотоапаратури Sony RX-1
повнорозмірна матриця 35 мм;
центральний затвор;
Дозвіл 6000 х 4000;
(Є опція Canon EOS-M c об'єктивом
EF50мм f1 / 1.4 USM) Гарантований ресурс планера 50 посадок Ресурс комплексу акумуляторних батарей 50 циклів до зниження ємності на 20%
Відмінною особливістю БПЛА DELTA-M є наявність високоточного приймача глобальної навігаційної супутникової системи (ГНСС) і опорно-поворотного пристрою (ОПУ), стабілізуючого оптичну вісь (рис. 2). Завдяки останньому при виконанні АФС відсутня так звана «ялинка», яка утворюється в разі застосування БПЛА з жорстко прикріпленим до корпусу фотоапаратом через коливання корпусу планера (рис. 3).

Відсутність «ялинки» дозволяє збільшити відстань між маршрутами, що веде до збільшення площі АФС, виконуваної за один політ. Крім того, істотно зменшується кількість фотографій, що втягуються в обробку, що істотно скорочує терміни обробки первинних матеріалів для отримання якісного ортофотоплану.

При виконанні завдань звичайного відеоспостереження ОПУ дозволяє направляти відеокамеру в потрібному напрямку, збільшуючи площу огляду.

Мал. 2. Опорно-поворотний пристрій (3-х осьова гіростабілізірующая платформа)

Мал. 3. Зліва - перекриття між знімками з гіростабілізаціей; праворуч - без гіростабілізаціі ( «ялинка»)

Колективом авторів проведена серія тестових випробувань апаратів серії DELTA-M c корисним навантаженням у вигляді фотокамери з затвором центрального типу і повнорозмірною матрицею (Sony RX1) стосовно для задач фотограмметрії. Для вирішення даного завдання було поставлено питання про погрішності вимірювань за матеріалами аерофотозйомки. Точність планових координат важлива при проведенні картографічних робіт, а висотних - для побудови цифрових моделей рельєфу.

Традиційно при вирішенні задач фотограмметрії аналізують такі основні можливі джерела помилок АФС:

• спотворення оптичної системи (аберації, відсутність різкості, зміщення головною точки, неточне значення фокусної відстані);
• спотворення, викликані нахилом оптичної осі;
• спотворення, викликані рельєфом місцевості.

У наших роботах помилки оптичної системи виправляються шляхом калібрування фотокамери, визначення її точних параметрів. Нахил оптичної осі в конструкції апарату DELTA-M зводиться до мінімуму (Для оцінки точності визначення просторових координат за даними зйомки з БПЛА фахівцями компанії був створений випробувальний полігон площею 10 Га, що складається з мережі 160 опорних точок по регулярної мережі. Крок мережі опорних точок склав 20 -30 м, відносна нев'язка не перевищувала 0,5 см. Випробування полягали в проведенні серії АФІ з висоти 200 м, 300 м і 400 м. Далі при фотограмметричної обробки були отримані планові і висотні координати контрольних точок по аерофо оснімкам і проведено порівняння з результатами наземних вимірювань.

При обробці фотоматеріалів крім опорної мережі використовувалися координати центрів фотографування, що визначаються вбудованим в літальний апарат ГНСС приймачем. На даний момент на БПЛА надлегкого типу зазвичай використовуються приймачі побутового класу, що дозволяють визначати координати центрів фотографування з точністю 3-5 м. Комплекс DELTA-M оснащений двочастотних диференціальним приймачем, використання якого підвищує точність прив'язки центрів фотографування до 10 см, що зменшує час обробки фотоматеріалів і похибка вимірювань на знімках.

Об'єктивним критерієм точності визначення координат об'єктів по фотоматеріалів є среднеквадратическая помилка (СКО) контрольних точок, які не брали участь при зрівнянні блоку (формули 1, 2).

`DeltaXY = sqrt (1 / n sum_ (i = 1) ^ n (l_ (i) - bar l_ (i)) ^ 2)` (1)

де ΔXY - СКО в плані, n - кількість контрольних точок, - виміряні тахеометром планові координати контрольної точки, - виміряні на знімках планові координати контрольної точки

(2)

де ΔZ - СКО по висоті, - виміряні тахеометром висотні координати контрольної точки, - виміряні на знімках висотні координати контрольної точки

При наявності опорної мережі і строгому дотриманні методики проведення АФС помилки зрівнювання блоку фототріангуляції викликані, головним чином, використанням Неметричні камери без калібрувальних даних. Середня планова похибка в даному випадку становить 30 см, висотна - 1 м. Такі результати не відповідають технічним вимогам для проведення високоточних геодезичних і картографічних робіт. Завдання калібрування вирішувалася двома підходами:

1. польовий метод - як тест-об'єкта використовувався випробувальний полігон;
2. лабораторний метод (контрольний) - в якості тест-об'єкта використовувалася регулярна мережа, розмічена на плоскій вертикальній поверхні.

При наявності даних про розміри елементів тест-об'єкта і відстані до нього в момент фотографування можливо відновити точні параметри оптичної системи.

Результати калібрування фотокамери Sony RX1

Параметр оптичної системи Значення до калібрування Значення після калібрування польовим методом Значення після калібрування лабораторним методом Фокусна відстань (f) 35 мм 35,185 мм 35,224 мм Зсув головною точки по осі Х 0 мм 0,0275 мм 0,0195 мм Зсув головною точки по осі Y 0 мм -0,0111 мм -0,0093 мм Коефіцієнт радіального дисторсии k1 0 -5,318 * 10-5 -5,108 * 10-5 Коефіцієнт радіального дисторсии k2 0 -4,891 * 10-8 -4,4 * 10-8

При подальшій обробці результатів АФС в якості вхідних даних при зрівнянні використовувалися: елементи зовнішнього орієнтування знімків, отримані з високоточного ГНСС-приймача, результати калібрування фотокамери і координати п'яти опорних точок. Контроль точності проводився по 155 контрольних точках.

досягнуті точності

Ім'я точки Δ L, в плані (м) Δ Z, по висоті (м) Point0001 -0,133 0,163 Point0002 0,143 0,045 Point0004 -0,053 0,095 ... ... ... Point0153 -0,126 0,113 Point0154 -0,179 0,092 Point0155 -0,126 0,113 Максимальна 0,203 0,113 Середнє 0,104 0,157

ΔL = ,
ΔZ = (3)

Отримані результати демонструють можливість використання матеріалів зйомки з БПЛА DELTA-M для проведення геодезичних робіт, при вирішенні гірничотехнічних завдань, для складання геодезичних карт і планів до масштабу 1: 500. Для досягнення середньої похибки вимірювань в межах 10-15 см рекомендується наступний комплекс заходів:

1. калібрування оптичної системи фотокамери;
2. застосування високоточної ГНСС-приймача для позиціонування знімків при обробці;
3. створення мережі наземного обгрунтування.

За результатами даного дослідження і досвіду минулих робіт, для отримання якісного ортофотоплану масштабу 1: 1000 досить 8 опорних і 2 контрольних точок на 1 км2 території. Кількість може залежати від типу рельєфу, цілей проведення та умов зйомки.

Крім оцінки точності визначення просторових координат, даний полігон був використаний для калібрування знімального обладнання - уточнення фактичної величини фокусної відстані, координат головної точки і коефіцієнтів радіальної дисторсії корисного навантаження. Після проведення калібрування середня планова невязка ΔLср склала 10 см, висотна нев'язка ΔZср - 16 см. Отримані результати показують можливість використання матеріалів АФС з

БПЛА в якості топографічної основи і моделі при підрахунку обсягів гірничих виробок.

Технологічно аерофотознімання з БПЛА проводиться в кілька етапів: підготовчі камеральні роботи і складання льотного завдання; маркування опорних точок на місцевості і виконання льотного завдання (польові роботи); камеральна обробка отриманих матеріалів.

Для отримання високоточних даних, необхідна попередня інструментальна прив'язка мережі опорних точок і закріплення на них розпізнавальних знаків, які в ідеальному випадку являють собою хрести з позначеним центром, марковані на місцевості.

Перед запуском БПЛА в інтерфейсі наземної станції управління (НСУ) задаються: область зйомки, необхідні значення поздовжнього і поперечного перекриття і висота польоту, від якої залежить просторову роздільну здатність знімків. За вказаними параметрами НСУ автоматично створює маршрут, слідуючи по якому, БПЛА здійснює аерофотознімання з фіксацією координат кожної точки фотографування.

Отримання якісних результатів фотозйомки забезпечується обробкою цифрових знімків в спеціалізованих програмних пакетах, таких як: Pix4Dmapper, Photoscan, PHOTOMOD, що дозволяють істотно спростити і автоматизувати процес обробки вихідних матеріалів (визначення сполучних точок на сусідніх знімках і зрівняння за вказаними опорних точок).

Найбільшою ступенем автоматизації процесів і можливістю отримання докладного звіту про результати обробки володіє програмний пакет Pix4Dmapper. Обробка матеріалів АФС повністю автоматизована, для цього необхідно завантажити в ПО отримані аерофотознімки, положення центрів фотографування і задати координати опорних точок, після чого ПО автоматично визначить сполучні точки на сусідніх знімках і зробить зрівнювання за вказаними опорних точках.

Після зрівнювання в автоматичному режимі будується щільна хмара точок, порівнянне з результатами лазерного сканування, яке представляє собою точну цифрову модель місцевості (ЦММ), що включає в себе всі об'єкти, що потрапили в поле зору фотокамери. Для отримання цифрової моделі рельєфу (ЦМР) необхідно провести фільтрацію щільного хмари точок, виключивши з нього рослинність, будівлі, автотранспорт. Отримана ЦМР надалі використовується для підрахунку обсягів вироблення гірської породи (рис. 4).

Мал. 4. ЦМР - результат обробки щільного хмари точок

Формат даних, що отримується в результаті фотограмметричної обробки, сумісний з будь-якими сучасними геоінформаційними системами (ГІС) і легко конвертується в необхідний. Детальна модель місцевості несе в собі великий обсяг інформації, тому подальшу її обробку рекомендується проводити в спеціалізованих гірничо-геологічних інформаційних системах (ГГІС), таких як Micromine, Mineframe, Surpac.

Мал. 5. Відображення динаміки отвалообразования на ЦММ

Досвід наших робіт показує, що для проведення АФС з метою підрахунку обсягів гірської породи на кар'єрі площею 2 км2, буде потрібно 1 годину. Отримання ортофотоплану і ЦМР займає не більше 4-х годин автоматичної обробки, яку можливо виробляти в нічний час без участі оператора. Підрахунок обсягів гірничих виробок і відвалів в ПО Micromine полягає у вказівці контуру, всередині якого проводилася виїмка гірської породи і відніманні (складання) тривимірної моделі, отриманої при зйомці за попередній звітний період з поточної моделі (рис. 5). Автоматизований підрахунок переміщеною гірської маси займає не більше 10 хвилин для одного родовища. Час повного технологічного процесу складає близько шести годин для великого родовища. Традиційна методика робіт, що включає наземну інструментальну зйомку, зажадає не менше трьох днів.

Крім того, застосування безпілотних літальних апаратів дозволяє виконувати зйомку важкодоступних місць, виключаючи перебування в них працівників підприємства, і не піддаючи їх ризику для життя і здоров'я (рис. 6).

Відвалі розкривних порід,
Залиш посеред відстійніка.
Виконання вімірів Неможливо. Пульпа, что скупчилися в відстійніку.
Виконання вімірів Неможливо. Вкачувавши уступ кар'єра
Знаходження людей заборонено.
Мал. 6. Фотозображеннь и цифрові моделі поверхні важкодоступніх и небезпечний ділянок, отрімані в результате зйомки з БПЛА
Отримані з БПЛА цифрові моделі рельєфу є якісною основою для формування звітної документації, необхідної для технологічних служб гірничого підприємства і надання в контролюючі органи. Стандартні плани і розрізи, оформлені відповідно до умовними позначеннями на паперовому носії, векторизуется по ортофотоплану і ЦМР. При цьому надійно дешифрируются необхідні елементи (верхня і нижня бровки уступів, транспортні з'їзди, будови, насипи, положення гирл свердловин (рис. 7, 8), інструментами ПО будуються розрізи по заданих лініях (рис. 9), а підсумковий топографічний план оформляється в відповідно до державних стандартів (рис. 10).

Мал. 7. Дешифрування верхньої і нижньої бровки уступів

Мал. 8. Дешифрування положення гирл свердловин

Мал. 9. Побудова розрізів по заданих лініях

Мал. 10. Підсумковий топографічний план відповідно до державних стандартів
Крім підрахунку обсягів і оформлення графічної документації, за результатами АФС оперативно визначаються координати усть вибухових і розвідувальних свердловин, розташування всіх технічних споруд на території кар'єрів (тимчасові балкі', ЛЕП і електричні підстанції, насоси, трубопроводи).

Наочність ортофотоплану і детальність щільного хмари точок дозволяють використовувати отримані матеріали не тільки маркшейдерської, але і геологічною службою. За ортофотоплану з високою роздільною здатністю точно і оперативно виявляються зони тріщинуватості на бортах і поблизу кар'єрів, при наявності маркованих шарів ведеться їх оконтурювання.

За результатами періодичної аерофотозйомки службою головного інженера може здійснюватися контроль за дотриманням техніки безпеки і технології виробництва робіт (рис. 11).

Мал. 11. Ортофотоплан ділянки купчастого вилуговування

Узагальнюючи досвід застосування БПЛА при вирішенні задач гірничого виробництва можна стверджувати, що БПЛА дозволяє оперативно і з високою точністю проводити картування і моніторинг об'єктів гірничого підприємства, вирішувати широкий спектр гірничотехнічних завдань, що включає в себе підрахунок обсягів гірничих виробок, відвалів, хвостосховищ, побудова розрізів, пошук зон тріщинуватості, прив'язка свердловин і т.д. Фактором, що уповільнює розвиток і впровадження технології дистанційного моніторингу гірських робіт, є консервативний підхід фахівців підприємств, пов'язаний з відсутністю нормативної та методичної баз. Удосконалення нормативної бази вимагає тісної співпраці гірничодобувних підприємств, контролюючих органів та виробників БПЛА.

Компанія ТОВ НВП «АВАКС-Геосервіс» тісно співпрацює з виробниками профільних програмних комплексів. Одним з результатів співпраці є надання знижок на їх продукцію при одноразової купівлі комплексу БПЛА DELTA-M і відповідного пакета ПО. Також для полегшення і прискорення обробки результатів АФС ведуться двосторонні переговори щодо поліпшення й оптимізації ПО.

Угоди з виробниками профільних програмних комплексів

БПЛА DELTA-M

БПЛА DELTA-M в комплектації «Збалансований».

ПО Pix4Dmapper

ПО Pix4Dmapper для автоматичної обробки аерофотознімків, побудова щільного хмари точок і ортофотопланів.

ПО Micromine

ПО Micromine для каркасного і блокового моделювання, підрахунку обсягів, геології, проектування.

ПК

Високопродуктивний персональний комп'ютер для обробки результатів АФС.

навчання

Безкоштовне навчання двох фахівців роботі з комплексом БПЛА DELTA-M. Впровадження Консультації Навчання фахівців з обробки результатів АФС і подальшій обробці отриманих матеріалів в ПО Pix4Dmapper і ПО Micromine (можливо з виїздом на підприємство для консультації).

ТОВ НВП «АВАКС-Геосервіс» і ІГДГіГ СФУ запрошує до співпраці компанії, зацікавлені в застосуванні і розвитку безпілотних технологій для вирішення широкого кола гірничотехнічних завдань, в гірничодобувній і інших галузях.

www.uav-siberia.com
[email protected]