Вызначэнне аб'ёмаў

Определение объемов добычи торфа с помощью беспилотного летательного комплекса


Определение объемов добычи торфа с помощью беспилотного летательного комплекса


При расчете объемов добычи полезных ископаемых важнейшим условием является наличие точных и актуальных геометрических данных о рельефе разрабатываемой поверхности.

Традиционным методом определения объема торфа в штабеле является метод поперечников. При измерениях используют визиры и мерные ленты, которые не всегда способны обеспечить высокую точность. В настоящее время инвентаризация торфа осуществляется в течение 2-3 недель. При этом задействованы не менее 3-5 сотрудников, а также техника для перемещения по торфяному месторождению.

Более высокой точностью определения объема характеризуется метод триангуляции, основанный на использовании цифровых моделей поверхности. Точность вычисления объема таким методом напрямую зависит от уровня детализации модели. Современные беспилотные аэрофотосъемоч­ные комплексы позволяют обеспечить разрешение снимков от 1 см, что дает возможность создавать цифровые модели поверхности высокой дета­лизации, которые намного подробнее моделей, построенных по наземным съемкам. При этом использование беспилотных летательных аппаратов для расчета объема добычи торфа позволяет значительно сократить сроки и затраты на проведение инвентаризации.

Цифровая аэрофотосъемка производилась сотрудниками «НИИ Белгипротопгаз» в рамках научно-исследовательской работы «Разработка технологии дистанционного расчета объема добычи торфа с применением беспилотных летательных аппаратов сверхширокого и широкого разреше­ния» на территории торфяного месторождения «Диковина» (Лидский рай­он).

Цель данного исследования – разработка технологии дистанционного рас­чета объема торфа по материалам аэрофотосъемки беспилотным летательным аппаратом.

В качестве съемочной системы использовался беспилотный аэрофо­тосъемочный комплекс TRIMBLE UX5 (рис. 1). На борту БЛА установлена камера с сенсором на 24,3 Мп и фокусным расстоянием 15 мм (табл. 1), что позволяет получать данные с пространственным разрешением до 2 см на пиксель.



Рис. 1 - БЛА Trimble UX5


Таблица 1 - Технические характеристики БЛА TRIMBLE UX5

Параметры

Показатели

Размах крыльев

100 см

Вес

2,5 кг

Материал корпуса

карбоновый, композитные элементы

Двигатель

электрический, 700 Вт

Старт

с катапульты

Посадка

на фюзеляж

Рабочая высота полета

75-750 м

Потолок высоты полета

5000 м

Максимальная скорость

80 км/ч

Максимальное время полета

50 мин

Рабочая температура

От -5 до +35

Аэрофотокамера

Sony Alpha a5100

Сенсор

24,3 Мп

Фокусное расстояние

15 мм

Максимальное разрешение снимка

6000x4000


Исходя из задачи получения цифровой модели поверхности высокого разрешения и имеющегося оборудования были определены необходимые параметры аэрофотосъемки:

  • высота фотографирования составила 75 метров;
  • угол наклона камеры - 90 градусов;
  • величины продольного и поперечного перекрытия составили 80%.

Данные величины определены в соответствии с инструкцией по выполнению аэрофотосъемки беспилотным летательным аппаратом Trimble UX5.

Остальные параметры аэрофотосъемки (базисы и положения точек фотографирования) рассчитывались автоматически в программе-плани­ровщике полета Trimble Access Arial Imaging.


Производство полевых аэрофотосъемочных работ состояло из следу­ющих этапов:

  • закрепление и координирование опорных и контрольных точек;
  • уточнение стартовой площадки;
  • подготовка БПЛА;
  • ввод программы полета;
  • летно-съемочные работы. 

В качестве опорных и контрольных точек выбирались четкие контуры, легко опознаваемые на местности и аэрофотоснимке, координаты которых определены геодезическим методом. Для маркировки точек применялись специально изготовленные опознавательные знаки (рис. 2). Для каждого залета координировались минимум 5 опорных точек.



Рис. 2 - Опознавательный знак


Координаты и высоты опорных и контрольных точек определялись двухчастотным приемником геодезического класса точности Trimble R8 в режиме реального времени (RTK) от постоянно действующих пунктов (ПДП) Спутниковой системы точного позиционирования Республики Бе­ларусь с субсантиметровой точностью. Всего было закоординировано 15 опорных и 11 контрольных точек.

В результате аэрофотосъемочных работ было получено 699 снимков, данные телеметрии, которые включали координаты центров и время фо­тографирования, углы, характеризующие ориентацию аппарата относи­тельно его центра инерции по трем осям (крен, тангаж, рыскание).

Фотограмметрическая обработка полученных аэрофотоснимков выполнялась в Trimble Business Center (TBC). TBC – программный пакет для обработки геопространственных данных. Программный пакет имеет высокую степень автоматизации и предназначен для обработки и управления данными оптических, GNSS и фотограмметрических измерений.

Процесс обработки данных с БЛА Trimble UX5 в TBC максимально автоматизирован и включает 3 этапа. На первом этапе обработки выполняется импорт аэрофотоснимков и файла полета с записанными координа­тами центров фотографирования и координат опорных точек. На следующем этапе обработки необходимо определить положение и ориентиро­вание камеры для каждого снимка. В Trimble Business Center данный процесс называется уравниванием фотостанций.


Уравнивание фотостанций состоит из двух этапов:

  • относительное уравнивание – предварительное выравнивание и ориентирование аэрофотоснимков. Выполняется на основе координат центров фотографирования;
  • абсолютное уравнивание – уточнение внешнего ориентирования модели на основе опорных точек.

Когда уравнивание завершено, выполняется построение плотного облака точек и трехмерной полигональной модели. Полигональная модель поверхности создается триангуляцией по точкам плотного облака. Для расчета объемов созданная модель рельефа сохраняется в формате LandXML.

Перед расчетом объемов выполнена оценка точности (табл. 2) полученной полигональной модели по опорным и контрольным точкам (рис. 3). К контрольным относят точки с известными координатами, которые не участвовали в уравнивании модели.

Принимая во внимание, что значение погрешности не превышает 5 см, можно сделать вывод о том, что созданная модель может использо­ваться для расчетов объема торфа на торфодобывающих предприятиях.

Таблица 2 - Оценка точности модели по опорным и контрольным точкам

Параметры

Показатели

Разрешение полученной модели, см

1,9

Число опорных точек

15

СКО на опорных точках в плане (XY), см

0,55

СКО на опорных точках по высоте (Z), см

0,21

Число контрольных точек

11

СКО на контрольных точках в плане (XY), см

4,46

СКО на контрольных точках по высоте (Z), см

3,99


Расчет объема торфа выполнялся в AutoCAD Civil 3D методом триан­гуляции. Данный метод вычисления объемов предусматривает триангуля­цию новой поверхности на основе точек верхней поверхности (создана фотограмметрическим способом) и поверхности отсчета (рис. 3).

Поверхность отсчета – поверхность, построенная по уровню земли у подошвы штабеля и условно продолженная под ним. Создается поверх­ность отсчета на основе отрисованной вручную границы штабеля.

В результате выполненных работ рассчитан объем 25 штабелей тор­фа. Для оценки точности определения объема с использованием БЛА объ­ем 5 контрольных штабелей был измерен с помощью GPS-приемника с субсантиметровой точностью. Объем, измеренный данным способом, был принят за истинный. В результате сравнения рассчитанного и истинного объема расхождения составили менее 5%, что удовлетворяет требованиям к расчету объема торфа на торфодобывающих предприятиях.

Использование БЛА позволяет получать наиболее полную, точ­ную и оперативную информацию с минимальными финансовыми, времен­ными и трудовыми затратами.

Внедрение разработанной технологии на торфодобывающих пред­приятиях позволит значительно сократить сроки и затраты на выполнение инвентаризации добытого торфа, проводить регулярный мониторинг объ­ема добычи.


Рис. 3 - Поверхности расчета объема