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