Правила безопасного пилотирования квадрокоптером

Краткое описание

За последние 50 лет наука шагнула вперед, благодаря чему были созданы смартфоны, компьютеры, БПЛА (беспилотные летательные аппараты). Изобретение новых видов техники стало причиной появления интересных профессий: программисты, IOS-разработчики, операторы дронов. Последняя профессия в России официально появилась в 2017 году, к людям, претендующим на эту вакансию, выдвигаются очень строгие требования:

• высшее или среднее техническое профильное образование, связанное с авиацией;
• понимание принципов работы летательной техники;
• технический склад ума.

Дроны широко используются во всех сферах нашей жизни, но подготовленных специалистов, которые способны управлять БПЛА, мало, поэтому профессию можно считать очень перспективной и полезной. БПЛА используют для поисковых и военных операций, в киноиндустрии, рассмотрим другие сферы применения:

• частная видеосъемка (свадьбы, дни рождения, концерты и другое);
• научные исследования (метеорология, зоология и другие);
• оказание помощи населению во время наводнений, пожаров, торнадо и других природных катастроф;
• промышленность, разработка новых месторождений полезных ископаемых и т. д.;
• доставка грузов.

Областей применения очень много, в перспективе дроны смогут осуществлять транспортировку людей, животных, крупногабаритных грузов.

Аэрофотосъемка с использованием БПЛА

В техническом плане процесс аэрофотосъемки с использованием БПЛА состоит из трех этапов: подготовительного, собственно съемки, и постобработки полученных данных.

Подготовительный этапНа данном этапе производится:

• изучение имеющихся материалов; формирование или сбор требований к материалам, которые нужно получить по результатам съемки – тип и масштаб карты, границы объекта съемки; приведение их в технические требования к съемочным материалам: разрешение, координаты контура участка съемки, перекрытие снимков, точность определения координат центров фотографирования, требования к наземной опорной сети (при комбинированной съемке, например, когда привязка фотоплана производится по точкам наземной опорной сети, требования к точности определения КЦФ вообще не предъявляются);
• формирование полетного задания для БПЛА. Выполняется программой – планировщиком полета, входящей в состав комплекса. Оператор должен выбрать используемый комплекс БПЛА (в случае, если программа позволяет работать с несколькими конфигурациями БПЛА и фотоаппаратуры), задать на карте контур участка съемки и примерное положение стартовой площадки, установить требуемое разрешение и перекрытие, после чего программа рассчитывает план полета и проверяет его выполнимость.

Выполнение аэрофотосъемкиПо прибытии на стартовую площадку производится:

• уточнение положения стартовой площадки, задание точки возвращения и ввод данных о скорости и направлении ветра на рабочей высоте, если таковые известны;
• автоматическое уточнение плана полета и повторная проверка его выполнимости;
• старт БПЛА с пускового устройства;
• выполнение съемки в автоматическом режиме;
• посадка.

Выполнение съемки местности с использованием БПЛА

При использовании комбинированного способа выполняется определение координат опорных точек, выбранных для привязки.

Постобработка данныхЗаключается в:

• снятии данных (фотоснимки и журнал полета) с бортовых носителей информации;
• визуальной оценке качества фотографий и отбраковке “технических” кадров, если такие записаны. Под техническими кадрами понимаются снимки, сделанные вне пределов участка съемки – при подлете к участку, на дугах разворота и т.п.;
• генерация файла привязки центров фотографирования. В ходе полета аппаратура управления ведет запись различных параметров, среди которых – координаты, скорость и параметры ориентирования летательного аппарата. После окончания съемки из файла журнала полета необходимо выбрать координаты, соответствующие моментам фотографирования, и приписать их конкретным снимкам. Такая обработка, как правило, выполняется в той же программе – планировщике полетного задания.

В соответствии с требованиями отраслевых инструкций [1], для получения топокарт масштаба 1:2000 необходима фотооснова, имеющая разрешение 15 см/пикс и имеющая погрешность определения координат в каждой точке не выше 60 см. Такое разрешение легко обеспечивается при съемке с БПЛА с использованием компактных фотоаппаратов.

Привязка требуемой точности достигается измерением координат центров фотографирования с использованием высокоточных GNSS-приемников в пределах референцной сети, или задействованием наземной опорной сети, точки которой привязаны с погрешностью не выше 30 см.

Плюсы и минусы профессии

Оператор дрона — технический специалист, имеющий профессиональную подготовку и узкую специализацию. Эксперты считают, что эта профессия всего через несколько десятков лет потеряет свою популярность, ведь людей заменит автоматика. В обязанности оператора БПЛА входит выполнение таких работ:

• подготовка дрона к полету;
• создание полетных заданий;
• контроль технического состояния беспилотника;
• получение и обработка данных;
• прикрепление к БПЛА разных видов цифровой техники;
• принятие решений во время нештатных ситуаций;
• техобслуживание беспилотников;
• выполнение несложных ремонтных работ;
• анализ полученных цифровых материалов, их обработка;
• ведение документации.

У оператора, работающего с дронами, должна быть отличная моторика, быстрая реакция и мышление, ведь он обязан мгновенно принимать решения во время непредвиденных ситуаций, предупреждая человеческие жертвы, разрушения, материальные потери.

Обработка аэрофотоснимков в ПО Agisoft PhotoScan

Программа Agisoft PhotoScan – универсальный инструмент для генерации трехмерных моделей поверхностей объектов съемки по фотоизображениям этих объектов. PhotoScan с успехом применяется как для построения моделей предметов и объектов разных масштабов – от миниатюрных археологических артефактов до крупных зданий и сооружений, так и для построения моделей местности по данным аэрофотосъемки и генерации матриц высот и ортофотопланов, построенных на основе этих моделей. Обработка данных в PhotoScan предельно автоматизирована – на оператора возложены лишь функции контроля и управления режимами работы программы.

Построение и привязка модели местности в программе состоит из трех основных этапов:

• построение грубой модели. На этом этапе производится автоматическое определение общих точек на перекрывающихся снимках, восстановление проектирующих лучей, определение координат центров фотографирования и элементов взаимного ориентирования снимков, расчет параметров, описывающих оптическую систему (дисторсия, коэффициент ассиметрии, положение центральной точки). Все эти расчеты выполняются в программе за одну операцию;
• привязка полученной модели к внешней (геодезической, географической) системе координат и уравнивание всех параметров системы – координат центров фотографирования и наземных опорных точек, углов ориентирования снимков, параметров оптической системы с использованием параметрического метода уравнивания. В качестве весовых коэффициентов для уравнивания выступают погрешности определения координат точек съемки (центров фотографирования), определения координат точек наземной опорной сети, дешифрирования и маркирования опорных точек на снимках;
• построение полигональной модели поверхности местности на основе определенных на предыдущем этапе параметров. В программе реализован экспресс-способ, заключающийся в триангуляции только общих точек, полученных на первом этапе, и более точные способы обработки, заключающиеся в определении пространственного положения для каждого пиксела изображения (в зависимости от заданной степени детализации обрабатывается каждый первый, каждый четвертый, каждый шестнадцатый, и т. д. – всего пять возможных уровней).

Затем полученная модель используется для генерации ортофотопланов и матриц высот.

С точки зрения оператора процесс работы с программой выглядит следующим образом:

1. Загрузка фотоснимков
2. Выбор системы координат и загрузка данных привязки центров фотографирования
3. Формирование точечной модели поверхности Земли
4. При наличии наземной опорной сети – установка отметок опорных точек на фотоснимках и загрузка координат точек опорной сети
5. Оптимизация модели (уравнивание параметров привязки)
6. Генерация полигональной модели поверхности Земли
7. Экспорт данных – ортофотоплан, матрица высот

Приведенные скриншоты окна программы наглядно иллюстрируют процесс обработки материалов аэрофотосъемки на примере съемки полигона “Заокский”, материалы которой предоставлены ОАО “Газпром космические системы”. Обработка данных материалов на ПК, оснащенном 4-хядерным процессором Intel Core i7 2600K и имеющем 16 Гб оперативной памяти, заняла порядка трех-четырех часов – от загрузки фотографий до экспорта ортофотоплана и цифровой модели местности в формате GeoTiff.

Во время работы всегда можно сохранить промежуточные результаты расчетов в файле проекта.

Имеется возможность формирования пакетного задания на обработку. Загрузив исходные снимки, можно сразу указать параметры для каждого из этапов, и программа самостоятельно выполнит весь цикл обработки.

Непосредственно в графическом интерфейсе программы можно производить базовые измерения на полученной модели — измерять расстояния, площадь поверхности и объем модели.

Развитый API позволяет создавать скрипты на языке Python, управляющие обработкой и отображением данных, что позволяет еще более автоматизировать решение типовых задач.

Получение карт на основе ортофотопланов в ГИС Панорама

Комплекс автоматизированного дешифрирования и векторизации по данным ДЗЗ, разработанный на базе ГИС “Панорама”, предназначен для автоматической векторизации линейных и площадных объектов по цветным растровым изображениям земной поверхности.

Процесс автоматической векторизации состоит из следующих основных этапов:

• предварительная обработка растра;
• классификация;
• обработка растра классификации;
• преобразование растра в вектор;
• векторная обработка.

Предварительная обработка является необязательным этапом, включает масштабирование и фильтрацию растра. Масштабирование позволяет значительно ускорить обработку при избыточном разрешении снимка. Фильтрация уменьшает шумы изображения, что положительно влияет на результаты распознавания.

Классификация – процесс определения принадлежности отдельных пикселей исходного растра тому или иному распознаваемому объекту. Классификация состоит из трех основных этапов. На первом этапе пользователь определяет обучающие выборки – указывает области на снимке, однозначно принадлежащие распознаваемым объектам.

Вычисление статистических дешифровочных характеристик при обучении и классификации выполняется для скользящего окна. При обучении окно перемещается в пределах обучающих выборок, при классификации на всем остальном снимке. В качестве статистических дешифровочных характеристик используется спектральные (средний цвет) и текстурные характеристики (контраст, энергия, корреляция).

К загруженному ортофотоплану в формате GeoTiff применяется технология классификации и распознования

Результатом классификации является растр классификации – растр принадлежности пикселей исходного растра тому или иному распознаваемому объекту. Растр классификации содержит много шумов – неправильно классифицированных пикселей. Их можно отфильтровать исходя из предположения, что плотность расположения неправильно классифицированных пикселей меньше правильно классифицированных.

На следующем этапе производиться фильтрация лишней информации, ее сглаживание и перевод с в линейный и площадной вид

Для этого используются морфологические операции – изменение бинарного состояния пикселя на основе анализа состояния его соседей. К таким операциям относятся:

• эрозия – замена на ноль единичных пикселей, если рядом есть хоть один нулевой пиксель;
• наращивание – замена на единицу нулевого пикселя, если рядом есть хоть один единичный пиксель;
• удаление небольших областей – замена восьмисвязных локальных групп единичных пикселей на нули, если количество пикселей меньше допуска;
• заливка небольших дырок – замена восьмисвязных локальных групп нулевых пикселей на единицы, если количество пикселей меньше допуска;

После обработки растр классификации преобразуется в набор векторных объектов – линий или площадей. В процессе преобразования в линии создаются непересекающиеся линейные объекты. При преобразовании в площади создаются площадные объекты, имеющие общие части контура. На окончательном этапе распознанные объекты объединяются или удаляются на основе анализа их взаимного расположения. Объединенная сеть объектов совместно сглаживается и фильтруется перед сохранением в создаваемую карту.

Результат автоматизированного дешифрирования и векторизации ортофотопланов можно посмотреть и отредактировать в ГИС “Панорама”

При обновлении цифровых карт имеющиеся контура объектов используются для автоматического обучения программы дешифрирования и векторизации. При необходимости оператор может выбрать отдельные участки, которые попадают на наиболее характерные изображения дешифрируемых объектов.

Программа сопоставляет контура объектов и соответствующие им области снимков, запоминает свойства изображения и выполняет уточнение контуров объектов по реальным границам областей с подобными свойствами изображения. При этом создаются и новые объекты в тех местах снимка, где будут найдены близкие по изобразительным свойствам области.

Литература1. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов ГКИНП (ГНТА)-02-036-02. Москва, ЦНИИГАиК, 2002

Профессиональные знания

Уровень профессиональных знаний должен быть безупречным. Часто оператор производит мелкий ремонт БПЛА, контролирует его состояние, поэтому он обязан быть отличным инженером, хорошо разбираться в физике, географии. Плюсом станет наличие водительских прав, знание технического иностранного языка, необходимого для изучения сопроводительной документации и исследований зарубежных ученых.

1. Использование современных систем навигации и управления.
2. Техника безопасности при эксплуатации дрона.
3. Устройство дрона, умение выполнять мелкий ремонт.
4. Теоретическая механика.
5. Автоматизированное проектирование.
6. Прикладная гидро- и аэродинамика.