В настоящее время беспилотные воздушные суда (БВС) уверенно и быстро находят применение в гражданских отраслях, в том числе при решении задач дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), вообще, и аэрофотосъемки (АФС), в частности. По данным Еврокомиссии, 6% от общего объема используемых материалов ДЗЗ получают с помощью БВС. Все чаще БВС используют при аэрофотосъемке местности, например, для создания ортофотопланов, но, как правило, ограничиваются сравнительно небольшими по площади или протяженности объектами. Для таких объектов преимущества аэрофотосъемки с помощью беспилотных авиа ционных систем по сравнению с пилотируемыми воздушными судами очевидны и обусловлены следующими ее достоинствами: 

— эксплуатация и содержание БВС значительно легче и требует меньших затрат, что особенно проявляется на небольших по площади территориях, требующих частой оперативной АФС;

— для выполнения АФС не нужен аэродром или специально подготовленная площадка;

— стоимость комплекта оборудования для выполнения АФС, включая стоимость воздушного судна, существенно ниже. 

Кроме того, парк пилотируемых воздушных судов (Ту_134СХ, Ан_30, Ан_26, Ан_2, Л_410 и др.) со временем устаревает, что вызывает необходимость использовать для аэрофотосъемки альтернативные средства в виде беспилотных авиационных систем.

 Однако эффективность аэрофотосъемки с помощью БВС для значительных по размеру объектов вовсе не очевидна, ввиду сравнительно низкой производительности, и зависит, помимо размера объекта, от технических характеристик БВС и аэросъемочной аппаратуры. Совершенно очевидно, что при анализе эффективности не следует ограничиваться только процессом аэрофотосъемки, а необходимо рассматривать в комплексе все работы по созданию конечной продукции, например, ортофотоплана, включая подготовку планово-высотной основы и камеральную фотограмметрическую обработку. 

Проведем сравнительный анализ себестоимости создания ортофотоплана на основе материалов АФС для территорий, имеющих разные значения площади, при условии, что каждая территория имеет форму квадрата, а требуемый размер пикселя на местности составляет 15 см, что оответствует масштабу 1:2000. Рассмотрим 6 вариантов аэрофотосъемочных комплексов:

1. Самолет АН_30, оснащенный полноформатной топографической аэрофотокамерой с размером результирующего кадра 240 Мпикселей (АН30 + 240 Мп).  

2. Легкомоторный негерметичный самолет, оснащенный полноформатной топографической аэрофотокамерой с размером результирующего кадра 240 Мпикселей (Легкий самолет + 240 Мп). 

3. БВС с электрическим двигателем, оснащенное фотокамерой с размером результирующего кадра 24 Мпикселя, продолжительность полета которогсоставляет 1 час (БВС электро 1 + 24 Мп). 

4. БВС с электрическим двигателем, оснащенное фотокамерой с размером результирующего кадра 24 Мпикселя, продолжительность полета которого составляет 5 часов (БВС электро 5 + 24 Мп). 

5. БВС с бензиновым двигателем, оснащенное среднеформатной аэрофотокамерой с размером результирующего кадра 80 Мпикселей, продолжительность полета которого составляет 10 часов (БВС бензин + 80 Mп). 

6. БВС с гибридным двигателем, оснащенное среднеформатной аэрофотокамерой с размером результирующего кадра 80 Мпикселей, продолжительность полета которого составляет 6 часов (БВС гибрид + 80 Mп).  

Во всех вариантах предполагается использование на борту двухчастотных приемников ГНСС, обеспечивающих определение координат центров проекции снимков с требуемой точностью.

Однако разреженная полевая планово_высотная подготовка аэрофотоснимков в составе работ учитывается для всех вариантов с одинаковой плотностью, выраженной числом базисов фотографирования и маршрутов между рядами опознаков. В табл. 1 приведены основные технические характеристики аэрофотосъемочных комплексов.

 

При сравнительном анализе учитывались следующие общие условия и данные:

— эффективный угол поля зрения (часть поперечного угла поля зрения, ограничивающая

используемую для ортофотоплана часть снимка); 

— стоимость одного рабочего дня исполнителя, включая накладные расходы; 

— затраты на командировки (суточные, квартирные, проезд к месту выполнения работ и обратно); 

— транспортные расходы во время выполнения работ; 

— число съемочных дней в году; 

— продолжительность съемочного дня; 

— число базисов за пределами участка съемки; 

— допустимое минимальное поперечное перекрытие; 

— срок амортизации оборудования; 

— отношение числа нелетных дней к числу съемочных дней; 

— продолжительность паузы между вылетами; 

— число исполнителей, включая специалиста на наземной базовой станции ГНСС.

В табл. 2 приведены значения параметров съемки для каждого из рассматриваемых вариантов аэрофотосъемочных комплексов.

  

С учетом перечисленных условий и параметров была рассчитана себестоимость всего объема работ по созданию ортофотопланов масштаба 1:2000 для различных по площади объектов квадратной формы и себестоимость 1 км2 таких ортофотопланов.

 

Рис. 1 Графики зависимости себестоимости 1 км2 ортофотоплана масштаба 1:2000 от площади объекта при ее значениях от 5 км2 до 75 км2

 

Рис. 2 Графики зависимости себестоимости всего объема работ по созданию ортофотоплана масштаба 1:2000 от площади объекта при ее значениях от 5 км2 до 75 км2

 

На рис. 1 показаны графики зависимости себестоимости 1 км2 ортофотоплана от площади объекта, а на рис. 2 — графики зависимости себестоимости всего объема работ от площади объекта, при ее значениях от 5 км2 до 75 км2. На гра фиках видно, что при использовании комплексов АФС на основе БВС себестоимость ортофотоплана существенно ниже, чем для любого пилотируемого воздушного судна, а себестоимость всего объема работ почти не меняется с его увеличением. Это

объясняется тем, что для аэрофотосъемки с помощью всех вариантов комплексов АФС и площадей объекта в данном интер вале требуется один съемочный день. Амортизация оборудования, затраты на перелет к месту временного базирования, от места временного базирования до объекта съемки и обратно для любого из пилотируемых самолетов слишком велики по сравнению с затратами на саму аэрофотосъемку таких небольших по площади объектов. Кроме того, следует отметить, что в данном случае ни один из комплексов АФС на основе БВС не имеет преимуществ. 

Рис. 3 Графики зависимости себестоимости 1 км2 ортофотоплана масштаба 1:2000 от площади объекта при ее значениях от 50 км2 до 750 км2

 

Рис. 4 Графики зависимости себестоимости всего объема работ по созданию ортофотоплана масштаба 1:2000 от площади объекта при ее значениях от 50 км2 до 750 км2

 

На рис. 3 и 4 приведены графики, которые наглядно показывают, что съемку объектов площадью от 50 км2 до 750 км2   наиболее экономически эффективно выполнять комплексами на основе БВС со среднефор матной аэрофотокамерой 80 Mпикселей. Для объекта площадью около 100 км2 их преимущество по сравнению с комплексами на основе БВС с фото камерой 24 Mпикселя ощутимо,

а с увеличением площади значительно возрастает. Это объясняется более высокой производительностью среднеформатной аэрофотокамеры и, как следствие, сокращением числа

съемочных дней и расходов на командировки, а также меньшим числом аэрофотоснимков и

вытекающим из этого сокращением затрат на их фотограмметрическую обработку. Комплекс

БВС с фотокамерой 24 Mпикселя с продолжительностью полета 1 час эффективнее комплекса легкомоторного самолета с полноформатной топографической аэрофотокамерой для объектов площадью менее 350 км2, а для самолета АН_30 — менее 700 км2. Себестоимость съемки объектов любой площади, выполненной с помощью комплекса БВС с фотокамерой 24 Mпикселя с продолжительностью полета 5 часов, меньше, чем с помощью комплекса на основе АН_30, а для

объектов площадью менее 500 км2 его применение эффективнее легкомоторного самолета с полноформатной топографической аэрофотокамерой. С дальнейшим увеличением площади объекта от 1000 км2 до 15 000 км2 эффективность комплексов с фотокамерой 24 Mпикселя по сравнению с другими вариантами комплек сов заметно снижается, что видно из рис. 5 и 6, а преимущество БВС со среднеформатной аэрофотокамерой 80 Mпикселей сохраняется. Однако, если для площади до 2000 км2 эффективность БВС с аэрофотокамерой 80 Mпикселей по сравнению с пилотируемыми самолетами весьма значительна, то с увеличением площади это различие уменьшается. 

Рис. 5 Графики зависимости себестоимости 1 км2 ортофотоплана масштаба 1:2000 от площади объекта при ее значениях от 1000 км2 до 15 000 км2

 

Рис. 6 Графики зависимости себестоимости всего объема работ по созданию ортофотоплана масштаба 1:2000 от площади объекта при ее значениях от 1000 км2 до 15 000 км2

 

При оценке эффективности, кроме себестоимости, следует анализировать и затраты времени на выполнение аэрофотосъемки больших по площади объектов. На рис. 7 наглядно показано, сколько дней необходимо на съемку объектов разной площади при использовании различных комплексов

АФС. Если пилотируемым самолетам требуется 5 и 9 дней длсъемки территории площадью 15 000 км2, то БВС с фотокамерами 24 Mпикселя — 54 и 63 дня. Такая разница в количестве съемочных дней объясняется низкой производительностью фотокамер 24 Mпикселя и приводит к увеличению затрат на оплату труда и командировки, а также на обработку большого количества эрофотоснимков, как это видно из табл. 3. 

 

Следует отметить, что аэрофотоснимки, полученные с помощью полноформатных топографических аэрофотокамер, будут обладать максимальным качеством по сравнению с прочими, что обусловлено следующими факторами: 

— наличие гироплатформы, в результате чего минимизируются угловые колебания камеры и связанный с этим «смаз» изображения, а также обеспечивается более высокое фотограмметрическое качество снимков, например, стабильность перекрытий снимков; 

— наличие компенсации продольного сдвига изображения; 

— регистрация каждого спектрального канала отдельной матрицей; 

— отсутствие дисторсии изображения; 

— наличие заводской фотограмметрической калибровки камеры со значениями элементов внутреннего ориентирования.

 

Легкие аэрофотокамерысреднего формата 80 Mпикселей могут иметь компенсацию продольного сдвига изображе ния. Гироплатформы и иные стабилизирующие платформы при выполнении эрофотосъемки с БВС в России пока используются редко. Фотокамеры 24 Mпикселя обычно являются бытовыми, при изготовлении которых не учитываются высокие требования к табильности

значений элементов внутреннего ориентирования, и они не имеют заводской отограмметрической калибровки. Эти особенности приводят к различиям в относительной (отнесенной к высоте фотографирования) погрешности определения пространственных координат точек объектов по снимкам не в пользу бытовых фотокамер малого формата.

 

Кроме того, при выборе типа носителя необходимо учитывать, что практика применения БВС в основном ограничивается полетами на высоте 300–400 м на небольших участках или в малообжитых районах после закрытия района полетов для других воздушных судов диспетчером Единой системы управления воздушным движением (ЕС УВД). Законодательное решение вопросов равноправного использования воздушного пространства приостановлено на неопределенный срок изза разногласий в выборе принципов и средств обнаружения летательных аппаратов в воздушном пространстве. После введения необходимых поправок в Воздушный кодекс РФ потребуется еще 3–5 лет на организационно_технические мероприятия в решении данного вопроса. В настоящее время возможность закрытия воздушного пространства на требуемой высоте над объектом большой площади весьма сомнительна.

 

Если это будет предусмотрено только для указанных высот (300–400 м), то приведенные в статье результаты не будут характеризовать такую ситуацию. 

В подобных случаях использовать комплексы АФС на основе БВС для съемки объектов площадью более 200 км2 вообще не целесообразно, как это видно на рис. 8. 

 
Рис. 7 Зависимость количества аэрофотосъемочных дней от площади объекта

 

Рис. 8 Графики зависимости себестоимости всего объема работ от площади объекта при ограничении высоты полета БВС, равной 350 м

 

В представленном сравнительном анализе эффективности не учитывались затраты при оформлении разрешений на выполнение аэрофотосъемки как для пилотируемых, так и беспилотных систем, а также на закрытие воздушного пространства диспетчером ЕС УВД для обеспечения полетов БВС. 

Таким образом, можно сделать следующие выводы. 

В наибольшей степени на эффективность АФС с использованием БВС влияет размер цифрового изображения в пикселях используемой фотокамеры, определяющий в целом производительность комплекса. Комплексы на основе беспилотных авиационных систем могут эффективно заменить аэрофотосъемку с пилотируемых воздушных судов даже для значительных по площади объектов, соизмеримых с площадью субъекта РФ, при условии использования на борту БВС среднеформатной аэрофотокамеры, установленной на гироплатформе. 

Для этого требуется обеспечить высокую надежность (безаварийность) БВС. 

Использование БВС с малоформатными (около 24 Mпикселя) фотокамерами экономически эффективно при сравнительно ограниченной площади объекта съемки (до 350–700 км2).

При выборе аэрофотосъемочного комплекса следует учитывать все факторы, включая качество снимков, принципиальную возможность проведения АФС и сроки ее выполнения.

 

Авторы: 

Н.М. Бабашкин (Центр геодезии, картографии и ИПД)

В 1972 г. окончил аэрофотогеодезический факультет МИИГАиК по специальности «инженераэрофотогеодезист». После окончания института работал в МИИГАиК. С 1982 г. работает в ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД» (до 2013 г. — ЦНИИГАиК), в настоящее время — заместитель начальника отдела аэрокосмосъемки и фотограмметрии. 

С.А. Кадничанский (Центр геодезии, картографии и ИПД) В 1973 г. окончил аэрофотогеодезический факультет МИИГАиК по специальности «инженер-аэрофотогеодезист». После окончания института работал в Госцентре «Природа», с 1979 г. — в ЦНИИГАиК, с 1993 г. — в РосНИЦ «Земля», Центре «ЛАРИС», с 2002 г. — в ФГУП «Госземкадастрсъемка»

— ВИСХАГИ, с 2005 г. — в компании «Геокосмос», затем — в НП АГП «Меридиан+» и ФГУП «ГосНИИ авиационных систем». С 2015 г. работает в ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД», в настоящее время — начальник отдела аэрокосмосъемки и фотограмметрии. Кандидат технических наук.  

С.С. Нехин (Центр геодезии, картографии и ИПД)

В 1974 г. окончил аэрофотогеодезический факультет МИИГАиК по специальности «инженер-аэрофотогеодезист». После окончания института работает в ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД» (до 2013 г. — ЦНИИГАиК), в настоящее время — начальник управления фотограмметрических исследований. Доктор технических наук.