Современное оборудование для аэрофотосъемки. 2

Современное оборудование для аэрофотосъемки

Типы самолетов используемых для  аэрофотосъемки.

На основе самолетов Ан-24 и Ан-26 разработан в ОКБ О.К. Антонова самолет воздушного наблюдения и аэрофотосъемки Ан-30. Ан-30 — первая в истории отечественного авиастроения машина, которую сконструировали для аэрофотосъемки. Она необходима для лесников, для альпинистов, для сельского хозяйства, для геологов. Можно сменить аппаратуру и производить не только фотосъемку, но и тепловую, геофизическую, гравиметрическую.

На самолете Ан-30 имеется целый комплекс навигационных приборов. Он включает в себя даже вычислительную машину, которой задается программа зигзагообразного маршрута над фотографируемой площадью.

Отличается Ан-30 от своих предшественников приподнятой кабиной летного  экипажа и остеклением носовой  части фюзеляжа для штурмана-аэрофотосъемщика, в обязанности которого входит составление  программы съемки, контроль за выполнением аэрофотосъемочных маршрутов и общее руководство аэрофотосъемочными работами. Экипаж самолета Ан-30, в зависимости от задания, состоит из 5—7 человек.

Изменилась компоновка салона.

Вместо рядов пассажирских кресел установили рабочие места операторов и пять аэрофотоаппаратов для плановой и перспективной съемок.

Прототип самолета под обозначением Ан-24ФК построили на опытном заводе ОКБ Г.М. Бериева в 1967 году. В 1967 году в августе состоялся первый полет. В 1971 г. началось освоение серийного производства самолета под обозначением Ан-30 на киевском авиазаводе «Труд». Строился небольшой серией. До 1980 г. было построено 115 Ан-ЗО и Ан-ЗОА, 26 из которых были переданы ВВС и 65 — гражданской авиации.

Ан-ЗО оснащен двумя турбовинтовыми двигателями АИ-24ВТ мощностью по 2820 л.с. каждый, которые вращают четырехлопастные реверсивные воздушные винты изменяемого шага диаметром З,9 м.

В 1975 г. Ан-ЗО впервые экспонировался на авиационном салоне во Франции.

В 1975 г. в Мячковском авиаотряде Управления гражданской авиации Центральных районов создали первое в нашей стране специализированное подразделение Ан-ЗО, быстро вытеснивших Ил-14ФК. С внедрением этого высокопроизводительного самолета — АН-ЗО — успешно решалась проблема высотной аэрофотосъемки, расширялся диапазон масштабности воздушного фотографирования.

Модификации Ан-ЗО: Ан-ЗОА, Ан-ЗОБ. Последней модификацией стал Ан-ЗОМ «Метеозащита».

Помимо стран СНГ, самолет Ан-ЗО эксплуатируется в Болгарии, Венгрии и Румынии.

Возможность переоборудования аэрофотосъемочных самолетов Ан-ЗО в пассажирские (до ЗО мест) и административные варианты (до 20 мест) позволит более эффективно использовать данный парк самолетов.

ОСНОВНЫЕ ДАННЫЕ АН-30:

Максимальная взлетная масса, кг 23 000 Масса пустого самолета, кг 15 950—16 075

Максимальная скорость, км/час 540

Крейсерская скорость, км/час 430—475

Практический потолок, м 7300—8300

Дальность полета, км 2400—2600

Экипаж, чел. 5—7

Продолжительность полета, час 5,3

Длина разбега, м 770

Длина пробега, м 525—640

Длина самолета, м 24,26

Высота самолета, м 8,32

Размах крыла, м 29,20

Площадь крыла, м' 74,98

Легкий многоцелевой четырехместный самолет Цикада 4

Четырехместный легкий самолет Цикада 4

Четырехместный многоцелевой самолет  внеаэродромного базирования Цикада 4 разработан в полном соответствии с нормами летной годности авиационных правил России АП-23 и JAR VLA.

Основное предназначение легкого  четырехместного самолета Цикада 4

• пассажирский самолет
• учебно-тренировочный самолет
• грузопассажирский самолет
• самолет для мониторинга окружающей среды
• самолет для аэрофотосъёмки (под заказ при установке соответствующего оборудования)

СОВРЕМЕННАЯ АЭРОСЪЕМКА С БЕСПИЛОТНЫХ  ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ - НЕОСПОРИМЫЕ  ПРЕИМУЩЕСТВА

Беспилотные летательные  аппараты нашли свое широкое применение в различных странах мира для  задач аэросъемки в гражданских  и военных целях, выступают превосходной и доступной альтернативой использованию  спутниковой съемки либо традиционных средств аэрофотосъемки с самолетов, воздушных шаров или вертолетов.

Беспилотники способны обеспечить при аэрофотосъемке не только финансовую доступность результата, но также важные эксплуатационные и качественные преимущества. Поэтому во множестве стран распространено широкое использование этого метода для широкого спектра задач.

В числе основных преимуществ в сравнении с традиционной или спутниковой аэрофотосъемкой можно выделить:

- Отличные возможности  маловысотной съемки для создания  снимков при высоте 10-500 метров.

- Высокое разрешение  на местности. Удается зафиксировать  мельчайшие элементы рельефа,  даже объекты размерами в считанные  сантиметры.   

- Съемка под углом  к горизонту – космическая  съемка не поддерживает данную  возможность, при традиционной  аэросъемке такой подход вызовет  серьезные сложности.

- Панорамные снимки  – такая возможность оказывается  недоступной при традиционной  и спутниковой аэросъемке.

- Возможность детальной  съемки компактных объектов. Благодаря  данной технологии возможна аэрофотосъемка  негабаритных объектов, даже малых  площадок, когда прочие виды аэрофотосъемки  оказываются нерентабельными либо  просто невозможными в техническом  плане.

- Возможность подбирать  погодные условия и предпочтительное  время съемок для проведения  аэрофотосъемки. Проведение традиционной  или спутниковой возможно лишь  без учета этих параметров.

- Демократичная стоимость  – до десяти раз дешевле  использования стандартных методов  при аэрофотосъемке.

- Оперативность –  достаточно несколько часов от  выезда на съемку до получения  результатов работы.

- Работа в городских  условиях.

- Не требуются разрешения  и согласование проводимых полетов

- Экологическая безопасность

 

Применение БПЛА для аэрофотосъемки и лазерного сканирования

Одним из перспективных направлений  применения беспилотных систем является выполнение цифровых аэрофотосъемочных  работ и создание трехмерных моделей  местности. Беспилотные системы  обладают следующими основными преимуществами по сравнению с пилотируемыми  воздушными судами:

значительно меньшие производственные затраты – стоимость летного  часа БПЛА гораздо меньше стоимости  летного часа любого пилотиируемого воздушного судна;

отсутствие необходимости  в привязке к аэродромной инфраструктуре;

высокая оперативность применения.

Современное аэрофотосъемочное  и сканирующее оборудование обладает малой массой, что позволяет использовать для съемки БПЛА малого и среднего класса.

Выполнение аэрофотосъемочных  и сканирующих работ для решения  кадастровых и маркшейдерских задач

Оптимальной беспилотной  системой для выполнения аэрофотосъемочных  и сканирующих работ является БПЛА «Blueye». Грузоподъемность до 20 кг позволяет разместить на борту высокоточное цифровое аэрофотосъемочное оборудование или лазерный сканер, высокая надежность и функции посадки в аварийной ситуации обеспечивают сохранность оборудования, в том числе при чрезвычайных ситуациях. Важной особенностью этого аппарата является низкая экономическая скорость полета (от 30 до 65 км/ч), что является важным при проведении лазерного сканирования и различных видов аэросъемок с высоким разрешением.

Рис. 1. Исходный материал

Оперативное картографирование

Рис. 2. Автоматический поиск изменений на местности

Помимо создания высокоточных ортофотонимков, существует ряд задач (задачи охраны, оценки зон чрезвычайных ситуаций, задачи специальных служб и др.), для которых приоритетным является высокая скорость получения картографического материала. Специально для этих целей был разработан БПЛА «Boomerang». Уникальная фотограмметрическая камера массой 1 кг позволяет получать снимки с разрешением 4 см/пиксель. Благодаря использованию топливных водородных элементов достигается крайне высокая эффективность аэросъемочных работ (длительность нахождения в воздухе составляет более 9 часов).

Малый вес аппарата (10 кг) и простота сборки из транспортного  состояния дают возможность оперативно использовать беспилотную систему  для съемки требуемого участка земной поверхности. Программное обеспечение  постобработки обладает следующими возможностями:

автоматическое создание ортофотопланов (рис. 3);

автоматический поиска изменений  состояния поверхности между  снимками, сделанными в разное время (рис. 2);

создание на базе аэрофотоплана трехмерной модели местности (рис. 4).

Рис. 3. Построение ортофоплана

Рис. 4. Построение трехмерной модели местности на основе ортофоплана

 

Фотоаппараты  для аэрофотосъемки.

В научных и технических  целях применяются специальные  фотоаппараты, обеспечивающие решение  особых задач: фотоаппараты для аэрофотосъёмки (аэрофотоаппараты), космической съёмки, астросъёмки, макросъёмки; высокоскоростные камеры; фотоаппараты для съёмки за пределами видимого спектра и др.

Впервые цифровая фотокамера была представлена в 1981 году японской радиоэлектронной компанией Sony. В электронной (цифровой) камере Sony Mavica (сокращение от Magnetic Video Camera) изображение проецировалось не на обычную фотопленку, а на фотоэлектрический приемник с разрешением 0,28 Мпкс. Запоминалось и хранилось изображение на миниатюрном магнитном диске камеры.

Развитие микроэлектроники предопределило появление цифрового аэрофотоаппарата. Первую цифровую аэрофотокамеру Z/I Imaging DMC выпустила корпорация Intergraph в 2004 г.

В табл. 1 представлен один из возможных подходов к классификации цифровых аэрофотоаппаратов [5], когда в качестве основного критерия используется размер выходного кадра (аэрофотоснимка):

 

Таблица 1

Классификация цифровых аэрофотоаппаратов по размеру результирующего кадра

Класс аэрофотоаппаратов	Размер результирующего  кадра, Мпкс
Малоформатные	до 16
Среднеформатные	16–64
Широкоформатные	более 64

 

Рассмотрим цифровые фотоаппараты, относящиеся к классу малоформатных, которые применяются в комплексе с беспилотными летательными аппаратами (БПЛА), предназначенные для проведения научных исследований, а также в гражданских целях.

На данный момент существуют компактные малоформатные фотоаппараты, оснащенные  матрицами с максимальным эффективным разрешением матрицы 14,1 Мпкс, что составляет 4320x3240 пикселей. 

Компания Sony выпускает фотоаппарат XNite DSC-W300, пришедший на смену 12 Мпкс аппарату XNite DSC-S980. Цифровая камера позволяет производить съемку в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазоне от 330 нм до 1200 нм. Для этого используются следующие наборы фильтров:

для съемки в ультрафиолете

XNite330

XNiteUVR

для съемки в видимом  диапазоне

XNiteСС1

XNiteСС2

для съемки в инфракрасном диапазоне

XNite BP1

XNiteXDP

XNite630

XNite665

XNite715

XNite780

XNite830

XNite850

XNite1000

Для применения с БПЛА канадской компанией CropCam рекомендованы стандартные фотокамеры, такие как Pentax Optio S6, Pentax Optio S10, Pentax Optio A40 и Pentax Optio S12 (табл. 2) [1]. Для крепления фотоаппаратов существует два типа боксов: с инфракрасным излучателем или с механическим спуском. Бокс для камеры с механическим спуском предоставляет возможность использовать широкий ассортимент компактных цифровых фотокамер.

Шведская компания SmartPlanes для БПЛА SmartOne предлагает два варианта оснащения: 7 Мпкс или 6 Мпкс компактными фотоаппаратами с калиброванной оптикой [3].

С помощью специального калибровочного стенда и программного обеспечения осуществляется калибровка цифровых камер для проведения аэрофотосъемки высокого разрешения. В основу технологии калибровки положен принцип совместного определения элементов внутреннего и внешнего ориентирования камеры и поправок за несовпадение проекции изображения, полученного камерой, и центральной проекции.

Для выполнения фотограмметрической калибровки камеры необходимо сфотографировать камерой калибровочный стенд под несколькими углами наклона. Фотографии загружают в программное обеспечение и получают результаты калибровки камеры.

При калибровке определяются следующие параметры: радиальная дисторсия, фокусное расстояние, разность масштабов  по осям X и Y , координаты главной точки. Эти сведения позволяют исправить искажения на снимках.

 

Таблица 2

Стандартные цифровые фотоаппараты, применяемые с БПЛА

Параметры	Pentax Optio S6	Pentax Optio S10	Pentax Optio S12	Pentax Optio A40	Sony XNite DSC-W300	Sony DSC-W380
Эффективная емкость (млн. пикселей)	6	10	12	12	13.6	14,1
Максимальное разрешение, пикселей	2816х2112	3648х2736	4000х3000	4000х3000	4224x3168	4320x3240
Максимальное разрешение видео, пикселей	640x480	640x480	640x480	640x480	640x480	1280x720
Матрица, дюймов	1/2.5	1/1.8	1/1.7	1/1.7	1/1.7	1/2.3
Диафрагма	F2.7 - F5.2	F2.8 - F5.4	F2.8 - F5.4	F2.8 - F5.4	F2.8 - F5.5	F2,4-F5,9
Оптический зум	3Х	3Х	3Х	3Х	3Х	5Х
Цифровой зум	1X - 4X	1X – 5,4X	1X - 6X	1X - 6X	10X	10X
Система стабилизации	-	цифровая "Digital SR"	цифровая "Digital SR"	Оптическая  и цифровая "DigitalSR"	Optical Super SteadyShot	Optical SteadyShot
Съемка  в ИК диапазоне	нет	нет	нет	нет	Да (3 фильтра)	нет
Съемка с ПДУ	да	да	да	да	нет	нет
Скорость съемки, кадр./сек	-	-	3	3	5	-
Носитель  данных	SD	SD,SDHC	SD,SDHC	SD,SDHC	MS, MS Duo, MS Pro Duo	SD, MS Duo, MS Pro Duo
Вес, г	120	130	130	150	156	156

 

БПЛА компании “Беспилотные системы ЗАЛА АЭРО” оснащаются специализированными цифровыми фото и видеокамерами [4], такими как:

цифровой аэрофотоаппарат с разрешением матрицы 10 Мпкс;

цветная видеокамера, стабилизированная в двух осях с обзором любой точки нижней полусферы, с плавным изменением угла поля зрения; 

блок, состоящий из двух цветных видеокамер, гиростабилизированных по крену и фронтального обзора;

инфракрасная камера (тепловизор);

тепловизор на гиростабилизированной платформе.

Российская компания «АЭРОКОН» применяет в беспилотных авиационных комплексах серии Инспектор специализированное оборудование [2]:

неподвижную низкоуровневую видеокамеру переднего обзора;

стабилизированные по крену  и тангажу видеокамеры с различным фокусным расстоянием;

цифровой фотоаппарат  планового обзора 10 Мпкс;

ИК – камеру.

Стабилизатор камеры обеспечивает компенсацию углового движения самолета по крену в пределах угла качки. Исполнительное устройство стабилизатора может получать команды от:

штатной навигационной системы;

гироскопа.

В табл. 3 приведены основные характеристики специализированных цифровых фото- и видеокамер, применяемые  в беспилотных летательных системах ЗАЛА АЭРО.

Таблица 3

Специализированные цифровые видеосистемы, применяемые с БПЛА

Параметры	Цифровой аэрофотоаппарат	Цветная видеокамера стабилизированная в двух осях с обзором любой точки нижней полусферы, с плавным изменением угла поля зрения (ЦВК 2)	Блок цветных видеокамер - гиростабилизированная по крену  и фронтального обзора	Инфракрасная камера (тепловизор)	Тепловизор на гиростабилизированной платформе (ИК-2)
Эффективная емкость, Мпкс	10,37	-	-	-	-
Максимальное разрешение, пикселей	3648×2736	-	-	160×120	320×240
Максимальное разрешение видео, ТВЛ	-	460 ТВЛ	550 ТВЛ	-	-
Матрица, дюймов	1/1,8	1/4	-	-	-
Оптический зум	-	10х	-	-	-
Диапазон углов визирования, град	-	по углу места -20 …-140 по азимуту – ±180.	-	-	по углу места –10…-100 по азимуту – ±180.
Система стабилизации	-	Стабилизи-рованная в двух осях	Гиростаби-лизирован-ная	-	Гиростаби-лизирован-ная
Съемка в ИК диапазоне, мкм	-	-	-	7 – 14	7,5 – 13,5
Вес, г	150	480	100	150	580

Проанализируем цифровые фотоаппараты со светочувствительными матрицами с разрешением от 6 Мпкс до 14,1Мпкс, которые на данный момент наиболее распространены.

При проведении аэрофотосъемки высокого разрешения цифровыми фотокамерами, чтобы получить снимки с требуемым размером пикселя на местности, необходимо выполнять съемку на определенной высоте.  Рассчитывается высота полета по следующей формуле:

где

H_пол - высота полета, м;

R - размер одного пикселя на местности, разрешение пикселя, м/пкс;

h_c - высота снимка камеры, пкс.

В табл. 4 приведен расчет высоты полета БПЛА для фотокамер, оснащенных светочувствительными матрицами различного разрешения от 6 Мпкс до 14,1 Мпкс.

Таблица 4

Высота полета БПЛА с фотоаппаратами различного разрешения для получения снимков с определенным размером пикселя

Размер пикселя на местности, м/пкс	Разрешение фотоаппарата , Мпкс
	6	10	12	13.6	14.1
	Высота полета, м
0.005	10.56	13.68	15	15.84	16.2
0.01	21.12	27.36	30	31.68	32.4
0.02	42.24	54.72	60	63.36	64.8
0.05	105.6	136.8	150	158.4	162
0.1	211.2	273.6	300	316.8	324
0.25	528	684	750	792	810

По полученным результатам, приведенным в таблице, построен график (рис. 1.) для получения снимков с размером пикселя: 0.02, 0.05 и 0.1 м/пкс.

Рис. 1. Высота полета БПЛА для  получения снимков с определенным разрешением пиксеяля на местности

На рис. 1. видно, что  при уменьшении размера пикселя на местности сокращается разброс высот при использовании камер с различным максимальным разрешением. Например, для получения снимка с разрешением пикселя 0.1 м/пкс для 6 Мпкс камеры высота полета составляет 211.2 м, для 14.1 Мпкс – 324 м, с разрешением пикселя 0.02 м/пкс для 6 Мпкс камеры – 42.2 м, а для 14.1 Мпкс – 64.8 м. Для разрешения пикселя 0.1 м/пкс разница составляет 112.8 м, а для 0.02 м/пкс - 22.6 м.

 

Выводы

Применение калиброванных  цифровых фотокамер для аэрофотосъемки беспилотными летательными аппаратами дает возможность при небольших  затратах получать высокого качества результаты.

Стало возможным проведение аэрофотосъемки в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазоне не только специализированными, но и стандартными цифровыми фотоаппаратами со специальными наборами фильтров.

Цифровые фотоаппараты включают функцию видеокамеры достаточно высокого разрешения 640х480 пикселей и даже качества HD (High Definition) 1280х720 пикселей. Данная функция позволяет получать высококачественную видеосъемку с БПЛА.

Высокое разрешение светочувствительной  матрицы фотокамеры наиболее предпочтительно, так как позволяет выполнить аэрофотосъемку при одинаковом разрешении пикселя на местности, большей по площади.

 

Литература

Cropcam  // http://cropcam.com/pdf/brochure-cropcam.pdf

INSPECTOR 201  // http://www.aerocon.ru/inspector/inspector201/

Smartplanes  // http://www.smartplanes.se/pams_spec_e.htm

Беспилотные системы ZALA.AERO. Полезная нагрузка. // http://zala.aero/ru/payload/

Медведев Е.М., Данилин  И.М., Мельников С.Р. Лазерная локация земли и леса: Учебное пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Геолидар, Геокосмос; Красноярск: Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2007. - 229 с.: илл. - 160; табл. - 45; библиогр. назв. - 87.

Никифоров А.А. Применение беспилотных летательных аппаратов  для инвентаризации, картирования и  управления объектами садово-паркового  хозяйства // Леса России в XXI веке. Материалы первой международной научно-практической интернет-конференции. – СПб.: СПбГЛТА, 2009. № 1, c. 248-251.

Никифоров А.А., Кадегров В.С. Беспилотные летательные аппараты российского производства, применяемые в лесной отрасли // Леса России в XXI веке. Материалы третьей международной научно-практической интернет-конференции. – СПб.: СПбГЛТА, 2010. № 3, c. 144-149.