Изучение ортофотоплана и цифровой модели местности, созданных по материалам аэросъемки с беспилотного летательного аппарата автодороги 'Сосново–Дедушкино' Чайковского района Пермского края

Изучение ортофотоплана и цифровой модели местности, созданных по материалам аэросъемки с беспилотного летательного аппарата автодороги 'Сосново–Дедушкино' Чайковского района Пермского края

Содержание

топографический аэросъемка ортофотоплан беспилотный

Введение

. Обзор современного состояния топографической аэросъемки с использованием БПЛА

.1 Определение БПЛА, разновидности и основные характеристики

.2 БПЛА различных отечественных и зарубежных производителей

1.2.1 Беспилотный вертолет промышленного назначения Scout B1-100

1.2.2 Беспилотный летательный аппарат Trimble Gatewing X100

.2.3 Аэрофотосъемочные комплексы Геоскан

.2.3.1 Geoscan 200

.2.3.2 Geoscan 401

.2.3.3 Беспилотный аэрофотосъемочный комплекс GeoScan 101

.3 Практический опыт использования беспилотных летательных аппаратов для проведения аэрофотосъемки

.3.1 Аэрофотосъемка города Томск

.3.2 Опыт применения технологии аэрофотосъёмочных работ с беспилотных летательных аппаратов в горном деле

.3.3 Образовательные проекты

.4 Точность геодезических работ при их выполнении с помощью БПЛА

Выводы по главе

. Технология создания топографических планов по материалам аэросъемки с БПЛА "Геоксан"

.1 Подготовительные работы аэрофотосъемки с использованием БПЛА

.2 Полевые работы аэрофотосъемки с использованием БПЛА

.2.1 Планово-высотное обоснование аэросъемки

.2.2 Аэрофотосъемочные полевые работы

.3 Камеральные работы

. Исследование точности построения ЦММ и ортофотоплана по материалам аэросъемки с БПЛА автодороги "Сосново-Дедушкино" Чайковского района Пермского края

.1 Описание выполненных аэрофотосъемочных работ

.1.1 Плнаво-высотная подготовка

.2 Результаты обработки, исходный материал для исследования

.3 Оценка точности ЦМР

.4 Оценка точности ортофотоплана

. Технико-экономическое обоснование исследования точности построения ЦММ и ортофотоплана по материалам аэросъемки с БПЛА автодороги "Сосново-Дедушкино" Чайковского района Пермского края

. Безопасность жизнедеятельности

.1 Анализ наиболее опасных и вредных производственных факторов, воздействующих на оператора при проведении камеральных работ с использованием ПЭВМ

.1.1 Повышенное значение напряжения электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека

.1.2 Пониженный уровень освещенности

.1.3 Повышенные уровни электромагнитного излучения

.1.4 Повышенный уровень шума

.1.5 Повышенный уровень статического электричества

.2 Методика оценки безопасности рабочего места по условиям труда

.3 Оценка безопасности рабочего места по условиям труда

.3.1 Повышенное значение напряжения в электрической цепи

.3.2 Пониженный уровень освещённости

.3.3 Повышенный уровень электромагнитного излучения

.3.4 Повышенный уровень шума

.3.5 Повышенный уровень статического электричества

.4 Организация интерьера помещения для проведения камеральных работ

Выводы по главе

Заключение

Список использованных источников

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Введение

Актуальность темы дипломной работы. Крупномасштабная топографическая съемка является самым массовым и востребованным видом работ в составе инженерно-геодезических изысканий, обновлении топографических карт и планов, составлении генеральных планов и рабочих чертежей, планировании и проектировании ландшафтного дизайна и решении вопросов вертикальной планировки. Несмотря на быстрое развитие методов дистанционного зондирования с космических аппаратов, аэрофотосъемка остается одним из основных способов создания и обновления крупномасштабных карт и планов. Наряду с традиционными методами аэрофотосъемки все более востребованной становится съемка с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Получаемые в результате беспилотной аэрофотосъемки цифровые ортофотопланы с наполнением векторными данными и привязкой к внешним базам данных используются как конечный продукт в геоинформационных системах (ГИС), так и как плановая основа для создания цифровых топографических планов и карт.

В последнем случае к геометрической точности отображения элементов местности на ортофотоснимках предъявляются достаточно высокие требования, определяемые действующими нормативными документами [1, 2]. Результаты выполненных экспериментальных исследований и практических работ показали, что аэрофотосъемка с БПЛА может с успехом заменить традиционную аэрофотосъемку и наземные методы сбора пространственных данных с целью создания и обновления топографических и кадастровых планов крупных масштабов [3, 4, 5].

В связи с этим определенный практический интерес представляет экспериментальная проверка геометрической точности ортофотоплана и цифровой модели местности (ЦММ), созданных по материалам аэросъемки выполненной с использованием БПЛА "Геоскан 101". Этим объясняется актуальность выбранной темы дипломной работы.

Цель работы: исследование точности ортофотоплана и ЦММ, созданных по материалам аэрофотосъемки с использованием беспилотного аэрофотосъемочного комплекса "Геоскан 101" и специализированного программного обеспечения (ПО) "Agisoft PhotoScan" при инженерных изысканиях автодороги "Сосново-Дедушкино" Чайковского района Пермского края.

Задачи, поставленные в дипломной работе:

)        выполнить обзор литературных источников по теме дипломной работы;

)        выполнить измерения координат контрольных точек на ортофотопланах и цифровой модели местности автодороги "Сосново-Дедушкино" в программном комплексе ENVI;

)        выполнить преобразование исходной ЦММ в матрицу высот и разбивку этой матрицы на части размером 1000×1000 в программе Surfer 8.0;

)        выполнить вычисление ошибок ЦМР;

)        выполнить статистическую обработку полученных экспериментальных данных;

)        составить смету затрат на создание ортофотоснимков автодороги "Сосново-Дедушкино" с использованием беспилотного аэрофотосъемочного комплекса "Геоскан 101" и специализированного ПО "Agisoft PhotoScan";

)        выполнить анализ безопасности оператора при проведении камеральных работ с помощью ПВМ и организации интерьера помещения для проведения камеральных работ;

Исходные материалы для выполнения работы:

.        литературные источники по теме дипломной работы;

.        ортофотоплан территории объекта в формате jpg с файлом привязки в формате txt;

.        матрица высот в формате txt;

.        каталог координат опознаков;

.        каталог координат съемочных точек.

Используемые программные средства:

)        ENVI для измерения координат контрольных точек;

)        Surfer 8.0 для преобразования ЦМР;

)        библиотека численного анализа ВЦ МГУ для интерполяции;

)        SSP для статической обработки данных;

)        Microsoft Word для оформления дипломной работы.

Краткое содержание работы

В первом разделе рассмотрено современное состояние топографической аэросъемки с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

Второй раздел работы посвящен технологии создания топографических планов по материалам аэросъемки с БПЛА "Геоскан".

В третьем разделе выполнено исследование точности ортофотоплана и ЦММ, созданных по материалам аэросъемки с БПЛА автодороги "Сосново-Дедушкино" Чайковского района Пермского края.

В четвертом разделе работы составлена смета затрат для создания ортофотоснимков автодороги "Сосново-Дедушкино" с использованием беспилотного аэрофотосъемочного комплекса "Геоскан 101" и специализированного ПО " Agisoft PhotoScan".

В пятом разделе работы рассмотрены вопросы безопасности жизнедеятельности.

В заключении сформулированы выводы и рекомендации по результатам выполненных исследований.

Общий объем работы составляет 137 страниц, в том числе 42 страницы приложений. Список использованных источников включает 25 наименований.

Работа выполнена на кафедре МДГ и ГИС Пермского национального исследовательского политехнического университета.

1. Обзор современного состояния топографической аэросъемки с использованием БПЛА

.1 Определение БПЛА, разновидности и основные характеристики

БПЛА используются как в гражданских, так и в военных целях: для оперативного проведения аэрофотосъемки, радиовещания, поисково-спасательных работ, разведки и наблюдения, поддержания правопорядка и т.д. БПЛА отличаются большим разнообразием, их конструкция и размеры зависят от задач, для которых они предназначаются. Самолеты и вертолеты наиболее известны, но есть также дирижабли, нановертолеты (свободно помещаются на ладони) и даже аэропланы, работающие на солнечных батареях.

Типы беспилотных летательных аппаратов приведены в таблице 1.1, из которой следует, что беспилотный летательный аппарат (БПЛА или БЛА) - это летательный аппарат без экипажа на борту, использующий аэродинамический принцип создания подъемной силы с помощью фиксированного или вращающегося крыла (БПЛА самолетного и вертолетного типа), оснащенный двигателем и имеющий полезную нагрузку и продолжительность полета, достаточные для выполнения специальных задач [6].

Таблица 1.1 - Типы беспилотных летательных аппаратов

Для выполнения аэрофотосъемки одного БПЛА недостаточно. Необходим аэрофотосъемочный комплекс (АФК), который представляет собой совокупность БПЛА, его приборного оснащения, полезной нагрузки и наземной станции управления (НСУ).

. Приборное оснащение:

·        интегрированная навигационная система;

·        приемник спутниковой навигационной системы;

·        накопитель полетной информации;

·        автопилот.

Задачами автопилота являются пилотирование (автоматический полет по заданному НСУ маршруту, автоматический взлет и посадка, поддержание заданной НСУ высоты и скорости полета, стабилизация углов ориентации, принудительная посадка в случае отказа двигателя или прочих серьезных неполадок) и программное управление бортовыми системами и полезной нагрузкой, например, стабилизация видеокамеры и синхронизация по времени и координатам срабатывания затвора фотоаппарата, выпуск парашюта.

. К полезной нагрузке для задач аэрофотосъемки относится цифровая фотокамера, как дополнение могут использоваться видеокамера, тепловизор, ИК-камера.

Аэрофотосъемка с БПЛА при установке соответствующего съемочного оборудования позволяет получить цифровые снимки сверхвысокого пространственного разрешения до 2 см.

. Функции наземного пункта управления:

·        слежение за полетом;

·        прием данных;

·        передача команд управления.

БПЛА различают по способу управления:

·        ручное управление оператором (или дистанционное пилотирование) с дистанционного пульта управления в пределах оптической наблюдаемости или по видовой информации, поступающей с видеокамеры переднего обзора. При таком управлении оператор, прежде всего, решает задачу пилотирования: поддержание нужного курса, высоты и т.д.;

·        автоматическое управление обеспечивает возможность автономного полета БПЛА по заданной оператором траектории, на заданной высоте с заданной скоростью и со стабилизацией углов ориентации. Автоматическое управление осуществляется с помощью бортовых программных устройств;

·        полуавтоматическое управление (или дистанционное управление) - полет осуществляется автоматически без вмешательства человека с помощью автопилота по первоначально заданным параметрам, но при этом оператор может вносить изменения в маршрут в интерактивном режиме. Таким образом, оператор имеет возможность влиять на результат функционирования, не отвлекаясь на задачи пилотирования [7].

Радиоуправляемые авиамодели, имеющие ручной способ управления не могут использоваться для выполнения серьезных целевых задач. БПЛА с автоматическим и полуавтоматическим способом управления наиболее востребованы, т.к. предъявляют наименьшие требования к подготовке персонала и обеспечивают безопасную и эффективную эксплуатацию. Полностью автоматическое управление может быть оптимальным решением для задач аэрофотосъемки заданного участка, когда нужно снимать на большом удалении от места базирования вне контакта с наземной станцией. В то же время, поскольку за полет отвечает лицо, осуществляющее запуск, то возможность влиять на полет с наземной станции может помочь избежать внештатных ситуаций.

Беспилотные летательные аппараты принято классифицировать по таким взаимосвязанным параметрам, как масса, время, дальность и высота полета. Выделяют следующие классы аппаратов:

·        сверхлегкие: до 10 кг, время полета около 1 ч, высота до 1 км;

·        легкие: до 50 кг, время полета несколько часов, высота до 3-5 км;

·        средние - вес до 1000 кг, время 10-12 ч, высота до 9-10 км;

·        тяжелые - высота полета до 20 км, время полета 24 ч и более.

Следует отметить, что сверхлегкие БПЛА не позволяют оборудовать их сложной высокоточной съемочной аппаратурой, так как они существенно ограничены в весе полезной нагрузки. Кроме того, эти аппараты сильно подвержены влиянию погодных условий (например, для БПЛА весом до 2 кг накладываются ограничения применения по скорости ветра до 10 м/с). Однако оборудование таких аппаратов позволяет проводить съемку для целей оперативного мониторинга наводнений, пожаров и др. Для проведения высокоточной аэрофотосъемки желательно использовать аппараты легкого и среднего класса, так как на них можно разместить более совершенную съемочную и стабилизирующую аппаратуру.

.2 БПЛА различных отечественных и зарубежных производителей

В мире представлено большое количество БПЛА, различающихся по своим спецификациям и набору характеристик (назначение, вес, размер, продолжительность и высота полета, система запуска и приземления, наличие систем автопилотирования и навигации, формат фото- и видеосъемки и др.).

.2.1 Беспилотный вертолет промышленного назначения Scout B1-100

Управление вертолетом осуществляется в ручном режиме или посредством автоматической встроенной системы управления полетом INS/GPS.

Система управления полетом обеспечивает режим джойстика (динамический) и режим точек маршрута GPS (позиционный). Автономный беспилотный вертолет промышленного назначения Scout B1-100 (рис. 1.1) предназначен для профессиональных воздушных операций, таких, как аэрофотосъемка, радиовещание, поисково-спасательные работы, разведка и наблюдение, а также поддержание правопорядка.

Технические характеристики Scout B1-100 приведены в таблице 1.2.

Рисунок 1.1 - БПЛА Scout B1-100

Таблица 1.2 - Технические характеристики БПЛА Scout B1-100

На вертолёт может быть установлено дополнительное оборудование для проведения воздушного лазерного сканирования.

Дополнительное оборудование:

) лазерный сканер RIEGL LMS Q160 (рис. 1.2)

Рисунок 1.2 - Лазерный сканер RIEGL LMS Q160

LMS Q160 - строчный сканирующий лазерный сканер, способный обнаруживать тонкие надземные объекты - такие, как провода и тонкие ветки. Прибор предназначен для работы в качестве активного модуля измерения координат и расстояний до точек отражения сигнала. Принцип действия прибора основан на измерении угла направления и времени прохождения коротких импульсов инфракрасного лазера посредством механического поворота отражающей призмы сканирования, что позволяет в режиме реального времени получать данные о дальности расположения и угловых параметрах наблюдения объектов, находящихся в поле зрения сканера.

Технические характеристики RIEGL LMS Q160 приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 - Технические характеристики RIEGL LMS Q160

) Навигационная система RT3003

Навигационная система RT3003 - это шестиосная инерциальная система навигации со встроенным GPS-приемником высокой точности, позволяющим получать данные о положении, ориентации и скорости. Второй GPS-приемник улучшает точность позиционирования.

Система навигации RT3003 оснащена тремя гироскопическими датчиками угловой скорости, тремя акселерометрами, работающими с сервоприводами, двумя GPS-приемниками и всеми необходимыми средствами обработки данных, размещёнными в одной компактной коробкеявляется автономной системой, для запуска которой не требуется ввод данных со стороны пользователя. Выходные данные навигационной системы RT3003 рассчитываются на основе показаний акселерометров и гироскопических датчиков.

Использование инерциальных датчиков обеспечивает высокую частоту обновления (100 Гц). Все данные вычисляются в режиме реального времени с очень малой задержкой.

Два GPS-приемника совместно измеряют истинный курс. В отличие от систем инерциальной навигации, где поправка осуществляется одиночными антеннами, в RT3003 точность курса является постоянной и не зависит от наличия динамических колебаний. В системе RT3003 возможно выполнение калибровки в неподвижном состоянии.

.2.2 Беспилотный летательный аппарат Trimble Gatewing X100

Беспилотный летательный аппарат, который обеспечивает получение цифровых аэрофотоснимков с высоты от 100 до 750 метров и позволяет проводить обследование малых и средних площадей (карьеры, объекты транспортной инфраструктуры и труднодоступной местности), там, где необходима быстрая и оперативная съемка высокой точности. Trimble Gatewing X100 представлен на рисунке 1.3.

Технические характеристики данного БПЛА приведены в таблице 1.4.

Рисунок 1.3 - БПЛА Trimble Gatewing X100

Таблица 1.4 - Технические характеристики БПЛА Trimble Gatewing X100

.2.3 Аэрофотосъемочные комплексы Геоскан

Беспилотные аэрофотосъемочные комплексы GeoScan используются в производстве картографических работ, маркшейдерском обеспечении открытых горных разработок, изысканиях, мониторинге состояния ЛЭП, трубопроводов и других протяженных инфраструктурных объектов, оценке состояния сельхозугодий и при других видах работ, требующих оперативного получения пространственных данных.

.2.3.1 Geoscan 200

АФК GeoScan 200 (рис. 1.4) за счет увеличенной продолжительности полета особенно эффективен при аэрофотосъемке площадных объектов значительной площади и мониторинге протяженных линейных объектов. За один полет аппарат способен отснять 15 кв. км местности с разрешением, достаточным для получения карты масштаба не менее 1:2000.

Рисунок 1.4 - БПЛА GeoScan 200

Комплект поставки:

·        БПЛА с фотокамерой Sony DSC-RX1 и одночастотным GNSS-приемником геодезического класса;

·        складная катапульта;

·        ноутбук с установленным ПО GeoScan Planner и AgisoftPhotoScan Pro;

·        модем для связи с БПЛА.

Использование бортового GNSS-приемника геодезического класса позволяет получать координаты центров фотографирования с высокой точностью, что в ряде случаев способно значительно уменьшить затраты на выполнение планово-высотной подготовки. Основные характеристики Geoscan 200 приведены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 - Основные характеристики Geoscan 200

.2.3.2 Geoscan 401

Основные характеристики Geoscan 401 приведены в таблице 1.6.

Таблица 1.6 - Основные характеристики Geoscan 401

Комплект поставки:

·        БПЛА с фотокамерой Sony NEX 5 (опционально - Sony NEX-7 или Sony RX-1) и навигационным GPS-модулем;

·        ноутбук с установленным ПО GeoScan Planner, AgisoftPhotoScan Pro и ГИС Спутник;

·        модем для связи с БПЛА.

Возможности:

·        автоматическое построение полетного задания на облет объектов сложной формы;

·        автоматический полет и съемка объекта;

·        запись координат центров фотографирования.

Беспилотный комплекс GeoScan 401 (рис.1.5) особенно эффективен для получения высоко детальных фотоснимков относительно небольших объектов - котлованов, карьеров, башенных сооружений, объектов культурного наследия.

Рисунок 1.5 - Беспилотный комплекс GeoScan 401

Полетные возможности GeoScan 401 позволяют осуществлять круговую фотосъемку архитектурных комплексов, объектов культурного наследия с разных высот, в том числе и в условиях плотной городской застройки. По материалам съемки затем строится фотореалистичная 3D модель местности <#"887589.files/image006.jpg">

Рисунок 1.6 - БПЛА GeoScan 101

Таблица 1.7 - Характеристики GeoScan101

Основными частями беспилотного аэрофотосъемочного комплекса являются: корпус, двигатель, бортовая система управления (автопилот), наземная система управления (НСУ) Geoscan Planner 2.1 и аэрофотосъемочное оборудование.

Корпус GeoScan101 изготовлен из легкого пластика кевлара, материала, способного выдержать самую жесткую эксплуатацию, тем самым защитив фотоаппаратуру и средства управления и навигации. Крылья сделаны из легкого и прочного Elapor, за счет эластичности материала они не повреждаются при посадке на неподготовленные площадки.

Все бортовые системы GeoScan101 сведены в одной плате автопилота, а именно, 12 датчиков: З осевых акселерометра, 3 осевых гироскопа, 3 осевых магнитометра, барометр, датчик воздушной скорости. Размер автопилота 50х53 мм, вес 28 г (рис.1.7). Мощный процессор на ядре Cortex M3 500 раз в секунду обрабатывает данные с 16 сенсоров, обеспечивая стабильный полет для фотографий очень хорошего качества.

Рисунок 1.7 - Плата автопилота БПЛА GeoScan101

В БПЛА имеется радиомодем, необходимый для загрузки полетного задания, передачи в наземную систему управления телеметрических данных о полете и текущем местоположении на участке работ.

Программа Geoscan Planner 2.1 представляет собой специально разработанный инструмент для подготовки и осуществления полетов с использованием беспилотного комплекса "Геоскан".

Программа предназначена для расчета прогнозной трассы полета БПЛА, отображения местоположения БПЛА в процессе полета и оценки качества выполнения аэрофотосъемки.

Программа управления полетом БПЛА позволяет реализовать выполнение следующих функций:

) нанесение района проведения работ на пользовательскую карту;

) расчет маршрутов полета БПЛА по исходным данным:

·        расчет высоты полета БПЛА по масштабу создаваемого цифрового топографического плана и высоте сечения рельефа местности;

·        по параметрам цифровой камеры, величине продольного и поперечного перекрытия аэрофотоснимков, максимальной и минимальной высоте рельефа в районе съемки, скорости и направление ветра - расчет времени выполнения полета, количества снимков на район съемки, скорость движения БПЛА, интервалы съемки;

) в случае, если для покрытия всего района съемки необходимо производить несколько полетов, а также, если старт и посадку БПЛА необходимо выполнять с разных стартовых позиций, - осуществить разбивку района съемки на отдельные участки.

Для оценки качества выполненных аэрофотосъемочных работ производится накидной монтаж полученных цифровых аэрофотоснимков с использованием программы аэрофотосъемочных расчетов. При создании накидного монтажа каждый аэрофотоснимок отображается на цифровой карте. Расположение аэрофотоснимков на карте и их масштаб определяются координатами центральной точки аэрофотоснимка, углом азимута и высотой, полученными в момент фотографирования по данным бортового GPS-приемника.

Помимо обеспечения полета и обеспечения навигации, задачей автопилота так же является управление фотоаппаратом, это необходимо для получения снимков с заданным межкадровым интервалом (как только БПЛА пролетит нужное расстояние от предыдущего центра фотографирования). Если заранее рассчитанный межкадровый интервал не выдерживается стабильно, необходимо настраивать время срабатывания затвора с таким расчетом, чтобы даже при попутном ветре продольное перекрытие было достаточным.

Автопилот должен регистрировать координаты центров фотографирования геодезического спутникового приемника ГЛОНАСС/GPS, чтобы программа автоматической обработки снимков смогла построить модель быстро и привязать ее к местности. Требуемая точность определения координат центров фотографирования зависит от технического задания к выполнению аэрофотосъемочных работ [9].

Применение двухчастотной ГЛОНАСС/GPS спутниковой геодезической системы для определения координат центров снимков позволяет в процессе постобработки получить координаты центров фотографирования с точностью лучше 5 сантиметров. При этом следует учитывать взаимное расположение матрицы фотоаппарата и антенны геодезического приемника (рис. 1.8) [10].

Рисунок 1.8 - Взаимное расположение матрицы фотоаппарата и антенны геодезического приемника

Аэрофотосъемочная аппаратура, установленная на GeoScan101 (рис. 1.9) , позволяет получать снимки с разрешением 2 сантиметра местности на один пиксель.

Рисунок 1.9 - Фотоаппарат, встроенный в корпус GeoScan101

В таблице 1.8 приведены технические характеристики аэрофотосъемочной аппаратуры, которая может использоваться в комплексе GeoScan101 [11, 12].

Таблица 1.8 - Технические характеристики аэрофотосъемочной аппаратуры, которая может использоваться в комплексе GeoScan101

.3 Практический опыт использования беспилотных летательных аппаратов для проведения аэрофотосъемки

В настоящее время БПЛА применяются в геодезических изысканиях при строительстве <#"887589.files/image010.jpg">

Рис. 1.10 - Фрагмент 3D карты г. Томск

2) ортофотопокрытие с разрешением 5 см на местности и точностью в плане 15см СКО (рис 1.11);

Рисунок 1.11 - Фрагмент ортофотоплана с разрешением 5 см

) высокоточное моделирование при помощи воздушной фотосъемки с мультикоптера (пилотный проект) отдельных объектов, с целью изучения применимости технологии для создания архитектурных, археологических и других чертежей объектов, представляющих архитектурную ценность (рис. 1.12).

Рисунок 1.12 - 3D модель памятника архитектуры

Сравнить фрагмент космосъемки и фрагмент ортофотоплана, построенного по материалам аэрофотосъемки с БПЛА г. Томск, можно на рисунке 1.13.

Рисунок 1.13 - Фрагменты космосъемки и ортофотоплана, построенного с помощью БПЛА

.3.2 Опыт применения технологии аэрофотосъёмочных работ с беспилотных летательных аппаратов в горном деле

В летний период 2012 г. компанией ООО НПП "АВАКС-ГеоСервис" были выполнены работы по картированию карьеров и отвальных комплексов на нескольких предприятиях региона с помощью БПЛА "Дельта", также проведены исследования по возможности использования данной технологии для мониторинга хвостохранилищ, участков кучного выщелачивания и комплексирования данных высокоточной магнитометрической съёмки с материалами аэрофотосъёмки (АФС) высокого разрешения на месторождении золотоносной коры выветривания, испытавшем неоднократное техногенное воздействие.

Для обработки первичных данных АФС использованы программные продукты (PHOTOMOD ЗАО "Фирма Ракурс", Agisoft PhotoScan). Одной из задач работ являлось изучение возможности и оценка точности построения крупномасштабной цифровой объёмной модели поверхности карьера и отвального комплекса опытного участка, с целью дальнейшего их экспорта в горно-геологические системы. Исследования включали проведение полевой АФС, построение ортофотоплана, разработку цифровой объёмной модели. На построение трехмерной модели данного участка (рис.1.14) потребовался 1 вылет БПЛА "Дельта" (40 минут) и 6 часов последующей компьютерной обработки в автоматическом режиме.

Рисунок 1.14 - Текстурированная ЦМР карьера и отвального комплекса

В процессе проведения работ по построению ортофотоплана (рис. 1.15) в масштабе 1:1500 были использованы наземные маркеры, координаты центров которых определялись инструментально перед проведением АФС работ. Была достигнута погрешность привязки ортофотоплана величиной 40 см. Для площади 6 км² использовалось 12 равномерно распределённых маркеров.

Рисунок 1.15 - Ортофотоплан карьера и отвального комплекса опытного участка открытых горных работ

Возможности дистанционного мониторинга объектов кучного выщелачивания и состояния действующих хвостохранилищ показаны на рисунках 1.16, 1.17. При проведении мониторинга карьера построен детальный ортофотоплан участка кучного выщелачивания с разрешением 6 см на точку [14].

Рисунок 1.16 - Участок кучного выщелачивания

Рисунок 1.17 - Ортофотоплан хвостохранилища

.3.3 Образовательные проекты

Регулярные тестовые полеты, с целью ознакомления студентов с возможностями применения аэрофотосъемки проводятся на полигонах МИИГАиК (Полигон Заокский в Тульской области) и на полигонах Института наук о земле СПбГУ в Саблино и Импилахти.

В июне 2014 года в рамках научного эксперимента Университета ИТМО по созданию голограмм с благословления итрополита Санкт-Петербургского и Ладожского Варсонофия провела аэрофотосъемку Морского собора во имя святителя Николая Чудотворца в Кронштадте (рис. 1.18).

Для решения этих задач использовался АФК на базе БПЛА Геоскан 401 <#"887589.files/image018.jpg">

Рисунок 1.18 - 3D-модель Собора

.4 Точность геодезических работ при их выполнении с помощью БПЛА

С 18 по 27 марта 2015 года в городе Лос-Мочас (Мексика, штат Синалоа) на базе Автономного университеты Синалоа (UAS), была проведена научно-практическая конференция и семинар на тему "Использование аэрофотосъемки с БЛА в различных областях", участником семинаров и показательных полетов выступила российская компания "Геоскан" (Россия, Санкт-Петербург).

В ходе семинара выполнено 5 пилотпроектов различного назначения:

) контроль точности фотограмметрической обработки на территории университета;

) мониторинг береговой линии и оценка мангровых зарослей прибрежной зоны в районе населенного пункта Мавири;

) мониторинг открытых карьерных разработок в районе Тополобампо;

) создание трехмерной модели исторического центра старинного города Эль-Фуэртэ;

) создание 3-х мерной модели скульптуры основателю университета в Лос-Мочасе.

Аэрофотосъемку и фотограмметрическую обработку материалов в программе "Фотоскан" выполнил ведущий специалист компании "Геоскан" Бляхарский Д.П.

Лекции по теоретическим основам фотограмметрической обработки прочитали профессор МИИГАиК Чибуничев А.Г. и доцент Курков В.М.

Таким образом, был выполнен проект по оценке точности фотограмметрической обработки результатов съемки с помощью БЛА, выполненный на территории университета, площадью 50 га. Пространственное разрешение снимков на местности составило 4 см. Для построения фототриангуляции в качестве опорных данных были использованы только координаты центров проекции, полученные во время съемки. Расхождения на 15 контрольных точках после уравнивания фототриангуляции составили в плане 6 см, а по высоте 9 см. Точность фотоплана составила 10 см. Кроме этого, было выполнено сравнение размеров и высот сооружений, полученных с помощью тахеометра и по фотограмметрическим измерениям. Расхождения составили 1-2 см [16].

Выводы по главе

Анализ литературных источников показал, что аэрофотосъемка с БПЛА может с успехом заменить традиционную аэрофотосъемку и наземные методы сбора пространственных данных с целью создания топографических планов и карт крупных масштабов.

Точность ортофотопланов и ЦММ, созданных в результате обработки материалов аэрофотосъемки с использованием БПЛА, не уступает точности материалов традиционных методов, которые требуют значительных затрат времени и средств.

2. Технология создания топографических планов по материалам аэросъемки с БПЛА "Геоксан"

Технология аэрофотосъемки на основе БПЛА состоит из следующих этапов:

) подготовительные работы;

) полевые работы;

) камеральные работы.

.1 Подготовительные работы аэрофотосъемки с использованием БПЛА

Подготовительные работы включают:

·        получение и уточнение технического задания;

·        сбор и систематизацию данных - картографических или фотографических материалов, списков координат пунктов ГГС или межевой сети и т.п.;

·        анализ физико-географических характеристик района работ - лесной, горный, водный, средняя температура и т.п.;

·        разработку технического проекта и карты (схемы), в которой отображается граница участков работ, срок выполнения, намеченные к определению точки планово-высотной полевой подготовки снимков;

·        расчет и ввод данных на наземной станции управления: высоты съемки, продольного и поперечного перекрытия, границы съемки, положение стартовой позиции относительно максимально высотных объектов, выбор посадочной площадки;

·        выбор точек планово-высотной подготовки снимков (опорных и контрольных точек), а также выбор метода определения координат этих точек;

·        получение разрешения на проведение полета;

·        технический осмотр и подготовка приборов и техники к работе;

·        осмотр и зарядка аккумуляторных батарей.

.2 Полевые работы аэрофотосъемки с использованием БПЛА

Полевые работы включают:

)        геодезические (планово-высотная подготовка) работы - определение координат временных базовых станций и точек ПВО;

)        аэрофотосъемочные работы - подготовка полетного задания, аэрофотосъемка, контроль качества АФС.

.2.1 Планово-высотное обоснование аэросъемки

Требования к планово-высотному обоснованию (ПВО) для аэрофотосъемки с помощью БПЛА приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Требования к планово-высотному обоснованию для аэрофотосъемки с помощью БПЛА

.2.2 Аэрофотосъемочные полевые работы

Оператор с помощью наземной станции управления (НСУ) задаёт территорию съёмки и требуемое пространственное разрешение. Программа рассчитывает полетное задание, проверяет его выполнимость. Пример расчета полетного задания в ПО Geoscan Planner 2.1 представлен на рисунке 2.1.

Программа управления полетом БПЛА позволяет выполнять следующие функции:

·        нанесение района проведения работ на пользовательскую карту;

·        расчет маршрутов полета БПЛА по исходным данным;

·        по масштабу создаваемого ЦТП и высоте сечения рельефа местности расчет высоты полета БПЛА;

·        по параметрам цифровой камеры, величине продольного и поперечного перекрытия аэрофотоснимков, максимальной и минимальной высоте рельефа в районе съемки, скорости и направление ветра - расчет времени выполнения полета, количества снимков на район съемки, скорость движения БПЛА, интервалы съемки;

·        в случае если для покрытия всего района съемки необходимо производить несколько полетов, а также, если старт и посадку БПЛА необходимо выполнять с разных стартовых позиций, - осуществить разбивку района съемки на отдельные участки.

Полётное задание загружается в автопилот беспилотника.

Рисунок 2.1 - Пример расчета полетного задания в ПО Geoscan Planner 2.1

Порядок выбора точки старта и посадки БПЛА следующий:

·        точка старта должна находиться с минимальным удалением от исследуемых объектов;

·        определить направление маршрута относительно наземной станции управления и убедиться в отсутствии препятствий в этом направлении для обеспечения прямой радиовидимости;

·        определить направление запуска и убедится в отсутствии препятствий в этом направлении;

·        убедиться в отсутствии препятствий в зоне посадочной площадки; при этом следует учесть, что на посадку аппарат заходит против ветра, точка захвата координат является точкой открытия парашюта в режиме автоматической посадки и аварийной посадки в случае потери связи;

·        для безопасного запуска и посадки БПЛА необходимо отсутствие препятствий: строений, мачт, вышек, заводских труб высотой более 50 м на удалении 500 м;

·        площадка посадки выбирается вблизи точки старта из учета возможности визуального контроля оператором захода на посадку и посадки БПЛА;

·        для посадки БПЛА выбирается ровный участок местности диаметром не менее 50 м с травяным покрытием высотой не более 1 м; на площадке не должно быть предметов, при приземлении на которые возможно повреждение БП

Производится запуск беспилотного летательного аппарата с катапульты (рис. 2.2), и он в автоматическом режиме осуществляет взлёт, выход на заданную НСУ высоту и начинает выполнять полётное задание.

Во время полёта автоматически выполняется фотосъёмка и определение центров фотографирования с помощью GPS/ГЛОНАСС приёмника. Оператор на земле в режиме онлайн получает данные телеметрии (координаты, высота, крен, тангаж и др.). Все параметры отображаются на экране ноутбука, и оператор в онлайн режиме контролирует процесс выполнения работ, а также может в любой момент изменить поставленную задачу.

Рисунок 2.2 - Запуск БПЛА

По завершению выполнения полётного задания беспилотный летательный аппарат снижается до заданной НСУ высоты и выпускает парашют (рис. 2.3), происходит мягкая посадка. С технической точки зрения, использование парашюта является наиболее безопасным способом посадки на неподготовленную площадку, обеспечивая сохранность планера и бортового оборудования, позволяет значительно увеличить ресурс использования планера.

Рисунок 2.3 - Посадка БПЛА

Непосредственно после приземления, есть возможность получить предварительный результат выполненной работы. Аэрофотоснимки загружаются в ноутбук с установленным программным обеспечением PhotoScan, и осуществляется предварительная обработка и построение 3D модели местности, ортофотоплана и цифровой модели местности (рис. 2.4).

Рисунок 2.4. Предварительная обработка полученных данных

При создании накидного монтажа каждый аэрофотоснимок отображается на цифровой карте. Расположение аэрофотоснимков на карте и их масштаб определяются координатами центральной точки аэрофотоснимка, углом азимута и высотой, полученными в момент фотографирования по данным бортового GPS-приемника.

По результатам накидного монтажа оцениваются следующие параметры:

·        наличие пропусков аэрофотоснимков в маршруте (пропущенным считается аэрофотоснимок, если продольное перекрытие смежных аэрофотоснимков меньше заданного);

·        отклонение масштаба аэрофотоснимков от заданного (не более 5%);

·        продольное и поперечное перекрытие аэрофотоснимков;

·        прямолинейность маршрутов (для контроля прямолинейности маршрутов производится монтаж каждого маршрута по начальным направлениям; главные точки аэрофотоснимков, расположенных на концах маршрута, соединяются прямой, от которой измеряется стрелка прогиба (расстояние от прямой до наиболее удаленной от нее главной точки). Прямолинейность определяется в процентах отношением стрелки прогиба маршрута к его длине. Стрелка прогиба не должна превышать 2 % от длины маршрута.);

·        величина продольных углов наклона двух смежных кадров маршрута и взаимных поперечных углов наклона на перекрывающейся части двух смежных аэрофотоснимков соседних маршрутов следующие: углы наклона не должны превышать 3° (число аэрофотоснимков с углом наклона 3° допускается не более 10% от общего количества аэрофотоснимков на съемочном участке);

·        ошибка установки цифровой камеры на угол сноса (не более 6°) [17].

.3 Камеральные работы

Камеральные работы состоят из:

)        фотограмметрической обработки материалов АФС в ПО PhotoScan Pro - получение цифровой модели местности и ортофотоплана;

)        картографических работ - создание цифрового топографического плана по ортофотопланам и рельефа в виде горизонталей с заданным сечением по цифровой модели поверхности.

Полученный в результате выполнения аэрофотосъемки массив данных подлежит фотограмметрической обработке с помощью автоматизированного программного обеспечения. Исходными материалами программы Agisoft PhotoScan являются цифровые растровые изображения, координаты центров фотографирования, материалы калибровки оптических систем фотоаппаратов, координаты опорных точек на местности, контрольные линейные измерения на объекте съёмки. В результате обработки материалов фотосъёмки могут быть получены:

·        трёхмерные модели местности в TIN и DEM форматах (рис. 2.5а);

·        трёхмерные модели местности с текстурой из исходных фотоизображений (рис. 2.5б);

·        трёхмерные модели местности в виде облаков точек;

·        ортофотопланы заданного пользователем разрешения в пользовательских границах и нарезке (рис. 2.6).

Рисунок 2.5 - Примеры итоговых 3D-моделей в форматах: а) TIN и б) 3D PhotoScan

Рисунок 2.6 - Пример получаемого ортофотоплана дорожной развязки

В качестве исходных данных программное средство Agisoft PhotoScan использует:

·        растровые фотографии в форматах: JPEG, TIFF, PNG, BMP, PPM, CR2, MPO;

·        координаты центров фотографирования и опорных точек в формате TXT, CSV.

В программе Agisoft PhotoScan нет ограничений на величину фотографий и число одновременно обрабатываемых изображений.

Координаты центров фотографирования и опорных точек могут быть представлены в любой из представленных в программе глобальных и зональных систем координат и картографических проекций. Также данные могут быть представлены в пользовательской прямоугольной системе координат.

Точность определения координат центров фотографирования и опорных пунктов напрямую влияет на точность построения модели. Соотношение точности координат центров снимков с точностью координат опорных точек (которые почти всегда определяются разными способами) регулируется весовыми коэффициентами. Наряду с наличием процедуры калибровки оптической системы фотокамеры программными средствами существует возможность применения данных калибровки, выполненной в лабораторных условиях.

Во время получения параметров взаимного ориентирования определяется наличие одинаковых точек на всех снимках, пересекающихся друг с другом. Количество соответствующих точек на одном снимке предварительно ограничивается, но не бывает меньше нескольких тысяч.

В результате обработки материалов аэрофотосъёмки могут быть получены следующие виды данных:

·        облака точек в форматах: Wavefront OBJ, Stanford PLY, XYZ Point Cloud, ASPRS LAS;

·        3D-модели в форматах: Wavefront OBJ, 3DS models, VRML, Stanford PLY, Autodesk DXF, COLLADA, U3D, Adobe PDF;

·        ортофотопланы в форматах: JPEG, PNG, TIFF, GeoTIFF, мозаика в формате Google Earth KML;

·        матрица высот в форматах: GeoTIFF, Arc/Info ASCII Grid (ASC), Band interlieved file format (BIL).

3. Исследование точности построения ЦММ и ортофотоплана по материалам аэросъемки с БПЛА автодороги "Сосново-Дедушкино" Чайковского района Пермского края

.1 Описание выполненных аэрофотосъемочных работ

В ноябре 2014 года была выполнена аэрофотосъемка автодороги "Сосново - Дедушкино" Чайковского района Пермского края с помощью комплекса "Геоскан 101". Географическое месторасположение объекта съемки показано на рисунке 3.1. Параметры АФС приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Параметры АФС

Рисунок 3.1 - Географическое месторасположение автодороги "Сосново - Дедушкино"

.1.1 Планово-высотная подготовка

Перед началом аэросъемки были проведены полевые топографо-геодезические работы для планово-высотной подготовки (ПВП).

Была создана опорная геодезическая сеть на объекте, состоящая из 7 пунктов, закрепленных жестко на местности металлическими штырями. Исходными пунктами служили 2 пункта ГГС.

Координаты пунктов опорной геодезической сети определялись GPS-методом.

Схема сети приведена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Опорное геодезическое обоснование объекта

Пункт G2 был использован в качестве базовой станции для геодезической привязки точек фотографирования.

В качестве опознаков использовались одноразовые пластиковые или бумажные тарелки белого цвета размером 18 см и более. Применение одноразовых тарелок в качестве точек ПВП наиболее целесообразно, так как не требует составления абриса и описания. Такие точки хорошо дешифрируются на цифровом снимке и имеют размер 4-5 пикселей. Координаты и высоты опознаков были определены тахеометрическим методом от пунктов опорного геодезического обоснования. Всего было закреплено 105 опознаков, схема размещения которых показана на рисунке 3.3. Таблица координат и высот опознаков приведена в приложении А.

Рисунок 3.3 - Схема размещения опознаков на объекте

.2 Результаты обработки, исходный материал для исследования

На борту БПЛА имеется геодезический приемник GPS, который во время аэросъемки фиксирует координаты центра каждого снимка в системе WGS-84. Для автоматической обработки результатов аэросъемки файлы с цифровыми снимками и результатами привязки их центров загружались в программный комплекс PhotoScan. После этого в автоматическом режиме выполнялась фотограмметрическая обработка и создавалась трехмерная цифровая модель территории, которая включала цифровой ортофотоплан , общий вид которого показан на рисунке 3.4 и в крупном масштабе на рисунке 3.5 (фрагмент); цифровую модель рельефа, графическое представление которой показано на рисунке 3.6; взаимные перекрытия снимков и местоположение камеры в момент фотографирования (рисунок 3.7) и др. Фрагменты ортофотоплана приведены в приложении Б.

Рисунок 3.4 - Общий вид ортофотоплана автодороги "Сосново - Дедушкино"

Рисунок 3.5 - Фрагмент ортофотоплана автодороги "Сосново - Дедушкино" с разрешением 2 см на пиксель

Рисунок 3.6 - Графическое представление ЦМР автодороги "Сосново - Дедушкино"

Рисунок 3.7 - Взаимные перекрытия снимков и местоположение камеры в момент фотографирования автодороги "Сосново - Дедушкино"

.3 Оценка точности ЦМР

Исходным материалом для оценки точности служили разности высот ЦМР  и отметок земной поверхности :

.

Отметки высот  в точках с известными координатами пикетов, полученных из тахеометрической съемки объекта, рассчитывались путем интерполирования матрицы высот ЦМР двумерными полиномами нулевой, первой, второй и третьей степени, используя стандартные программу ip03r_c библиотеки численного анализа ВЦ МГУ [18]. Всего было использовано 1094 точки, из которых в обработку было взято 563 точки, которые не выходили за пределы границы ЦМР. Таблица координат и высот всех пикетных точек приведена в приложении В, символом * отмечены точки, взятые для оценки точности ЦМР.

При статистической обработке данных принималась аддитивная модель ошибок, согласно которой разности высот ЦМР и поверхности земли рассматривались в виде суммы систематической  и случайной ошибок:

.

В качестве основных показателей точности модели были приняты следующие параметры:

среднее значение разности высот, оценка систематической ошибки (n - число точек)

;

средняя квадратическая ошибка (Root Mean Square Error)

;

средняя абсолютная ошибка (Mean Absolute Error)

;

- вероятная линейная ошибка (Linear Error), оцениваемая как 90% вариационного ряда абсолютных значений разностей ;

минимальное и максимальное значения разностей высот.

В общей сложности в статистическую обработку было взято 563 пикетных точек. В таблице 3.2 приведены результаты оценки точности высот ЦМР при различных степенях полиномов интерполирования.

Таблица 3.2 - Результаты оценки точности ЦМР по отметкам пикетных точек

На основании данных, приведенных в таблице 3.4 можно сделать выводы:

. результаты интерполирования практически не зависит от степени полинома.

. ЦММ не имеет систематической ошибки.

. Значение максимальных и минимальных ошибок ЦМР не превышают 1 м. Число ошибок, превышающих утроенного значения ско, не превышает 1%.

. В соответствии с инструкцией по топографической съемке в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000 и 1:500, средние погрешности съемки рельефа относительно ближайших точек геодезического обоснования не должны превышать по высоте 1/4 принятой высоты сечения рельефа при углах наклона до 2°. Для высоты сечения рельефа 0.5 м это будет составлять 0.125 м, а для высоты сечения 1 м - 0.25 м. Полученное значение средней ошибки составило 0.144 м. Таким образом, цифровая модель рельефа может быть использована для построения горизонталей с высотой сечения 1 м.

На рисунке 3.8 приведены гистограммы распределения случайных ошибок высот ЦМР, построенных по пикетным точкам, для разных степеней полинома: а) 0 степень; б) 1степень; в) 2 степень; г) 3степень.

Рисунок 3.8 - Гистограммы распределения случайных ошибок высот ЦМР, построенных по пикетным точкам, для разных степеней полинома

На рисунке красным цветом показана кривая нормального закона распределения Гаусса.

Анализ гистограмм показывает хорошее соответствие эмпирического закона распределения ошибок высот ЦМР нормальному закону распределения Гаусса.

3.4 Оценка точности ортофотоплана

В связи с отсутствием достаточного числа контурных точек на ортофотопланах, оценка точности носит предварительный характер.

В качестве контрольных точек были использованы опоры ЛЭП, хорошо опознаваемые на ортофотопланах. Координаты центров опор были определены тахеометрическим способом с точностью порядка 10 см (т.к. результаты измерений не приводились к центрам опор).

Примеры отображения опор ЛЭП на ортофотопланах приведены на рисунках 3.9.

Рисунок 3.9 - Пример отображения опоры ЛЭП на ортофотоплане автодороги "Сосново - Дедушкино"

Для оценки точности использовались разности между измеренными на ортофотоплане  и геодезическими координатами  контрольных точек на ортоснимке, которые считались в данном случае безошибочными, т.е. разности координат

, ,

рассматривались при оценке точности как истинные ошибки.

Основными показателями точности служили следующие статистические характеристики выборок:

средние арифметические

, ,

которые характеризуют систематическую ошибку снимка (сдвиги по осям координат)

средние квадратические ошибки RMSE (Root Mean Square Error) по осям координат RMSEX , RMSEY и в плане RMSEXY

, , ;

средняя радиальная ошибка MRE (Mean Radial Error)

, ,

которая традиционно в отечественной геодезической практике служит мерой точности положения точки на плоскости;

вероятная круговая ошибка СЕ90 (C. Error)

максимальная радиальная ошибка DRmax [19].

В обработку было принято 17 координат опор ЛЭП. Результаты оценки точности ортофотоплана приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Результаты оценки точности ортофотоплана по опорам ЛЭП

Контроль планового положения контрольных точек выполняется по разности плановых координат изображений этих точек на фотоплане и их значений, выбранных из соответствующих каталогов. Средние величины погрешностей в плановом положении опорных и контрольных точек не должны превышать в масштабе создаваемого фотоплана 0,5 мм в равнинных и всхолмленных районах и 0,7 мм - в горных.

Результаты выполненного исследования (таблица 3.5) показывают, что значение средней радиальной погрешности составляет 0.23 и не превышает допустимого значения 0,25 м для масштаба 1:500. Выводы носят предварительный характер.

4. Технико-экономическое обоснование исследования точности построения ЦММ и ортофотоплана по материалам аэросъемки с БПЛА автодороги "Сосново-Дедушкино" Чайковского района Пермского края

Целью экономической части является определение стоимости работ по исследованию точности построения ортофотоплана и ЦММ по материалам аэросъемки с БПЛА согласно Справочнику базовых цен на инженерные изыскания для строительства [20]. Инженерно-геодезические изыскания при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений (далее по тексту "Справочник") разработан для определения базовой стоимости инженерно-геодезических изысканий при формировании цен в договорах (контрактах). Так же были использованы Справочник сметных укрупнённых норм на топографо-геодезические работы (СУСН-2002) [21] и Временные тарифы на аэросъемку, выполняемую аэросъемочными подразделениями (партиями, группами) предприятий и организаций Комитета.

Цены рассчитаны в уровне сметно-нормативной базы на 01.01.2001 г. по условиям оплаты труда инженерно-технических работников и рабочих, стоимости материалов и услуг, а также размеров амортизационных отчислений по основным фондам в соответствии с "Методическими рекомендациями по составу и учету затрат, включаемых в себестоимость проектной и изыскательской продукции (работ, услуг) для строительства и формирования финансовых результатов".

Цены рассчитаны в соответствии с составом и современной технологией производства полевых и камеральных инженерно-геодезических работ, с учетом требований ГОСТов и действующих нормативных документов (утвержденных или согласованных Госстроем России по состоянию на 01.01.2001 г.), и являются оптимальными для определения стоимости этих работ. Ценами учтены накладные расходы, плановые накопления, отчисления на социальные нужды, затраты на уплату налогов и сборов (кроме НДС).

Коэффициенты, применяемые к базовым ценам (взяты из Справочника базовых цен на инженерные изыскания для строительства), представлены в таблице 4.1

Экономический расчет затрат на создание ортофотоплана и ЦМР на основе АФС с БПЛА представлен в таблице 4.2.

Таблица 4.1 - Коэффициенты, применяемые к базовым ценам

Таблица 4.2 - Смета затрат на создание ортофотоплана и ЦМР на основе АФС с БПЛА

Стоимость работ для создания ортофотоплана и ЦММ по материалам аэросъемки с БПЛА автодороги "Сосново-Дедушкино" составляет 1265378 рублей.

5. Безопасность жизнедеятельности

Основной закон Российской Федерации - Конституция (ст. 37) гарантирует каждому гражданину труд в условиях безопасности и гигиены. Это обязывает работодателя независимо от формы собственности создавать работникам безопасные условия труда. Этим исключаются несчастные случаи, профессиональные заболевания, сохраняется жизнь и здоровье трудящихся, что напрямую влияет на производительность труда, следовательно, на уменьшении себестоимости продукции за счет исключения страховых выплат по несчастным случаям и нетрудоспособности. В настоящее время большинство камеральных работ выполняется с использованием персональных электронно-вычислительных машин (ПЭВМ), поэтому проблема обеспечения безопасности оператора при проведении камеральных работ с помощью ПЭВМ, способствующее повышению производительности труда, снижению утомляемости геодезиста, а также повышению уровня безопасности труда, является особо актуальной.

Целью настоящего раздела является анализ безопасности геодезиста при проведении камеральных работ с помощью ПЭВМ, а так же расчет естественного освещения помещения при проведении камеральных работ.

Задачи, решаемые разделом безопасности жизнедеятельности:

) анализ наиболее опасных и вредных производственных факторов, воздействующих на работника при выполнении камеральных работ с помощью ПВМ;

) оценка безопасности данных факторов;

) анализ существующих средств защиты от наиболее опасных производственных факторов;

) организация интерьера помещения для проведения камеральных работ.

5.1 Анализ наиболее опасных и вредных производственных факторов, воздействующих на оператора при проведении камеральных работ с использованием ПЭВМ

Камеральные работы включают в себя процессы обработки числовой и графической информации с использованием персонального компьютера.

Основным источником опасности при использовании автоматизированных информационных систем, на основе персональных компьютеров, являются дисплеи или мониторы. Максимальную опасность представляют дисплеи с электронно-лучевыми трубками, являющиеся источниками опасного излучения, влияющего на здоровье человека.

ПЭВМ являются источниками таких излучений как:

-       ультрафиолетового (200-400 нм),

-       ближнего инфракрасного (700-1050 нм),

-       видимого (400-700 нм),

-       мягкого рентгеновского;

-       радиочастотного (3 кГц-30 МГц),

-       электростатических полей.

В ходе выполнения камеральных работ наиболее опасными факторами, в соответствии с ГОСТ 12.0.003-74 "Опасные и вредные производственные факторы. Классификация", являются:

-       повышенное значение напряжения в электрической цепи,

-       замыкание которой может произойти через тело человека;

-       повышенный уровень электромагнитных излучений;

-       повышенный уровень статического электричества;

-       повышенный уровень шума на рабочем месте;

-       пониженный уровень освещенности.

5.1.1 Повышенное значение напряжения электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека

Данный опасный производственный фактор непосредственно связан с эксплуатацией электрооборудования (персонального компьютера) на рабочем месте, в связи с этим есть вероятность поражения электрическим током.

Факторами, определяющими степень поражения электротоком, являются сила тока, продолжительность воздействия электротока на человека, место прикосновения и путь прохождения проникновения тока, состояние кожи, электрическое сопротивление тела, физиологическое состояние организма. В процессе эксплуатации этого устройства может ухудшиться изоляция токоведущих частей, в том числе шнуров питания, в результате чего они могут оказаться под напряжением, и случайное прикосновение к ним чревато электротравмой, а в тяжелых случаях - и гибелью человека.

Виды поражения электротоком:

-             электрический удар (паралич сердца и дыхания);

-             термический ожог (электроожог);

-             электрометаллизация кожи;

-             технические повреждения;

-             электроофтальмия (воспаление глаз).

На данный момент существуют следующие средства защиты от действия электрического тока (ГОСТ 12.4.011-86 "Средства защиты работающих. Классификация"):

-             оградительные устройства;

-             устройства автоматического контроля и сигнализации;

-             изолирующие устройства и покрытия;

-             устройства защитного заземления и зануления;

-             устройства автоматического отключения;

-             устройства выравнивания потенциалов и понижения напряжения;

-             устройства дистанционного управления;

-             предохранительные устройства;

-             молниеотводы и разрядники;

-             знаки безопасности.

.1.2 Пониженный уровень освещенности

Пониженный уровень освещенности на рабочем месте связан со следующими факторами:

износом светильников, их загрязнением;

загрязнением оконных проемов, стен.

Снижение уровня освещенности может привести к ухудшению зрения, повышению утомляемости, напряжению зрительного анализатора, в результате чего происходит снижение внимания, возникновение ошибок.

Обеспечение необходимого уровня освещенности рабочего места достигается за счет соответствующей ориентации оконных проемов, рационального размещения рабочих мест, своевременной влажной уборкой оконных проемов и стен, установкой светильников с люминесцентными лампами, которые встраиваются непосредственно в потолок помещения и располагаются в равномерно-прямоугольном порядке. Наиболее желательное расположение светильников - в непрерывный сплошной ряд вдоль длинной стороны помещения.

Существуют следующие средства и мероприятия по нормализации освещенности на рабочем месте (СНиП II-4-79 "Естественное и искусственное освещение", ГОСТ 12.4.011-86 "Средства защиты работающих. Классификация"):

источники света;

осветительные приборы;

световые проемы;

светозащитные устройства.

5.1.3 Повышенные уровни электромагнитного излучения

Монитор ПК является сильным источником электромагнитного излучения, особенно его боковые и задние стенки, т.к. они не имеют специального защитного покрытия, которое есть у лицевой части экрана.

Электромагнитные излучения оказывают наибольшее влияние на иммунную, нервную, эндокринную систему. При работе, компьютер образует вокруг себя электромагнитное поле, которое деионизирует окружающую среду, а при нагревании платы и корпус монитора испускают в воздух вредные вещества. Всё это делает воздух очень сухим, слабо ионизированным, со специфическим запахом и в общем "тяжёлым" для дыхания. Естественно, что такой воздух не может быть полезен для организма и может привести к заболеваниям аллергического характера, болезням органов дыхания и другим расстройствам.

Мерами защиты от электромагнитного излучения, вызванными работой за персональным компьютером, можно считать следующее:

-             положение системного блока относительно работающего: должен находиться как можно дальше;

-             монитор желательно ставить в угол, чтобы излечение от его стенок поглощалось стенами;

-             по возможности сокращать время работы за компьютером и почаще прерывать работу;

-             использование защитных экранов;

-             использование жидкокристаллических мониторов.

Для снижения уровня электромагнитного излучения используются (ГОСТ 12.4.011-86 "Средства защиты работающих. Классификация"):

-             оградительные устройства;

-             защитные покрытия;

-             герметизирующие устройства;

-             устройства автоматического контроля и сигнализации;

-             устройства дистанционного управления.

5.1.4 Повышенный уровень шума

Источниками шума при выполнении камеральных работ являются вентилятор процессора, блока питания и корпуса персонального компьютера.

Характер воздействия на работающего: повышение уровня шума оказывает вредное воздействие на организм человека. В результате длительного воздействия шума нарушается нормальная деятельность сердечно - сосудистой и нервной системы, пищеварительных и кроветворных органов, развивается профессиональная тугоухость, прогрессирование которой может привести к полной потере слуха.

Под влиянием интенсивного шума наступает повышенная утомляемость и раздражительность, плохой сон, головная боль, ослабление памяти, внимания и остроты зрения, что ведет к снижению производительности труда.

Согласно ГОСТу 12.4.011-86 к средствам защиты от повышенного уровня шума относятся устройства:

оградительные;

звукоизолирующие, звукопоглощающие;

глушители шума;

автоматического контроля и сигнализации;

дистанционного управления.

.1.5 Повышенный уровень статического электричества

Основным источником повышенного уровня статического электричества при работе за компьютером является монитор. На экранах мониторов положительные заряды накапливаются под действием электронного пучка, создаваемые электронной лучевой трубкой.

При образовании заряда с большим электрическим потенциалом создается электрическое поле повышенной напряженности, которое вредно для человека. У людей, работающих в зоне воздействия электростатического поля, встречаются разнообразные жалобы: на раздражительность, головную боль, нарушение сна, снижение аппетита и др. При длительном пребывании человека в таком поле наблюдаются функциональные изменения в центральной нервной, сердечно-сосудистой и других системах.

Согласно ГОСТу 12.4.011-89 "Средства защиты работающих. Общие требования и классификация" к средствам защиты от повышенного уровня статического электричества относятся:

заземляющие устройства;

нейтрализаторы;

увлажняющие устройства;

антиэлектростатические вещества;

экранирующие устройства.

.2 Методика оценки безопасности рабочего места по условиям труда

Для оценки безопасности источников опасности и безопасности рабочего места в целом рекомендуется воспользоваться предложенной методикой.

Методика, как последовательность действий для определения безопасности рабочего места, включает в себя следующую последовательность шагов:

- Выделение рабочего места в совокупности помещений, открытых площадок или технологического процесса представлено в разделе 5.2.

- Определение перечня источников опасности (разделы 5.2.1-5.2.5).

- Определение действующих значений параметров каждого источника опасности по измеренным значениям (с помощью приборов) и паспорту безопасности рабочего места по условиям труда.

- Выбор из справочников допустимых значений параметров источников опасности (ГОСТы и другие нормативно-правовые документы).

- По формуле (5.1) вычисляется безопасность bi источника опасности.

- По формуле (5.2) вычисляется показатель безопасности рабочего места Врм.

Каждый источник опасности необходимо рассмотреть по трем параметрам.

. Мощность источника опасности φ - это количество энергии, которую может выделить источник опасности при воздействии на человека или окружающую среду. Это может быть механическая, электрическая, химическая, радиационная, психологическая и другие виды энергии. Измеряется параметр известными общепринятыми показателями характеризующие соответствующие параметры опасного или вредного фактора.

2. Приведенное расстояние опасного воздействия ρ - это расстояние или объем, на которое распространяется воздействие источника опасности или расстояние до источника опасности. Измеряется параметр в единицах измерения длины, площади и объема.

3. Время опасного воздействия τ - это продолжительность воздействия источника опасности на человека. Измеряется во временных единицах измерения- секундах, минутах, часах.

Источник опасности под номером i будет определяться тройкой <φi, ρi, τi>.

Соответствующие допустимые (нормативные) значения параметров будут определяться тройкой <φdi, ρdi, τdi>.

В качестве показателя безопасности i-того источника опасности рекомендуется использовать:

 (5.1)

Настоящий показатель безопасности определяет либо безопасное состояние, либо состояние опасной ситуации источника опасности.

Если показатель безопасности i-ого источника опасности положителен bi> 0, то признается, что соответствующий источник опасности находится в безопасном состоянии.

Если показатель безопасности i-ого источника опасности равен или меньше нуля bi ≤ 0, то предполагается, что соответствующий источник опасности находится в опасном состоянии и может стать причиной заболевания, травмы или гибели человека, что требует применения соответствующих средств защиты.

В качестве показателя безопасности рассматриваемого рабочего места рекомендуется рассматривать:

 (5.2)

Здесь N - число рассматриваемых источников опасносных и вредных факторов.

Если Врм > 0, то рассматриваемое рабочее место признается безопасным, если Врм = 0, то рабочее место может стать причиной заболевания, травмы или гибели человека, если Врм < 0 - необходимо разработать средства защиты по обеспечению безопасности рабочего места.

5.3 Оценка безопасности рабочего места по условиям труда

В предыдущих пунктах данного раздела были рассмотрены пять источников опасности, которые могут оказать негативное воздействие на человека, работающего в отделе камеральной обработки. Фактические и допустимые значения параметров представлены на схеме (рисунок 5.1).

Рис. 5.1 - Реальные и предельно допустимые значения параметров источников опасности на рабочем месте.

5.3.1 Повышенное значение напряжения в электрической цепи

Источник опасен.

Для защиты работающего от данного источника на рабочем месте разработаны:

инструкция по электробезопасности;

инструкция по охране труда;

оборудование имеет: защитное заземление, защитное отключение, изолированную электропроводку.

Данные средства защиты соответствуют ГОСТу. При строгом соблюдении инструкций, исправном состоянии средств защиты b1>0.

5.3.2 Пониженный уровень освещённости

Источник безопасен.

Источник является безопасным вследствие того, что своевременно и качественно проводиться обслуживание системы освещения, правильно выбрано место расположения рабочих мест относительно оконных проёмов.

Для того чтобы параметры не вышли за пределы допустимых значений, необходимо регулярно и качественно проводить обслуживание системы освещения (своевременно заменять лампы, очищать от копоти арматуру светильников, стёкла).

5.3.3 Повышенный уровень электромагнитного излучения

Источник безопасен.

Источник является безопасным вследствие того, что рабочее место оснащено жидкокристаллическим монитором, уровень электромагнитного излучения которого находится в пределах установленных норм.

Для того чтобы параметры не вышли за пределы допустимых значений, необходимо следить за техническим состоянием монитора на рабочем месте.

5.3.4 Повышенный уровень шума

Источник безопасен. Источник является безопасным вследствие того, что при оборудовании помещения использованы звукопоглощающие и звукоизолирующие материалы стен, полов, проводиться регулярное техническое обслуживание системных блоков ПК.

Для того чтобы параметры не вышли за пределы допустимых значений, необходимо следить за техническим состоянием техники, которая является основным источником шума (вентиляторы системных блоков).

5.3.5 Повышенный уровень статического электричества

Источник безопасен. Источник является безопасным вследствие того, что используются средства для нормализации уровня статического электричества, такие как: нейтрализаторы, увлажняющие устройства, экранизирующие устройства.

Для того чтобы параметры не вышли за пределы допустимых значений, необходимо контролировать состояние средств защиты от данного источника опасности.

Проведём расчёт общей безопасности на рабочем месте по формуле 5.2:

Таким образом, Врм < 0 - рассматриваемое рабочее место нельзя считать безопасным.

Рекомендуется провести мероприятия по улучшению средств защиты от влияния повышенного значения напряжения в электрической цени, замыкание которой может произойти через тело человека, путём разработки системы защитного заземления.

5.4 Организация интерьера помещения для проведения камеральных работ

Правильно организованное рабочее место - рабочее место, взаимное расположение всех элементов которого должно соответствовать антропометрическим, физическим и психологическим требованиям работника и характеру работы.

Производственными помещениями для выполнения камеральных работ являются диспетчерские, операторские, расчетные, кабины и посты управления, залы вычислительной техники и др., в них работа с использованием ПЭВМ является основным видом работ.

В качестве характеристик цвета поверхностей в помещении следует принимать:

цветовой тон, оцениваемый длиной волны излучения (l), выражаемой в нанометрах (нм);

чистоту цвета (Р), оцениваемую степенью приближения цвета к чистому спектральному и выражаемую в долях единицы;

коэффициент отражения (r), представляющий отношение светового потока, отраженного от поверхности, к световому потоку, падающему на поверхность, выраженный в процентах;

яркость (В), выражаемую в нитах (нт), которая для поверхностей с рассеянным отражением определяется по формуле

где В - яркость поверхности в нт;

Е - освещенность поверхности в лк;- коэффициент отражения в процентах.

Для поверхностей с рассеянным отражением при одинаковых условиях освещения яркость оценивается коэффициентом отражения.

Следует ограничивать неравномерность распределения яркости в поле зрения пользователя ПЭВМ при ϶ᴛᴏм соотношение яркости между рабочими поверхностями не должно превышать 3:1-5:1, а между рабочими поверхностями и поверхностями стен и оборудования - 10:1.

Для отделки интерьера помещений должны использоваться материалы пастельных тонов с матовой фактурой, покрытие пола выполняться из гладких, нескользящих материалов, обладающих антистатическими ϲʙᴏйствами. Все материалы, используемые для отделки помещений, должны отвечать гигиеническим требованиям и быть разрешены к применению органами и учреждениями санитарно-эпидемиологического надзора.

Наиболее вредными для организма человека являются электромагнитные поля, характеризующиеся напряженностями электрических и магнитных полей. Основным источником опасности при использовании автоматизированных информационных систем, на основе персональных компьютеров, являются дисплеи или мониторы. Максимальную опасность представляют дисплеи с электронно-лучевыми трубками, являющиеся источниками опасного излучения, влияющего на здоровье человека.

ПЭВМ являются источниками таких излучений как:

         ультрафиолетового (200-400 нм),

         ближнего инфракрасного (700-1050 нм),

         видимого (400-700 нм),

         мягкого рентгеновского;

         радиочастотного (3кГц-30 МГц),

         электростатических полей.

Ультрафиолетовое излучение опасно лишь в больших количествах, так как приводит к головной боли, рези в глазах, дерматиту кожи. В больших количествах инфракрасное излучение приводит к перегреву тканей организма человека, повышению температуры тела. Особенно перегреву подвергается хрусталик человеческого глаза. В связи с этим, площадь на одно рабочее место пользователей ПЭВМ с ВДТ на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) должна составлять не менее 6 м² и с ВДТ на базе плоских дискретных экранов (жидкокристаллические, плазменные) - 4,5 м². При пользовании ПЭВМ с ВДТ на базе ЭЛТ (без вспомогательных устройств - принтер, сканер и др.), отвечающих требованиям международных стандартов безопасности компьютеров, с продолжительностью работы менее четырех часов в день, допускается минимальная площадь 4,5 м² на одно рабочее место пользователя.

Не следует размещать рабочие места с ПЭВМ вблизи силовых кабелей и вводов, высоковольтных трансформаторов, технологического оборудования, создающего помехи в работе ПЭВМ.

Помещения с ВДТ и ПЭВМ должны оборудоваться системами отопления. В помещениях должна быть аптечка первой медицинской помощи и средства пожаротушения.

При размещении рабочих мест с ПЭВМ расстояние между рабочими столами с видеомониторами (в направлении тыла поверхности одного видеомонитора и экрана другого видеомонитора) должно быть не менее 2,0 м, а расстояние между боковыми поверхностями видеомониторов - не менее 1,2 м.

Рабочие места с ПЭВМ при выполнении творческой работы, требующей значительного умственного напряжения или высокой концентрации внимания, рекомендуется изолировать друг от друга перегородками высотой 1,5-2,0 м.

При рядном размещении рабочих столов не допускается расположение экранов дисплеев навстречу друг другу из-за их взаимного отражения, в противном случае между столами следует устанавливать перегородки.

Рабочие столы следует размещать таким образом, чтобы видеодисплейные терминалы были ориентированы боковой стороной к световым проемам и естественный свет падал преимущественно слева.

Окна в помещениях, где эксплуатируется вычислительная техника, преимущественно должны быть ориентированы на север и северо-восток. Оконные проемы должны быть оборудованы регулируемыми устройствами типа жалюзи, занавесей, внешних козырьков и др.

В связи с тем, что естественное освещение слабое и может неравномерно распространяться в помещении, на рабочем месте так же должно применяться искусственное освещение.

Искусственное освещение в помещениях для эксплуатации ПЭВМ должно осуществляться системой общего равномерного освещения. В производственных и административно-общественных помещениях в случаях преимущественной работы с документами следует применять системы комбинированного освещения (к общему освещению дополнительно устанавливаются светильники местного освещения, предназначенные для освещения зоны расположения документов)<#"887589.files/image077.jpg">

Рисунок 5.2 - Схема рабочего места оператора ПЭВМ

Рисунок 5.3 - Схема расположения рабочих мест операторов ПЭВМ

Выводы по главе

В данной главе был проведён анализ наиболее опасных и вредных производственных факторов, которые воздействуют на человека в процессе проведения камеральных работ. Суть анализа заключалась в расчёте влияния отдельных источников опасности и сравнении с допустимыми значениями параметров. Рассмотрена методика оценки безопасности рабочего места и проведена её оценка по условиям труда.

Таким образом, был сделан вывод, что организация безопасности рабочего места для выполнения камеральных работ не полностью удовлетворяет допустимым значениям, приведённым в действующих нормативно-правовых документах, а также ГОСТах, поскольку имеется повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека. Рекомендуется, совершенствование системы защиты и проведение мероприятий по обеспечению безопасности на рабочем месте.

В разделе 5.5 были рассмотрены требования к организации интерьера помещения для проведения камеральных работ в соответствии с требованиями действующих СНиПов и ГОСТов.

Заключение

По результатам выполненных в дипломной работе исследований можно сделать следующие выводы:

. Анализ литературных источников показал, что аэрофотосъемка с БПЛА может с успехом заменить традиционную аэрофотосъемку и наземные методы сбора пространственных данных с целью создания топографических планов и карт крупных масштабов. Точность ортофотопланов и ЦММ, созданных в результате обработки материалов аэрофотосъемки с использованием БПЛА, не уступает точности материалов традиционных методов, которые требуют значительных затрат времени и средств.

. На основе результатов выполненных исследований геометрической точности ЦММ и ортофотоплана, созданных по материалам аэросъемки выполненной с использованием БПЛА "Геоскан 101" при инженерных изысканиях автодороги "Сосново-Дедушкино" Чайковского района Пермского края, можно сделать выводы о том, что цифровая модель рельефа может быть использована для построения горизонталей с высотой сечения 1м при углах наклона до 2°;

Список использованных источников

1. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. - М.: ЦНИИГАиК, 2002. - 48 с.

. Инструкция по топографической съемке в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000 и 1:500 ГКИНП-02-033-82.

. Митин М.Д., Никольский Д.Б. Современные тенденции развития отрасли беспилотных летательных аппаратов // Геоматика. - 2013. - №4. С. 27-31.

. Курков В.М., Смирнов А.В., Иноземцев Д.П. Опыт использования БЛА при проведении практики студентов на "заокском геополигоне" МИИГАИК // Геопрофи. - 2014. - №4. С. 55-61.

5. Смирнов А.В. Научно-учебная практика с использованием БПЛА в целях картографирования [Электронный ресурс] - Режим доступа: #"887589.files/image079.jpg">

Рисунок ПБ.1 - Схема расположения фрагментов ортофотоплана

Таблица ПБ.1 - Координаты углов рамок фрагментов ортофотоплана

Рисунок ПБ.2 - Фрагмент ортофотоплана 0-2

Рисунок ПБ.3 - Фрагмент ортофотоплана 0-1

Рисунок ПБ.4 - Фрагмент ортофотоплана 1-1

Рисунок ПБ.5 - Фрагмент ортофотоплана 1-0

Рисунок ПБ.6 - Фрагмент ортофотоплана 2-0

Рисунок ПБ.7 - Фрагмент ортофотоплана 3-0

Приложение В

Таблица координат и высот пикетов, измеренных тахеометрическим способом