БЕСПИЛОТНЫЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ МАРКШЕЙДЕРИИ И МОНИТОРИНГА ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ

++
+
В.А. Макаров, директор ИГДГиГ СФУ, д.г-м.наук, профессор;
Д.А. Бондаренко, директор ООО НПП «АВАКС-ГеоСервис»;
И.В. Макаров, тех.директор ООО НПП «АВАКС-ГеоСервис»;
К.А. Шрайнер, гл.маркшейдер ООО НПП «АВАКС-ГеоСервис»;
А.А. Перунов, специалист по ДЗЗ ООО НПП «АВАКС-ГеоСервис»;
Е.В. Труханов, специалист по ДЗЗ ООО НПП «АВАКС-ГеоСервис».

Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) DELTA-M
Рис. 1. Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) DELTA-M. комплекс для решения аэрофотограмметрических задач

Деятельность любого горнодобывающего предприятия невозможна без отлаженной маркшейдерской службы. Маркшейдерское обеспечение горных работ – процесс достаточно трудоемкий, требующий высоко квалифицированных кадров, дорогостоящего оборудования и специализированного программного обеспечения (ПО).


Для горнодобывающих предприятий большой мощности характерны высокая скорость продвижения забоев, быстрая изменчивость границ отвального комплекса и хвостового хозяйства, рудных складов и, зачастую, одновременное существование двух, трёх и более строительных площадок. Оперативный объективный контроль за такими объектами традиционными средствами затруднен. Как правило, для выполнения тахеометрической съёмки одного объекта горнодобывающего предприятия требуется усилия нескольких специалистов на продолжительный (до недели) период времени. Для повышения производительности возможно применение аэрофотосъёмки (АФС) с пилотируемых летательных аппаратов.


Для регулярной съёмки участков местности площадью до 10 км2 или при периодическом мониторинге ведения открытых горных работ, эффективным методом является аэрофотосъёмка с использованием легких БПЛА, массой менее 10 кг. В отличие от пилотируемой авиации, аппаратам данного класса не требуется специального аэродрома. Достаточным условием для взлета и посадки является открытая площадка размером 50м х 70м. Технические возможности современных БПЛА-комплексов (фотоаппаратура, системы навигации, управления и связи) обеспечивают бόльшую оперативность получения результата в сравнении со спутниковой съёмкой, более высокую разрешающую способность (3 см на точку), а также минимальную зависимость от погодных условий.


При работе с БПЛА от оператора не требуется специальных навыков пилотирования и длительного обучения, благодаря полной автоматизации управления комплексом. Для выполнения регулярной съёмки всех объектов горнодобывающего предприятия достаточно одного-двух сотрудников. Производительность комплекса последнего поколения, позволяет в течение одного светового дня выполнить аэрофотосъёмку площади до 70 км2.


При проведении открытых горных работ БПЛА может использоваться для решения различных задач: мониторинга работ, картирования, а также оценки объёмов горных выработок и отвалов. Для задач мониторинга основным условием съёмки является достаточное пространственное разрешение получаемых фотоматериалов для визуального анализа и контроля техногенных и природных объектов. Съёмка с БПЛА для этих целей может производиться на малой высоте (200-600 м), что позволяет получать снимки с размером пиксела, соответствующим 3‐7 см на местности, получаемые при этом материалы аналогичны классической АФС. Для решения задач картографирования и определения объёмов горных работ необходима высокая точность геодезической привязки фотоматериалов.


Компания ООО НПП «АВАКС-ГеоСервис» при поддержке группы компаний «Прогноз» и содействии Института горного дела, геологии и геотехнологий (ИГДГиГ) Сибирского федерального университета (СФУ) с 2010 года активно развивает технологию аэрофотосъёмки с применением БПЛА серии DELTA собственной разработки для решения горно-геологических задач. Первый опыт применения технологии аэрофотосъёмочных работ с беспилотных летательных аппаратов в горном деле был изложен авторами в журнале «Золото и технологии» №1(15) 2012 г.


Накопленный опыт работ по эксплуатации комплекса DELTA лёг в основу создания БПЛА нового поколения, специализированного для решения задач геодезии и картографии. Аппарат DELTA-M (рис. 1) по своим техническим характеристикам не имеет аналогов среди других лёгких российских БПЛА гражданского назначения и, по существу, представляет собой самостоятельный картографический инструмент.

Технические характеристики БПЛА DELTA-M

Скорость летательного аппарата 65-80 км/ч
Высота полёта 100-3000 м
Разрешение фотоснимков 3-10 см/пикс.в зависимости от высоты (300-1000 м соответственно)
Производительность съёмки для задач мониторинга — до 80 км2 / вылет;
для разрешения 10 см/точку — до 30 км2 / вылет;
для разрешения 3 см/точку — до 10 км2 / вылет.
Дальность действия радиосвязи 30 км
Продолжительность полёта До 200 минут
Допустимая скорость ветра 15 м/с
Взлёт катапультный
Посадка парашютная
Диапазон рабочих температур от -35°С до +40°C
Диапазон углов перемещения гиростабилизированного опорно-поворотного устройства по углу крена ± 45°;
по углу тангажа ± 25°;
по углу сноса ± 50°.
Точность привязки центра фотографирования базовая комплектация: средняя квадратическая ошибка (СКО) в плане 2 м, по высоте 3 м комплектация с GPS\ГЛОНАСС приёмником повышенной точности (фазовый дифференциальные режим - RTK): СКО в плане 0.1 м, по высоте 0.2 м
Конфигурация фотоаппаратуры Sony RX-1
полноразмерная матрица 35 мм;
центральный затвор;
Разрешение 6000 х 4000;
(имеется опция Canon EOS-M c объективом
EF50мм f1/1.4 USM)
Гарантированный ресурс планера 50 посадок
Ресурс комплекса аккумуляторных батарей 50 циклов до снижения ёмкости на 20%

Отличительной особенностью БПЛА DELTA-M является наличие высокоточного приёмника глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) и опорно-поворотного устройства (ОПУ), стабилизирующего оптическую ось (рис. 2). Благодаря последнему при выполнении АФС отсутствует так называемая «ёлочка», которая образуется в случае применения БПЛА с жёстко прикрепленным к корпусу фотоаппаратом из-за колебания корпуса планера (рис. 3).


Отсутствие «ёлочки» позволяет увеличить расстояние между маршрутами, что ведет к увеличению площади АФС, выполняемой за один полет. Кроме того, существенно уменьшается количество фотографий, вовлекаемых в обработку, что существенно сокращает сроки обработки первичных материалов для получения качественного ортофотоплана.

При выполнении задач обычного видеонаблюдения ОПУ позволяет направлять видеокамеру в требуемом направлении, увеличивая площадь обзора.



Опорно-поворотноеустройство (3-х осеваягиростабилизирующая платформа)

Рис. 2. Опорно-поворотное устройство (3-х осевая гиростабилизирующая платформа)


Слева – перекрытие между снимкамис гиростабилизацией;справа – без гиростабилизации («ёлочка»)

Рис. 3. Слева – перекрытие между снимками с гиростабилизацией; справа – без гиростабилизации («ёлочка»)


Коллективом авторов проведена серия тестовых испытаний аппаратов серии DELTA-M c полезной нагрузкой в виде фотокамеры с затвором центрального типа и полноразмерной матрицей (Sony RX1) применительно для задач фотограмметрии. Для решения данной задачи был поставлен вопрос о погрешностях измерений по материалам аэрофотосъёмки. Точность определения плановых координат важна при проведении картографических работ, а высотных – для построения цифровых моделей рельефа.

Традиционно при решении задач фотограмметрии анализируют следующие основные возможные источники ошибок АФС:
  • искажения оптической системы (аберрации, отсутствие резкости, смещение главной точки, неточное значение фокусного расстояния);
  • искажения, вызванные наклоном оптической оси;
  • искажения, вызванные рельефом местности.

В наших работах ошибки оптической системы исправляются путем калибровки фотокамеры, определения её точных параметров. Наклон оптической оси в конструкции аппарата DELTA-M сводится к минимуму ( Для оценки точности определения пространственных координат по данным съёмки с БПЛА специалистами компании был создан испытательный полигон площадью 10 Га, состоящий из сети 160 опорных точек по регулярной сети. Шаг сети опорных точек составил 20-30 м, относительная невязка не превышала 0,5 см. Испытания заключались в проведении серии АФС с высоты 200 м, 300 м и 400 м. Далее при фотограмметрической обработке были получены плановые и высотные координаты контрольных точек по аэрофотоснимкам и произведено сравнение с результатами наземных измерений.

При обработке фотоматериалов помимо опорной сети использовались координаты центров фотографирования, определяемые встроенным в летательный аппарат ГНСС приёмником. На данный момент на БПЛА сверхлегкого типа обычно используются приёмники бытового класса, позволяющие определять координаты центров фотографирования с точностью 3-5 м. Комплекс DELTA-M оснащён двухчастотным дифференциальным приёмником, использование которого повышает точность привязки центров фотографирования до 10 см, что уменьшает время обработки фотоматериалов и погрешность измерений на снимках.

Объективным критерием точности определения координат объектов по фотоматериалам является среднеквадратическая ошибка (СКО) контрольных точек, которые не участвовали при уравнивании блока (формулы 1, 2).


`DeltaXY = sqrt(1/n sum_(i=1)^n (l_(i) - bar l_(i))^2 )` (1)


где ∆XY – СКО в плане, n – количество контрольных точек, <здесь измеренные тахеометром плановые координаты контрольной точки> – измеренные тахеометром плановые координаты контрольной точки, <здесь измеренные на снимках плановые координаты контрольной точки> – измеренные на снимках плановые координаты контрольной точки

5.png (2)

где ∆Z – СКО по высоте, <здесь измеренные тахеометром высотные координаты контрольной точки> – измеренные тахеометром высотные координаты контрольной точки, <здесь измеренные на снимках высотные координаты контрольной точки> – измеренные на снимках высотные координаты контрольной точки

При наличии опорной сети и строгом соблюдении методики проведения АФС ошибки уравнивания блока фототриангуляции вызваны, главным образом, использованием неметрической камеры без калибровочных данных. Средняя плановая погрешность в данном случае составляет 30 см, высотная — 1 м. Такие результаты не соответствуют техническим требованиям для проведения высокоточных геодезических и картографических работ. Задача калибровки решалась двумя подходами:


  1. полевой метод – в качестве тест-объекта использовался испытательный полигон;
  2. лабораторный метод (контрольный) – в качестве тест-объекта использовалась регулярная сеть, размеченная на плоской вертикальной поверхности.

При наличии данных о размерах элементов тест-объекта и расстояния до него в момент фотографирования возможно восстановить точные параметры оптической системы.

Результаты калибровки фотокамеры Sony RX1

Параметр оптической системы Значение до калибровки Значение после калибровки полевым методом Значение после калибровки лабораторным методом
Фокусное расстояние (f) 35 мм 35,185 мм 35,224 мм
Смещение главной точки по оси Х 0 мм 0,0275 мм 0,0195 мм
Смещение главной точки по оси Y 0 мм -0,0111 мм -0,0093 мм
Коэффициент радиальной дисторсии k1 0 -5,318 * 10-5 -5,108 * 10-5
Коэффициент радиальной дисторсии k2 0 -4,891 * 10-8 -4,4 * 10-8


При последующей обработке результатов АФС в качестве входных данных при уравнивании использовались: элементы внешнего ориентирования снимков, полученные с высокоточного ГНСС-приемника, результаты калибровки фотокамеры и координаты пяти опорных точек. Контроль точности производился по 155 контрольным точкам.

Достигнутые точности

Имя точки Δ L, в плане (м) Δ Z, по высоте (м)
Point0001 -0,133 0,163
Point0002 0,143 0,045
Point0004 -0,053 0,095
... ... ...
Point0153 -0,126 0,113
Point0154 -0,179 0,092
Point0155 -0,126 0,113
Максимальное 0,203 0,113
Среднее 0,104 0,157


ΔL =<здесь формула 3>
ΔZ =<здесь формула 4> (3)


Полученные результаты демонстрируют возможность использования материалов съёмки с БПЛА DELTA-M для проведения геодезических работ, при решении горнотехнических задач, для составления геодезических карт и планов до масштаба 1:500. Для достижения средней погрешности измерений в пределах 10-15 см рекомендуется следующий комплекс мероприятий:

  1. калибровка оптической системы фотокамеры;
  2. применение высокоточного ГНСС-приемника для позиционирования снимков при обработке;
  3. создание сети наземного обоснования.

По результатам данного исследования и опыта прошлых работ, для получения качественного ортофотоплана масштаба 1:1000 достаточно 8 опорных и 2 контрольных точек на 1 км2 местности. Количество может зависеть от типа рельефа, целей проведения и условий съёмки.


Помимо оценки точности определения пространственных координат, данный полигон был использован для калибровки съёмочного оборудования — уточнения фактической величины фокусного расстояния, координат главной точки и коэффициентов радиальной дисторсии полезной нагрузки. После проведения калибровки средняя плановая невязка ∆Lср составила 10 см, высотная невязка ∆Zср — 16 см. Полученные результаты показывают возможность использования материалов АФС с 

БПЛА в качестве топографической основы и модели при подсчете объёмов горных выработок.


Технологически аэрофотосъёмка с БПЛА производится в несколько этапов: подготовительные камеральные работы и составление лётного задания; маркирование опорных точек на местности и выполнение лётного задания (полевые работы); камеральная обработка полученных материалов.


Для получения высокоточных данных, необходима предварительная инструментальная привязка сети опорных точек и закрепление на них опознавательных знаков, которые в идеальном случае представляют собой кресты с обозначенным центром, маркированные на местности.


Перед запуском БПЛА в интерфейсе наземной станции управления (НСУ) задаются: область съёмки, требуемые значения продольного и поперечного перекрытия и высота полета, от которой зависит пространственное разрешение снимков. По указанным параметрам НСУ автоматически создает маршрут, следуя по которому, БПЛА совершает аэрофотосъёмку с фиксацией координат каждой точки фотографирования.


Получение качественных результатов фотосъёмки обеспечивается обработкой цифровых снимков в специализированных программных пакетах, таких как: Pix4Dmapper, Photoscan, PHOTOMOD, позволяющих существенно упростить и автоматизировать процесс обработки исходных материалов (определение связующих точек на соседних снимках и уравнивание по указанным опорным точкам).


Наибольшей степенью автоматизации процессов и возможностью получения подробного отчета о результатах обработки обладает программный пакет Pix4Dmapper. Обработка материалов АФС полностью автоматизирована, для этого необходимо загрузить в ПО полученные аэрофотоснимки, положение центров фотографирования и задать координаты опорных точек, после чего ПО автоматически определит связующие точки на соседних снимках и произведёт уравнивание по указанным опорным точкам.


После уравнивания в автоматическом режиме строится плотное облако точек, сравнимое с результатами лазерного сканирования, которое представляет собой точную цифровую модель местности (ЦММ), включающую в себя все объекты, попавшие в поле зрения фотокамеры. Для получения цифровой модели рельефа (ЦМР) необходимо провести фильтрацию плотного облака точек, исключив из него растительность, строения, автотранспорт. Полученная ЦМР в дальнейшем используется для подсчета объёмов выработки горной породы (рис. 4).


ЦМР — результат обработки плотного облака точек

Рис. 4. ЦМР — результат обработки плотного облака точек


Формат данных, получаемый в результате фотограмметрической обработки, совместим с любыми современными геоинформационными системами (ГИС) и легко конвертируется в требуемый. Детальная модель местности несёт в себе большой объём информации, поэтому дальнейшую её обработку рекомендуется производить в специализированных горно-геологических информационных системах (ГГИС), таких как Micromine, Mineframe, Surpac.


Отображение динамики отвалообразования на ЦММ

Рис. 5. Отображение динамики отвалообразования на ЦММ


Опыт наших работ показывает, что для проведения АФС с целью подсчёта объёмов горной породы на карьере площадью 2 км2, потребуется 1 час. Получение ортофотоплана и ЦМР занимает не более 4-х часов автоматической обработки, которую возможно производить в ночное время без участия оператора. Подсчет объёмов горных выработок и отвалов в ПО Micromine заключается в указании контура, внутри которого производилась выемка горной породы и вычитании (сложении) трехмерной модели, полученной при съёмке за предыдущий отчётный период из текущей модели (рис. 5). Автоматизированный подсчет перемещённой горной массы занимает не более 10 минут для одного месторождения. Время полного технологического процесса составляет порядка шести часов для крупного месторождения. Традиционная методика работ, включающая наземную инструментальную съёмку, потребует не менее трёх дней.


Кроме того, применение беспилотных летательных аппаратов позволяет выполнять съёмку труднодоступных мест, исключая нахождение в них работников предприятия, и не подвергая их риску для жизни и здоровья (рис. 6).


3-1.png

Отвалы вскрышных пород,
оставшиеся посреди отстойника. 
Выполнение замеров невозможно.
Пульпа, скопившаяся в отстойнике.
Выполнение замеров невозможно.
Обвалившийся уступ карьера
Нахождение людей запрещено.
6-1.png
Рис. 6. Фотоизображения и цифровые модели поверхности труднодоступных и опасных участков, полученные в результате съёмки с БПЛА

Полученные с БПЛА цифровые модели рельефа являются качественной основой для формирования отчётной документации, необходимой для технологических служб горного предприятия и предоставления в контролирующие органы. Стандартные планы и разрезы, оформленные в соответствии с условными обозначениями на бумажном носителе, векторизуются по ортофотоплану и ЦМР. При этом надежно дешифрируются требуемые элементы (верхняя и нижняя бровки уступов, транспортные съезды, строения, насыпи, положения устьев скважин (рис. 7, 8), инструментами ПО строятся разрезы по заданным линиям (рис. 9), а итоговый топографический план оформляется в соответствии с государственными стандартами (рис. 10).

Дешифрирование верхней и нижней бровки уступов
Рис. 7. Дешифрирование верхней и нижней бровки уступов


Рис. 8. Дешифрирование положения устьев скважин
Рис. 8. Дешифрирование положения устьев скважин


Дешифрирование положения устьев скважин
Рис. 9. Построение разрезов по заданным линиям


Итоговый топографический план в соответствии с государственными стандартами
Рис. 10. Итоговый топографический план в соответствии с государственными стандартами

Помимо подсчета объёмов и оформления графической документации, по результатам АФС оперативно определяются координаты устьев взрывных и разведочных скважин, расположение всех технических сооружений на территории карьеров (временные балки´, ЛЭП и электрические подстанции, насосы, трубопроводы).


Наглядность ортофотоплана и детальность плотного облака точек позволяют использовать полученные материалы не только маркшейдерской, но и геологической службой. По ортофотоплану с высоким разрешением точно и оперативно выявляются зоны трещиноватости на бортах и вблизи карьеров, при наличии маркирующих слоёв ведется их оконтуривание.

По результатам периодической аэрофотосъёмки службой главного инженера может осуществляться контроль за соблюдением техники безопасности и технологии производства работ (рис. 11).


Ортофотоплан участка кучного выщелачивания

Рис. 11. Ортофотоплан участка кучного выщелачивания


Обобщая опыт применения БПЛА при решении задач горного производства можно утверждать, что БПЛА позволяет оперативно и с высокой точностью производить картирование и мониторинг объектов горного предприятия, решать широкий спектр горнотехнических задач, включающий в себя подсчёт объёмов горных выработок, отвалов, хвостохранилищ, построение разрезов, поиск зон трещиноватости, привязка скважин и т.д. Фактором, замедляющим развитие и внедрение технологии дистанционного мониторинга горных работ, является консервативный подход специалистов предприятий, связанный с отсутствием нормативной и методической баз. Совершенствование нормативной базы требует тесного сотрудничества горнодобывающих предприятий, контролирующих органов и производителей БПЛА.


Компания ООО НПП «АВАКС-ГеоСервис» тесно сотрудничает с производителями профильных программных комплексов. Одним из результатов сотрудничества является предоставление скидок на их продукцию при единовременной покупке комплекса БПЛА DELTA-M и соответствующего пакета ПО. Также для облегчения и ускорения обработки результатов АФС ведутся двухсторонние переговоры по улучшению и оптимизации ПО.

Соглашения с производителями профильных программных комплексов

БПЛА    DELTA—M
<здесь фото БПЛА DELTA-M>
БПЛА DELTA-M в комплектации «Сбалансированный».
ПО Pix4Dmapper
<здесь logo Pix4D>
ПО Pix4Dmapper для автоматической обработки аэрофотоснимков, построение плотного облака точек и ортофотопланов.
ПО Micromine
<здесь logo Micromine>
ПО Micromine для каркасного и блочного моделирования, подсчёта объёмов, геологии, проектирования.
ПК
<здесь фото ПК для обработки результатов АФС>
Высокопроизводительный персональный компьютер для обработки результатов АФС.
Обучение
<здесь информация об обучении>
 
Бесплатное обучение двух специалистов работе с комплексом БПЛА DELTA-M.
 Внедрение Консультации <здесь информация об обучении>  Обучение специалистов по обработке результатов АФС и последующей обработке полученных материалов в ПО Pix4Dmapper и ПО Micromine (возможно с выездом на предприятие для консультации).



ООО НПП «АВАКС-ГеоСервис» и ИГДГиГ СФУ приглашает к сотрудничеству компании, заинтересованные в применении и развитии беспилотных технологий для решения широкого круга горнотехнических задач, в горнодобывающей и других отраслях.

www.uav-siberia.com
info@uav-siberia.com



 

АДРЕС:

660079, Россия, г. Красноярск,
ул. Электриков, 156/1

номер телефона: +7 (391) 286-61-09