Статья

Аэрофотосъемка станет доступной благодаря беспилотникам

Геоинформатика
мобильная версия

По мнению экспертов, в ближайшее 10-летие количество беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) вырастет в десятки раз. Взрывной рост рынка БПЛА произойдет, в значительной степени, за счет увеличения спроса на аппараты, способные вести аэрофотосъемку.

Только в США к 2020 г. будет активно использоваться более 10 тыс. коммерческих беспилотников. Такое же число аппаратов будет находиться на вооружении американской армии и спецслужб.

Почему БПЛА набирают популярность, в то время как спутниковая съемка становится все более доступной, особенно в свете грядущей эпохи микро- и наноспутников, которые смогут по несколько раз в день обновлять глобальную карту с разрешением 1 м?

Прогресс — набор удачных совпадений

Распространение коммерческих БПЛА объясняется не острым спросом, как в случае с военными, которые закупают «сырые» образцы ради сохранения жизни пилотов и возможности без риска шпионить на территории других государств. В гражданском секторе начинают искать применение технологиям, которые эволюционировали в достаточно узком круге авиамоделистов. Сегодня среднего качества комплект из камеры для трансляции живого видео с борта БПЛА (FPV), GPS-автопилота с полетом по контрольным точкам и небольшого планера можно купить примерно за $500.

Полупрофессиональный беспилотный самолет с размахом крыльев около 2 м, возможностью автоматической съемкой заданного района, оснащенный соответствующим софтом и полу- или автоматической посадкой обойдется в 2–4 тыс. долл. Таким образом, простое, но вполне эффективное оборудование, необходимое для организации аэрофотосъемки, сегодня значительно доступнее, чем 20 лет назад.

 Аэрофотосъемка, сделанная с помощью 1,4-кг БПЛА X5
Аэрофотосъемка, сделанная с помощью 1,4-кг БПЛА X5

«У беспилотников есть ряд преимуществ перед пилотируемой съемкой. Прежде всего, они могут летать на высоте от 100 м, а коптеры — еще ниже. Поэтому они могут использовать более дешевое съемочное оборудование, включая обычные фотоаппараты. К тому же БПЛА можно доставить к месту съемки различным транспортом, в то время как пилотируемым самолетам приходится лететь «своим ходом». В России есть такие районы, до которых тяжело добраться даже на самолете, а облачность на высоте 1500 м и ниже бывает почти всегда, — рассказал CNews Алексей Семенов, генеральный директор российской компании «Плаз», поставщика беспилотных аэрофотосъемочных комплексов и соответствующего программного обеспечения. — Во многих случаях выгоднее использовать БПЛА вместо пилотируемой аэрофотосъемки: они дешевле при съемке небольших, территориально разбросанных, а также линейных объектов вроде автодорог, которые петляют и требуют от пилотируемого самолета постоянных маневров и повторных заходов на цель. Получается, что пилотируемая аэрофотосъемка имеет преимущество при сплошной съемке очень больших территорий в десятки тысяч кв. км, но такие работы нужны редко».

Еще одно «удачное совпадение» — бум компьютерных и особенно мобильных технологий. Сегодня любой желающий может воспользоваться простыми программами для сшивки цифровых фото и задавать на планшете контрольные точки, по которым должен пролететь БПЛА для съемки заданного района. Двадцать и тем более тридцать лет назад использовать компьютерную технику с аналогичными возможностями умели лишь высококвалифицированные специалисты.

Необычная польза

Сегодня собрать беспилотник, пригодный для аэрофотосъемки, может даже школьник — все необходимое для этого, включая специальные знания, можно приобрести в интернете. Не удивительно, что собственными БПЛА обзавелись фермеры, школы, фотографы, логистические компании, рекламные агентства и многие другие.

Относительная доступность беспилотников породила целую гамму разнообразных сфер их применения. Гибкость в применении — важнейшее качество коммерческих беспилотников. Помимо привычных приложений, таких как мониторинг сельхозугодий, охраняемых территорий, картографирования и т. д., БПЛА используются для решения необычных, можно даже сказать творческих задач.

Так, фермер Донаван Тэйвс (Donavon Taves) из Луизианы много лет боролся с весьма сложной проблемой — на поля земледельца повадились ходить медведи, которые грызли пластиковые трубы сезонной системы орошения.

«Исправить повреждение трубы довольно просто, но ежедневный осмотр всей системы отнимал много времени и сил, — рассказывает Донаван Тэйвс. — Я решил проблему с помощью мультикоптера, запрограммированного на ежедневный облет труб и фотосъемку. Теперь каждое утро я просто просматриваю фото и вижу, какие трубы надо починить».

По словам Тэйвса, короткого облета полей на высоте 7–8 метров достаточно, чтобы своевременно обнаружить поврежденную ветром крышу, покосившийся забор и другие происшествия, которые могут доставить неприятности, если их не ликвидировать своевременно.

В ближайшем будущем сервисы, облегчающие работу с подобными «крупномасштабными» данными, будут пользоваться большой популярностью. Простым пользователям, вроде фермера Тэйвса, понадобятся инструменты для быстрого анализа и наглядного отображения результатов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), сделанного беспилотником. Некоторые китайские компании, производящие относительно недорогие БПЛА, уже предлагают соответствующий аналитический софт, доступный непрофессиональным пользователям.

 Аэрофотосъемка Томска, сделанная с помощью российского 2,3-кг БПЛА
Аэрофотосъемка Томска, сделанная с помощью российского 2,3-кг БПЛА

Как отмечает Мелани Хинтон (Melanie Hinton) из AUVSI, БПЛА могут вести качественную и безопасную съемку в интересах нефтяной и газовой промышленности. Так, 6-кг БПЛА Puma AE компании AeroVironment успешно выполнил аэрофотосъемку на Аляске, где применение спутниковой съемки часто затруднено из-за облачности и рельефа местности. Беспилотник успешно отснял склоны гор, окрестности самого крупного в Северной Америке нефтяного месторождения Prudhoe Bay и создал трехмерную модель автодорог, площадок и трубопроводов. В одной из миссий БПЛА обеспечил траффик автомобиля с буровой установкой массой 1600 тонн в условиях плохой видимости: беспилотник летел впереди машины и непрерывно создавал высокоточную 3D-модель дороги. Заказчик, компания BP Exploration Inc., был полностью удовлетворен результатами работы БПЛА и подписал с AeroVironment пятилетний контракт.

Весной 2014 г. археологи Джесс Касана (Jesse Casana) и Джон Кантер (John Kanter) с помощью мультикоптера, оснащенного инфракрасной камерой, обнаружили в каньоне Чако (Нью-Мексико) древнее поселение возрастом 1000 лет. Погребенные под слоем грунта остатки населенного пункта удалось найти только при помощи ИК-съемки с близкого расстояния. БПЛА помог составить приблизительную карту поселения, что снижает вероятность повреждения древних артефактов при раскопках. Для съемок использовался мультикоптер на платформе CineStar-8. Вместе со всем оборудованием он обошелся Джессу Касану в $6 тыс.

На Ближнем Востоке и в Южной Америке археологи используют съемку с борта БПЛА для создания «фотопортретов» и 3D-моделей древних руин, чтобы быстро выявить факты вандализма и иметь возможность впоследствии точно реконструировать археологическую находку.

Технические возможности

Тяжелые БПЛА, такие как военный реактивный Global Hawk или стратосферный Global Observer, использующие солнечные панели и водородные топливные элементы, могут находиться в воздухе продолжительное время и нести сотни килограммов полезной нагрузки, включая новейшие гиперспектральные камеры и радары. Эти БПЛА по качеству дистанционного зондирования Земли превосходят большинство спутников и при этом могут передавать данные съемки высокого разрешения в режиме реального времени. Однако такие беспилотники стоят миллионы долларов, спрос со стороны военных на них высок, и поэтому коммерческое ДЗЗ с помощью тяжелых БПЛА вряд ли станет дешевым и доступным в ближайшие десятилетия.

 Аэрофотосъемка, сделанная с помощью 1,8-кг БПЛА Zephyr2
Аэрофотосъемка, сделанная с помощью 1,8-кг БПЛА Zephyr2

Легкие самолеты с размахом крыльев в несколько метров, а также разнообразные мультикоптеры доступнее, их можно собрать даже в домашних условиях или приобрести у небольших компаний.

На рынке много примеров небольших беспилотных самолетов. Например, китайская компания Feiyu Electronic Technolog предлагает линейку БПЛА из пены EPO. Модель X5 имеет вес 1,4 кг, размах крыльев 1 м и может нести полезную нагрузку в 300 г — обычно это простая цифровая «мыльница». Беспилотник может работать на высоте от 100 до 600 м, время полета на одном заряде аккумуляторов — 40-50 мин. Возможности обычной фотокамеры невысоки, но их достаточно, чтобы с максимальной рабочей высоты на снимках можно было различить автомобили, ряды виноградных лоз или свалку мусора.

Пример с китайским БПЛА указывает на общую тенденцию сегмента «бюджетного ДЗЗ»: ориентация на пожелания клиента и максимально простое и функциональное программное обеспечение для обработки данных съемки. Сборщики БПЛА могут увеличить размах крыльев, длительность полета, подогнать отсек полезной нагрузки под нужные габариты и т. д. В свою очередь, программное обеспечение дает возможность выбрать район съемки, просто обведя его на цифровой карте на экране ноутбука. Кроме того, простой алгоритм выполняет сшивку снимков в изображение нужного размера, в том числе и с привязкой по координатам GPS, обычно с точностью около 2,5 м. Стоят такие аппараты $2–3 тыс., они не очень дороги в обслуживании, поскольку используют электродвигатели, а цена фюзеляжа составляет $150–300.

Небольшие БПЛА профессионального уровня стоят около 20 тыс. долл. и обладают гораздо большими возможностями, прежде всего, в плане качества сенсоров. Например, 1,8-кг БПЛА Zephyr2 компании Marcus UAV может оснащаться как 16 Мп «мыльницей» или гиростабилизированной микрокамерой в 480 линий, так и гиростабилизированной 1,3 Мп мультиспектральной камерой. Смена сенсоров занимает 5 мин. БПЛА запускается с руки или с помощью небольшой катапульты и может находиться в воздухе более 50 мин., дальность полета достигает 40 км.

Для управления Zephyr2 не нужно обладать специальными навыками. Программное обеспечение дает возможность выделить на карте Google Earth интересующий район, и БПЛА автоматически рассчитает оптимальный маршрут для съемки, включая поправки на снос ветром.

Мультиспектральная камера предназначена, прежде всего, для использования в сельском хозяйстве и позволяет, например, по разнице яркости растительности в ближнем ИК-диапазоне определить некачественные семена, недостаток удобрений, влаги или очаги поражения вредителями.

 БПЛА Puma AE
БПЛА Puma AE

В России также выпускаются БПЛА подобного класса. Они могут оснащаться различными видами полезной нагрузки: фотоаппаратами, мультиспектральной камерой, тепловизорами. БПЛА при работе на высоте от 120 до 250 м позволяет получать аэрофотоснимки с разрешением 4–10 см/пиксель.

Для ДЗЗ также используются и мультикоптеры. Они имеют ряд особенностей: прежде всего, меньшую продолжительность полета (обычно около 20 мин.) и потерю управляемости при отказе двигателя или разряженной основной батарее. Но есть у них и преимущества: вертикальный взлет и посадка, меньшая скорость полета, маневренность, возможность работы на высоте от нескольких метров, большая грузоподъемность при меньших габаритах. Обычно мультикоптеры используют для создания 3D-моделей городских объектов или съемок небольших площадей.

Можно сказать, что сенсоры для коммерческих БПЛА позволяют выполнять весь спектр задач ДЗЗ, причем они совершенствуются. Например, компания Hyperspec в июле 2014 г. представила гиперспектральный сенсор весом всего 0,68 кг и с габаритами 76x76x120 мм. Он использует самый современный вид многозональной съемки одновременно в большом количестве узких зон спектра. Сенсор Nano-Hyperspec имеет встроенный процессор обработки данных и ведет съемку в 270 спектральных полосах с разрешением 2–3 нм.

В последнее время БПЛА все чаще используются для оперативной дистанционной съемки. Для этого создаются специализированные комплексы или используются многоцелевые системы. Для этих задач предпочтительны БПЛА сверхлегкого и легкого классов, т. к. для их запуска не требуются аэродромы или специально подготовленные площадки.

Следует отметить, что сверхлегкие БПЛА не позволяют оборудовать их сложной высокоточной съемочной аппаратурой, т. к. на них существенно ограничены возможности полезной нагрузки. Кроме того, эти аппараты сильно подвержены влиянию погодных условий (в силу их легкости особенно большие ограничения по силе ветра). Однако оборудование таких аппаратов позволяет успешно и эффективно проводить съемку для целей мониторинга изменений ландшафта и объектов. Кроме того, очень привлекательна сравнительно небольшая цена таких систем. Для проведения высокоточной аэрофотосъемки желательно использовать аппараты легкого и среднего класса, т. к. на них можно разместить более совершенную съемочную и стабилизирующую аппаратуру.

«Одна из важных тенденций развития геоинформационных технологий в современном мире — стирание границ между авиационной и космической съемкой, широкое применение беспилотных летательных аппаратов, в том числе долговременных стратосферных БПЛА, — отмечает первый заместитель генерального директора компании «Совзонд» Михаил Болсуновский. — В перспективе возможно комплексирование данных дистанционного зондирования (оптические снимки + радарные данные, лазерное сканирование + БПЛА и т. д.). Заказчик использует космическую съемку для мониторинга обширных территорий и данные с БПЛА для уточнения локальных особенностей, что приносит большой экономический эффект. Наша компания не только внимательно следит за тенденциями развития рынка БПЛА и сервисов на базе аэрофотосъемки с них, но и предлагает заказчикам решения на основе собственных разработок».

Таким образом, технология комплексного использования дистанционного зондирования со спутников и БПЛА стремительно развивается и находит применение в различных областях, позволяя оперативно решать целый ряд задач, базирующихся на использовании пространственных данных.

Михаил Левкевич

Мировая группировка спутников дистанционного зондирования земли (ДЗЗ)

СОБЫТИЯ