ГИС-технологии: как ученые ЮУрГУ создают высокоточные карты при помощи дронов

Ежегодно каждое второе воскресенье марта в России принято считать Днем работников геодезии и картографии. В ЮУрГУ этот праздник отмечают сотрудники научно-образовательного центра «Геоинформационные системы». 

Центр занимается созданием и наполнением геоинформационных систем – обработкой космоснимков, созданием ортофотопланов, картографических материалов и цифровых моделей рельефа.

Каждый пользователь смартфонов может самостоятельно оценить удобство геоинформационных систем на бытовом уровне: достаточно просто открыть 2GIS или Google maps. Цифровые карты давно помогают пользователям найти нужную улицу, сориентироваться в незнакомом городе или отслеживать пробки на дорогах. Но это лишь малая часть того, что можно сделать с помощью ГИС-технологий. ГИС позволяют оптимизировать и усовершенствовать работу в промышленности, сельском хозяйстве и других секторах экономики.

Но за каждым ГИС-продуктом – будь то простая карта или сложная 3D-модель местности, сшитая из тысяч снимков – кроются часы, дни и даже месяцы напряженной работы и точных расчетов. Часть этой  работы в ЮУрГУ берет на себя Михаил Бегашев, инженер-исследователь НОЦ «Геоинформационные системы».

Прошлым летом Михаил с сотрудниками Центра представили свои разработки губернатору Челябинской области Борису Дубровскому, а в феврале этого года НОЦ договорился о сотрудничестве с кубинскими коллегами

В обязанности Михаила входит работа с беспилотными летательными аппаратами (БЛА) и дистанционное зондирование земли. Перед тем, как создать карту или цифровую модель, необходимо провести аэрофотосъемку. Это является ключевым этапом, ведь на основе снимков, полученных в результате съемки, будет разрабатываться конечный продукт.

Съемка производится с помощью специальных дронов. На сегодняшний день в распоряжении центра имеются два беспилотника: один самолетного типа, другой – вертолетного.

Беспилотный летательный аппарат самолетного типа используется при работе на больших объектах, когда нужно отфотографировать большую площадь или протяженную местность. Например, дорожное полотно. Запускается такой аппарат при помощи резиново-металлической катапульты. Принцип такой же, как у рогатки.

После запуска беспилотник летит на большой скорости по заранее заданной траектории и снимает местность. Не всегда получается заснять весь объект при одном запуске.

«Количество запусков зависит от объемов – площади и протяженности объекта. От того, насколько точные данные надо получить. Чем ниже высота, тем точнее данные. Чем выше – тем менее точные, но больше площадь, которую покрывают снимки. Это зависит от требований заказчика – он заранее указывает либо масштаб, который ему нужен, либо пространственное разрешение ортофотоплана», – объясняет Михаил Бегашев.

Слева – дрон вертолетного типа, справа – самолетного

Дрон вертолетного типа используется для съемки небольших объектов, например, зданий. Он более маневренный, что позволяет облетать объект со всех сторон и моделировать высокоточную картину, вплоть до каждой трещины.

Беспилотники управляются в автоматическом или полуавтоматическом режимах. При автоматическом режиме Михаил заранее задает маршрут и детали полета – указывает, что и как надо снимать. То есть основная работа проходит в офисе за компьютером, на объекте лишь остается запустить дрон и следить, чтобы он придерживался маршрута. Такой принцип используется при работе с БЛА самолетного типа.

Беспилотник вертолетного типа управляется в полуавтоматическом режиме. Для этого оператору необходима наземная станция управления – она состоит из компьютера, антенны, модуля приема и передачи и джойстика, с помощью которого управляется дрон. Станция в режиме реального времени показывает как навигационные параметры,  так и изображение, которое видит перед собой камера дрона.

Наземная станция позволяет управлять дроном в режиме реального времени

Для съемки используются обычные зеркальные камеры, которые можно купить в любом магазине электроники. Однако перед началом эксплуатации их синхронизируют с GPS-датчиком беспилотника, чтобы потом можно было узнать, когда, где и в каком положении была сделана фотография.

В зависимости от площади объекта на выходе может получиться от 100 до нескольких тысяч снимков. Затем с помощью специального программного обеспечения они сшиваются в единую карту или 3D-модель.

«Длительность рендера снимков зависит от объекта. Например, пару тысяч снимков можно обработать за день, 100-200 – за несколько часов. Если снимков очень много, то обращаемся за помощью в Лабораторию суперкомпьютерного моделирования ЮУрГУ. Они выделяют нам дополнительные мощности, и это ускоряется процесс», – рассказывает Михаил.

Для съемки используются обычные зеркальные камеры

ГИС-технологии используются в различных сферах и заметно облегчают работу. Например, такая техника пользуется популярностью при разработке карьеров и добыче полезных ископаемых.

«Мы можем раз в неделю снимать дронами карьер и на выходе получим 3D-модель, на которой будет видно, сколько ресурсов выработано, сколько руды получено. Правильно ли производились работы. Можно даже спрогнозировать вероятность обвала. Всё это значительно удешевляет работы по измерению: геодезисту не надо больше вручную бегать с тахеометром и замерять», – говорит инженер-исследователь.  

По прогнозам ученых, с каждым годом ГИС будет использоваться все шире, а значит, многие существующие проблемы можно будет решать значительно быстрее и с наименьшими затратами ресурсов.