На правах рукописи

Шевчук Станислав Олегович

РАЗРАБОТКА ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОГО СПОСОБА

ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ

АЭРОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

25.00.34 – «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новосибирск – 2014

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГГА»).

Научный руководитель – кандидат технических наук, старший научный сотрудник Лапко Александр Петрович.

Официальные оппоненты: Чибуничев Александр Георгиевич, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учрежденик «Московский государственный университет геодезии и картографии», проректор по международной деятельности;

Серебряков Сергей Владимирович, кандидат технических наук, ЗАО «Центр инженерных изысканий и проектирования «ИнжГео», генеральный директор.

Ведущая организация – Учреждение Российской академии наук Геофизическая служба Сибирского отделения РАН (ГС СО РАН), г. Новосибирск.

Защита состоится 10 июня 2014 г. в 15 час. на заседании диссертационного совета Д 212.251.02 при ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, ауд. 402.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «СГГА».

Материалы по защите диссертации размещены на сайте ФГБОУ ВПО «СГГА»:

http://www.ssga.ru/main/zaschita_dissertaciy.html Автореферат разослан 14 апреля 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Середович В. А.

Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997.

Подписано в печать 28.03.2014. Формат 6084 1/16.

Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ.

Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного,10.

Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 10.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследовани я. В настоящее время при геофизической разведке широко применяются методы сбора геофизической информации с использованием летательных аппаратов, позволяющие получать параметры строения различных слоёв земной коры дистанционно, с меньшими экономическими затратами. Методы аэрогеофизической разведки эффективно применяются при изучении земных недр, поиске как твёрдых, так и нефтегазовых полезных ископаемых, мониторинге разработки месторождений и решении широкого круга поисково-оценочных и инженерных задач. Значительное повышение экономической эффективности данных работ достигается применением многометодных систем, выполняющих комплексные измерения различных полей Земли (электрического, магнитного, электромагнитного поля, поля силы тяжести, радиационного, теплового), в том числе одновременно.

Одной из наиболее значимых задач аэрогеофизики (наряду с проблемами обработки и интерпретации геофизической информации) является получение пространственных данных аэрогеофизической съёмки – выполнение навигационного и геодезического обеспечения, в частности – параметризация съёмки (определение необходимых навигационных и геодезических параметров).

Современные аэрогеофизические исследования всё чаще решают локальные поисковые задачи высокой детализации с крупными масштабами съёмки, в частности 1 : 10 000, что в значительной мере повышает требования к точности, целостности и частоте фиксации величин навигационно-геодезических параметров.

позиционирования, для решения задач координатного обеспечения и навигации навигационных спутниковых систем (ГНСС). Ранее для решения данных задач применялись методы аэрофотосъёмки и радиогеодезии.

Появление цифровых съёмочных систем и методов автоматической обработки фотограмметрических измерений создало возможность их применения для эффективного решения некоторых задач навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизики, трудно реализуемых посредством ГНСС и других методов.

При навигационно-геодезическом обеспечении аэроэлектромагнитных исследований одной из задач параметризации является точное определение истинных высот (превышений над земной поверхностью) выносных конструкций (платформ или гондол), для чего может применяться фотограмметрический метод.

Учитывая появившиеся в последнее время новые технологии и программные средства, может быть разработана комплексная методика по навигационногеодезическому обеспечению, включающая в себя перечень работ по навигационногеодезическому обеспечению аэрогеофизических исследований, рекомендованное программно-аппаратное обеспечение для них, а также позволяющая варьировать некоторые технологические звенья.

Разработанная методика, включающая фотограмметрический способ и устройство для определения истинной высоты выносных конструкций, может в значительной мере повысить качество выполняемых аэрогеофизических работ.

Степень разработанности тема.

При работе над вопросом, связанным с определением истинной высоты путем применения аэрофотосъёмки, рассматривались работы отечественных ученых (Журкин И. Г., Гук А. П., Антипов И. Т., Кашкин В. Г., Никитин В. Н. и др.) и зарубежных ученых (Гонсалес Р., Вудс Р., Прэтт У., Шовенгердт Р. А. и др.).

По вопросам навигационно-геодезического обеспечения геолого-геофизических работ (в частности, аэрогеофизики) посредством ГНСС-технологий опубликован ряд работ, в частности методические разработки, статьи и исследования таких ученых, как Прихода А. Г., Глаголев В. А., Тригубович Г. М., Каленицкий А. И., Канторович А. Э., Антонович К. М., Сурнин Ю. В., Щербаков В. В., Войтенко А. В. и др. Из зарубежных авторов, прямо или косвенно занимающихся данным вопросом, могут быть отмечены: Rizos Ch., Hofmann-Wellenhof B., Petrovski I. G., Bisnath S., Leick A.

и др.

Целью исследования являлось усовершенствование методики навигационногеодезического обеспечения аэрогеофизических работ с электромагнитным разведочным комплексом с подвесной вертолётной платформой, включая решение задачи получения её высоты над земной поверхностью фотограмметрическим способом.

комплексных аэрогеофизических исследований повышает точность и достоверность определения параметров физических полей Земли и, как следствие, выделения (локализации) поисковых объектов.

Задачи исследования:

– конкретизация задач навигационно-геодезического и топографического обеспечения аэрогеофизических работ и методов их решения, анализ определяемых навигационно-геодезических параметров при выполнении многометодных аэрогеофизических съёмок, исследование необходимой точности их определения;

– разработка фотограмметрического способа определения превышений выносной вертолётной платформы (приёмно-генераторной конструкции) над земной поверхностью (истинной высоты);

аэрогеофизических работ с обоснованием выбора аппаратуры, методов измерений и программного обеспечения для навигационно-геодезического сопровождения аэрогеофизической съемки и обработки результатов спутниковых измерений;

– создание рабочего макета устройства, реализующего способ определения превышений выносной вертолётной платформы и его испытания.

диссертационной работы является навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических работ.

Предметом исследований является методика навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических исследований, включающая применение технологий ГНСС и разработку фотограмметрического способа и устройства для определения превышения над земной поверхностью (истинной высоты) выносной электромагнитной платформы.

Научная новизна результатов исследований. Впервые предложен фотограмметрический способ для определения истинной высоты выносной конструкции (платформы) и устройство, реализующее его. Основной особенностью устройства является применение пары камер, синхронно экспонирующих земную поверхность под выносной платформой. Преимуществами данного способа (в частности, в сравнении с применением лазерных высотомеров) является учёт углов наклона выносной конструкции и возможность смещения определяемой точки (в случае наличия препятствий на местности) на снимках.

Усовершенствована методика навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических исследований с использованием подвесной электромагнитной платформы, обеспечивающая параметризацию электромагнитных измерений с необходимой точностью, надежностью и частотой (периодичностью).

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанная методика, включающая определение высоты фотограмметрическим способом, обеспечивает определение навигационно-геодезических параметров аэрогеофизической съёмки с необходимой точностью и в значительной мере повышает качество и эффективность аэрогеофизических исследований.

Методология и методы исследований. Выполненные исследования базировались на анализе научной и технической литературы, нормативных документов и выполнении экспериментальных работ.

Для решения поставленных задач применялись:

– теория математической статистики;

– теория фотограмметрической обработки пары снимков;

– теория математической обработки геодезических измерений;

– методы математического моделирования.

Применялись методы фотограмметрии, геодезии, обработки данных аэрофотосъёмки, геоинформатики, спутниковой навигации.

При выполнении исследовательских и практических работ применялось следующее программное обеспечение:

– программа для обработки спутниковых измерений NovAtel WayPoint GrafNav;

– среды разработки программ Borland Delphi, IDE Lazarus, Free Pascal;

– ГИС MapInfo, Garmin MapSource;

– вычислительная среда программирования Equilibrium;

– средства Microsoft Office.

Автором написан ряд алгоритмов и прикладных программ на их основе.

Разработанная методика была испытана на практике (на нефтепроводе Курагинском районе Красноярского края). Предложенное фотограмметрическое устройство, включающее в себя пару неметрических камер, инерциальную навигационную систему и микрокомпьютер, было представлено и испытано в лабораторных и лётных условиях в виде рабочего макета.

На защиту выносятся:

а) разработанные фотограмметрические способ и устройство обеспечивают необходимой точностью;

б) предлагаемая комплексная методика навигационно-геодезического обеспечения аэроэлектромагнитных исследований с использованием выносной электромагнитной платформы решает задачу определения необходимых навигационных и геодезических параметров.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

25.00.34 «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия», разработанному экспертным советом ВАК Минобрнауки РФ, по следующим областям исследований:

аэрокосмическим снимкам геодезических сетей, создания и обновления топографических, землеустроительных, экологических, кадастровых и иных карт и планов»;

– № 5: «Теория и технология получения количественных характеристик динамики природных и техногенных процессов с целью их прогноза».

Степень достоверности и апробация. Основные положения и результаты научного исследования докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и конгрессах:

– VII Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2011», г. Новосибирск, СГГА, 19–29 апреля 2011 года;

– VIII Международный научный конгресс «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012», г.

Новосибирск, СГГА, 10–20 апреля 2012 года;

– IV Международная конференция «Геодезия. Маркшейдерия. Аэросъёмка. На рубеже веков», г. Москва, гостиница «НовОтель», 14–15 февраля 2013 года;

– IХ Международный научный конгресс «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013», г. Новосибирск, СГГА, 24–26 апреля 2013 года;

– VII Международный форум по спутниковой навигации, г. Москва, Экспоцентр, 24–27 апреля 2013 года.

Основные результаты исследований применялись в ООО «Аэрогеофизическая разведка» при выполнении аэрогеофизических работ на Ванкорском месторождении (инженерные изыскания) и в Курагинском районе Красноярского края (Раздольная площадь). Методика внедрена в производство ООО ГП «Сибгеотех» и в учебный процесс ФГБОУ ВПО «СГГА».

На фотограмметрические способ и устройство для определения истинной высоты выносной аэрогеофизической платформы получен патент на изобретение от 27.02.2014 (Пат. 2508525 Российская Федерация МПК51 GO1C 11/04 GO1V 3/16).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей, из которых входят в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий. Также получен один патент РФ на изобретение.

Структура диссертации. Общий объём работы составляет 180 страниц печатного текста. Диссертация состоит из введения, трёх разделов, заключения, списка литературы, включающего 125 наименований, 2-х приложений. Работа включает 29 таблиц и 56 рисунков.

Диссертация и автореферат диссертации оформлены в соответствии с СТО СГГА 002-2013.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Исследованы навигационно-геодезические параметры и предложены рекомендации по точности их определения. Указанные величины и точностные рекомендации приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Навигационные и геодезические параметры аэроэлектромагнитной съемки с использованием подвесной платформы Параметры навигации Координаты и геодезические (определение положения системы «вертолётдо 1 м высоты вертолёта X1, Y1, H1 платформа») при обработке и интерпретации Координаты и геодезические высоты ЭМ-платформы X2, Y2, H Координаты и геодезические Обработка результатов электромагнитных высоты магнитометра Xм, Yм, Hм исследований Редуцированные Истинная высота центра приёмной над земной поверхностью) h Примечание – В графе рекомендуемой точности m – знаменатель масштаба аэрогеофизической съёмки.

Требования к точности указанных величин сформированы как на основе соответствующих инструкций, так и получены по результатам геофизических экспериментов.

Рассмотрены требования к детальности указанных параметров и частоте их записи и вывода. Часть из параметров (в частности, параметры навигации носителя) должны выводиться в масштабе реального времени, в то время как остальные величины могут быть получены в процессе камеральной обработки.

аэроэлектромагнитного комплекса производится посредством аппаратуры ГНСС.

Методы позиционирования данной аппаратурой определяют два наиболее оптимальных варианта методики навигационно-геодезического обеспечения, предложенные в данной работе: метод относительного позиционирования и точного точечного позиционирования (PPP).

Не решённым до настоящего времени оставался вопрос определения истинной высоты h выносной платформы со среднеквадратической погрешностью (СКП) 1 м и выше.

До сих пор использовалось приближённое значение h, получаемое по измерениям радиовысотомера типа РВ-5 (hн), находящегося на борту вертолёта, из которого вычиталась высота (h) от фюзеляжа вертолёта до платформы. В итоге истинная высота платформы, получаемая данным способом, имела значительные погрешности за счёт низкой достоверности h, низкой точности определения hн посредством РВ-5 (до 5 м), а также несоответствия планового положения носителя и платформы.

Получение величины h посредством установки на платформу лазерного высотомера также оказалось затруднительно из-за погрешностей, связанных с наличием постоянно изменяющихся углов наклона платформы и наличием препятствий.

топографической карты также в большинстве случаев не обеспечивает необходимой точности определения h.

В итоге был предложен фотограмметрический способ, описанный во втором разделе диссертации.

Второй раздел диссертации посвящен описанию способа и устройства для использованием фотограмметрической системы из двух камер и инерциальной навигационной системы (ИНС).

Теоретической основой способа является применение пары предварительно откалиброванных неметрических фотокамер, закреплённых на выносной платформе и синхронно выполняющих съёмку земной поверхности через заданный период времени. При этом углы наклона платформы, а, следовательно, и камер, и расстояние между камерами – базис B – должны быть известны. Первое условие выполняется с помощью инерциальной навигационной системы, второе – путём выполнения предварительных замеров базиса на земле.

Рассмотрим сущность описываемого метода.

Пусть съёмка производится с двух точек пространства S1 и S2 (точки фотографирования фотокамер 1 и 2 соответственно), расстояние между которыми (базис) – постоянная величина B. Правые системы координат S1X'1Y'1Z'1 и S2X'2Y'2Z' задаются системой ИНС и ориентированы таким образом, что оси аппликат Z'1 и Z' вертикальны (направлены по отвесу), а оси ординат Y'1 и Y'2 направлены на север, рисунок 1.

Пусть S0 – точка, находящаяся в центре базисной линии, соответствующая центру платформы, а точка A – проекция S0 на местность. Главной определяемой величиной для данной системы является расстояние h, равное длине вектора S0A.

Величина вектора превышения h может быть определена как:

где ZA – координата Z точки A в заданной системе координат, BZ – проекция базиса (вектора S1S2) на ось Z.

В формуле (1) неизвестной величиной является аппликата ZA. Для её получения, и определения искомой величины h строится свободная модель местности по левому и правому снимкам, получаемым одновременно с разных точек пространства.

Началом системы координат модели может являться точка S1. При этом углы наклона базиса приблизительно соответствуют крену и тангажу платформы, то есть измерениям ИНС.

Рисунок 1 – Определение истинной высоты платформы с использованием системы На практике определить ZA непосредственно по углам, получаемым ИНС, невозможно без вычисления значений угловых элементов внешнего ориентирования левого и правого снимков (1, 1, 1 и 2, 2, 2), предварительно выполнив взаимное ориентирование снимков.

Угловые элементы внешнего ориентирования снимков могут быть получены по формулам:

где A1 и A2 – матрицы направляющих косинусов, аргументами которых являются элементы внешнего ориентирования снимков;

A'1 и A'2 – матрицы направляющих косинусов, определённых через элементы взаимного ориентирования левого и правого снимков базисной системе координат (БСК);

А0 – матрица направляющих косинусов, аргументами которой являются углы поворота БСК относительно плоскости платформы (зависит от углов установки фотокамер).

Далее, используя полученные угловые элементы внешнего ориентирования снимков и известные XA,YA, соответствующие середине базиса, вычисляют значение ZA, например, с использованием автоматизированного алгоритма, выполняющего подбор ZA для которого участки левого и правого снимков с центрами в координатах x1 y1 и x2y2 будут иметь максимальное значение корреляционной функции, например площадной корреляции:

где M и N – соответственно ширина и высота образца или пределы участков изображений P1 и P2 (образы определяемой точки) левого и правого снимка; p, q – значения продольного и поперечного параллаксов, pmin и qmin соответствуют минимальному значению перебора ZA, а pmax и qmax – максимальному.

Координаты точек x1 y1 и x2 y2 на левом и правом снимках, являющиеся центрами образов MN в формуле (3) – соответствующие точки модели с XA, YA, ZA (для различных величин ZA в процессе подбора) вычисляются по формулам:

где a1(1),…, с3(1) – направляющие косинусы, выраженные через угловые элементы внешнего ориентирования левого снимка (1, 1, 1);

a1( 2),…, с32 ) – направляющие косинусы, выраженные через угловые элементы внешнего ориентирования левого снимка (2, 2, 2);

f1, f2 – фокусные расстояния левой и правой камер;

xo1, yo1 и xo2, yo2 – координаты главной точки левого и правого снимков соответственно;

BX, BY, BZ – проекции базиса на оси X, Y, Z.

Формулы (3) и (4) имеют указанный вид, так как в принятой внешней системе координат начало находится в точке фотографирования левого снимка S1, в следствие чего её кординаты (XS1, YS1, ZS1) равны нулю, а координаты точки S2 (XS2, YS2, ZS2) равны соответствующим проекциям базиса на оси X, Y, Z.

При этом задается начальная Z0А и диапазон возможных значений величин ZА. В случае, если X,Y полученной точки не соответствуют XA,YA более чем на 1 м (можно задать более жёсткие требования), выполняется повторное вычисление x1 y1.

Таким образом, обработка снимков осуществляется по известным из фотограмметрии зависимостям и включает:

– ввод в блок обработки данных из блока управления и снимков с фотокамер;

– вычисление составляющих ВX, ВY, ВZ базиса В по углам крена (пл), тангажа (пл) и курса (пл) платформы во вспомогательной системе координат S1XYZ, задаваемой инерциальной навигационной системой;

– вычисление координат XА, YА центра S0 подвижной платформы в системе координат S1XYZ;

– определение элементов взаимного ориентирования (1', 1', 2', 2', 2') снимков в базисной фотограмметрической системе координат S1X'Y'Z' (например, с применением автоматических алгоритмов, основанных на применении площадных корреляторов, реализованных в современных цифровых фотограмметрических станциях);

осуществляют переход к вспомогательной системе S1XYZ (вычисление элементов внешнего ориентирования снимков);

– после чего на левом и правом снимках по координатам XА, YА и приближенному значению высоты (ZA) полёта в системе координат S1XYZ вычисляют плоские координаты точки A на обоих снимках (x1, y1)A и (x2, y2)A для различных значений ZA и выполняют автоматизированный подбор значения аппликаты ZA, с максимальным значением функции площадной корреляции;

– по полученным величинам ZA и BZ вычисляется истинная высота h.

Альтернативным способом получения ZA может являться автоматическое построение цифровой модели рельефа (ЦМР) на территории между точками надирами n1 и n2 на левом и правом снимках с последующим определением по ней искомой величины.

Как уже было отмечено, устройство основано на совместном применении ИНС и пары неметрических фотокамер. Для синхронизации измерений ИНС и моментов получения снимков предлагается использовать автономный кодовый ГНСС-приёмник или информацию с установленной на платформе аппаратуры ГНСС. Запись данных ИНС и блока ГНСС и подачу команды фотографирования должно выполнять устройство управления – микрокомпьютер, устанавливаемый в капсуле платформы. Таким образом, устройство, реализующее описанный способ должно включать следующие блоки:

– две цифровые неметрические фотокамеры (предварительно откалиброванные в лабораторных условиях);

– блок ИНС (трёхосевой MEMS-гироскоп и трёхосевой акселерометр, компенсирующий его дрейф);

– блок управления – микрокомпьютер или портативный компьютер, ведущий запись информации с блока ИНС, посылающий камерам команду съёмки (сохраняя при этом метку времени её подачи), которая выполняется посредством исполнительных механизмов;

– блок ГНСС (автономный или в виде информации с внешнего устройства) для синхронизации отсчётов времени блоков ИНС и управления;

– блок обработки – персональный компьютер или ЦФС со специальным программным обеспечением для выполнения камеральной обработки данных съёмки.

Данную систему, учитывая конструктивные особенности платформ серии «Импульс-Аэро», предлагается размещать на платформе на жёстких креплениях, в соответствии с рисунком 2.

Рисунок 2 – Размещение блоков фотографического устройства на платформе Точность и достоверность определения h данным устройством зависела от следующих факторов (исследованных эмпирически и смоделированных теоретически): погрешности фотограмметрического метода (включающие дисторсию объективов фотокамер), погрешности блока ИНС; погрешности измерения базиса B на земле; погрешности угловой калибровки системы (наличие углов между начальным положением фотокамер и ИНС); деформации платформы;

асинхронность экспонирования фотокамерами; погрешности синхронизации системы по времени с другими элементами аэроэлектроразведочного комплекса.

С использованием ряда упрощений, была получена суммарная СКП mh, равная 0,052 м. Такая точность получена для короткофокусных неметрических камер. Для её получения необходимо обеспечить СКП определения углов посредством блоков ИНС и ГНСС mинс не грубее 0°35'; точность установки камер (калибровки системы) mA0 не хуже 1°; погрешность измерения базиса mB на земле не должна превышать 1,5 см. При расчётах не учитывалась асинхронность срабатывания камер, деформации платформы и погрешность в идентификации соответственных точек (считалась не грубее 1 пикселя).

Для каждого из перечисленных источников погрешностей была предложена модель, позволяющая минимизировать их влияние.

Также в разделе рассмотрено создание действующего прототипа устройства, определяющего истинную высоту h фотограмметрическим способом. Схема устройства с указанием элементной базы приведена на рисунке 3.

Блок обработки (ПК со специальным ПО – Equilibrium, PhotoMod, Correlator) Рисунок 3 – Схема разработанного рабочего прототипа устройства Макет устройства выполнял все необходимые функции для получения h в процессе аэрогеофизической съёмки. Запись данных с блока ИНС (MEMS-система MPU6050 из трёхосевого гироскопа и трёхосевого акселерометра), автономного блока ГНСС (кодовый приёмник uBlox Neo6N) и подачу команд съёмки на камеры выполнял микрокомпьютер Raspberry Pi. Выполнение команд производилось механическим способом с помощью исполнительных механизмов – миниатюрных сервомашин, управляемых микроконтроллерами. Передача команды от микрокомпьютера к исполнительным механизмам выполнялось посредством 15метровых кабелей.

Блок обработки действующего макета был представлен программами Equilibrium (разработка сотрудника ФГБОУ ВПО СГГА Никитина В. Н.), ЦФС PhotoMod 5 Lite и специально разработанная автором программа Correlator, выполняющая автоматический подбор ZA посредством площадного коррелятора.

Третий раздел диссертации посвящён экспериментальным исследованиям и практическим испытаниям разработанной методики. В силу комплексности исследований и проведённых работ, третий раздел разделялся на два больших подраздела:

– исследования ГНСС-аппаратуры и методов позиционирования;

– лабораторные исследования и практические испытания рабочего макета устройства, реализующего фотограмметрический способ определения истинной высоты.

Исследования ГНСС-аппаратуры проводились в первую очередь для выбора оптимального метода позиционирования. Особый интерес представлял метод PPP, о применении которого для навигационно-геодезического обеспечения геологогеофизических работ публикации отсутствовали.

При проведении испытаний использовалась аппаратура NovAtel DL-V3 и Leica Viva GS-10. Обработка результатов измерений производилась в программном комплексе ГНСС NovAtel WayPoint GrafNav. Эксперименты с аппаратурой ГНСС и методами позиционирования включали наземные и лётные испытания.

По результатам наземных экспериментов для получения методом PPP координат с СКП уровня первых дециметров (0,2–0,4 м) в плане и по высоте в режиме статики, необходимая продолжительность измерений должна составлять не менее 30–60 минут. При этом разности между решениями методом PPP по быстрым («Rapid», доступны в Интернете через сутки после сеанса измерений) и окончательных («Final», доступны через 14–21 сутки) файлам точных эфемерид и поправок к часам IGS составляют единицы сантиметров, что позволяет сделать вывод о том, что обработка может производиться по быстрым файлам поправок, доступным уже через сутки после проведения измерений.

При сравнении кинематических данных, обработанных методом PPP и относительным методом отклонения СКП, составили 0,3–0,5 м в плане и до 1 м по высоте (если принять измерения, обработанные относительным методом за истину).

Относительное положение антенн двух приёмников, являвшееся контрольной величиной при проведении кинематических испытаний, при обработке как относительным методом, так и PPP, сохранялось на уровне СКП 0,1–0,2 м, что позволило сделать вывод о применимости данного метода к геодезическому обеспечению аэрогеофизического комплекса.

В процессе лётных исследований были испытаны различные места установки антенн спутниковых приёмников. Разности при позиционировании платформы и вертолёта для соответствующих точек треков, полученных относительным методом и PPP, отличались между собой на 0,2–0,3 м в плане и по высоте (при базовых линиях, не превышающих 50 км).

По результатам выполненных работ были сделаны следующие выводы:

– метод PPP чувствителен к срывам в наблюдении фазовых циклов, что сделало наиболее эффективным комбинирование методов относительного позиционирования (для обработки кинематических треков) и PPP (для получения координат базовой станции);

– решения, получаемые методом PPP, могут использоваться при наличии сбоев в работе базовой станции с обеспечением необходимой точности.

Следующим этапом экспериментов являлись лабораторные и лётные фотограмметрический способ получения истинной высоты.

Лабораторные исследования включали в себя определение задержек от подачи команды блоком управления на фотокамеры до выполнения экспонирования tкам1 и tкам2 и наземный эксперимент, имитирующий аэросъёмку.

Полученные фотографированием тестового стенда величины tкам1 и tкам составили 496,9 мс и 524,4 мс, однако в работе обеих камер имелась нестабильность от 50 до 100 мс, связаная с неустойчивой работой сервомашин вследствие значительного сопротивления 15-метровых кабелей связи.

Целью следующего наземного эксперимента являлась оценка точности предложенного способа фотограмметрической обработки.

При проведении эксперимента имитировались условия летных работ в статике на земле. Эксперимент подразумевал имитацию съёмки земной поверхности при различных углах наклона платформы.

По измерениям девяти замаркированных точек была получена СКП определения расстояния до них 0,024 м, что соответствовало погрешности 0,12 м в реальных условиях (без учёта асинхронности камер и деформации платформы).

Летные испытания макета устройства, реализующего фотограмметрический способ получения высоты, показали, что в целом инженерные и теоретические решения, применяемые при его создании, позволяют получать непрерывные решения с частотой до 2 с (масштаб съёмки до 1 : 10 000).

Всего было исследовано восемь стереопар, полученных при разных углах наклона платформы на различных высотах полёта. Также отличалась степень залесённости участков, отображённых на снимках – от густого леса с просветами между деревьями менее 1 м до лугов с отдельно стоящими деревьями.

Наличие на местности плотного смешанного леса создавало большие трудности в идентификации соответственных точек, необходимых как для выполнения взаимного ориентирования, так и для поиска аппликаты ZА определяемой точки. На снимках, полученных над слабозалесенной (I-II категории сложности) местностью, в специально разработанной программе, корреляция была получена достаточно надежно (рисунок 4). Так как снимки трансформированы по элементам взаимного ориентирования от ZA (а значит и h) зависела величина только продольного параллакса p, перебор которой выполнялся по формуле (3).

Для такой территории наиболее эффективно использовать площади корреляции от 100100 пикселей до 200200. При наличии деревьев (50 % площади снимка и более, III-V категории сложности), рекомендуется использовать ручной режим обработки.

Рисунок 4 – Автоматическое определение истинной высоты платформы и графики зависимости коэффициента корреляции от подбираемого значения высоты Результаты обработки фотоснимков разработанным методом в сравнении с другими, используемыми ранее, показаны в таблице 2.

Таблица 2 – Определение истинной высоты h по выбранным стереопарам стереопары Фотограмметрический способ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате диссертационной работы был выполнен ряд теоретических и практических задач:

аэрогеофизических исследований, исследованы навигационные и геодезические параметры аэрогеофизического комплекса и требования к точности их определения.

Разработан фотограмметрический способ определения истинной высоты с помощью синхронной съёмки парой неметрических фотокамер и измерений инерциальной навигационной системой. Рассмотрена математическая модель способа, предложены алгоритмы вычислений.

Предложено устройство, реализующее данный способ, выполнен предрасчёт точности, смоделированы погрешности, вносимые различными факторами, разработан алгоритм работ с данным устройством, предложены пути дальнейшего совершенствования.

Усовершенствована методика навигационно-геодезического обеспечения многометодных аэрогеофизических исследований с использованием многометодного аэроэлектромагнитного комплекса с выносной приёмногенераторной конструкцией с использованием разработанного способа и устройства.

Получена точность порядка единиц сантиметров для статики методом PPP и первых дециметров – для кинематики (при этом результаты измерений относительным методом применялись за истинные значения), предолжено применение метода в комплексной методике.

Создан действующий макет устройства, реализующего фотограмметрический способ определения истинной высоты. Выполнены лабораторные исследования и практические испытания действующего макета разработанного устройства, в результате которых были получены истинные высоты выносной платформы.

Разработанная методика может применяться для навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических исследований, а предложенные способ и устройство – для определения истинной высоты подвижных объектов, в том числе электромагнитной измерительной платформы.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ

аэроэлектромагнитных исследований с подвесной вертолётной платформой [Текст] // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. – 2012. – № 2. – С. 72–75.

Навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических исследований [Текст] / Г. М. Тригубович, С. О. Шевчук, А. А. Белая [и др.] // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. – 2013. – № 2. – C.61–69.

Кузин, В. И. Фотограмметрический способ и устройство для определения истинной высоты выносной вертолётной платформы аэрогеофизического комплекса «Импульс-Аэро» [Текст] / В. И. Кузин, С. О. Шевчук, В. Н. Никитин // Изв. вузов.

Геодезия и аэрофотосъёмка. – 2013. – № 4/С. – С. 86–92.

Пат. 2508525 Российская Федерация МПК51 GO1C 11/04 GO1V 3/ Фотограмметрический способ определения превышений подвижного объекта над земной поверхностью и устройство для аэрогеофизической разведки, реализующее его [Текст] С. О. Шевчук, В. Н. Никитин, С. В. Барсуков; заявители и патентообладатели: Федеральное Государственное Унитарное Предприятие «Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья», Общество с ограниченной ответственностью Геофизическое предприятие «Сибгеотех». – 2012139733; заявл. 17.09.2012; опубл. 27.02.2014 – Бюл. № 6. – 11 с.

Навигационно-геодезическое обеспечение геолого-геофизических работ с использованием глобальных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS [Текст] / А. Г. Прихода, А. П. Лапко, Г. И. Мальцев, С. О. Шевчук // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19–29 апреля 2011 г.).

– Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 2. – С. 174–180.

Шевчук, С. О. Исследование метода точного точечного позиционирования для геодезического обеспечения геолого-геофизических работ [Текст] / С. О. Шевчук // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. :

Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» :

сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 1020 апреля 2012 г.). Новосибирск: СГГА, 2012. Т.2. – С. 251–258.

Шевчук, С.О. Применение метода точного точечного позиционирования (PPP) для геодезического обеспечения аэроэлектроразведочных работ [Текст] / С. О. Шевчук, Н. С. Косарев // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч.

конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 1020 апреля 2012 г.).

Новосибирск: СГГА, 2012. Т.2. – С. 239–244.

Шевчук, С. О. Фотограмметрический способ получения истинной высоты выносной вертолётной платформы [Текст] / С. О. Шевчук, В. Н. Никитин // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII междунар. науч. конгр. 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск: сб. молодых ученых СГГА. – Новосибирск : СГГА, 2012. – С. 96–101.

Шевчук, С. О. Способы определения истинной высоты аэрогеофизической вертолётной электроразведочной платформы [Текст] / С. О. Шевчук, В. Н. Никитин // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IХ Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч.

конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, апреля 2013 г.). Новосибирск: СГГА, 2013. Т.1. – С. 74–82.

10 Шевчук, С. О. Факторы, влияющие на точность определения истинной высоты выносной вертолётной платформы аэрогеофизического комплекса «Импульс-Аэро» [Текст] // Вестник СГГА. – 2013. – Вып. (23). – С. 34–46.

11 Шевчук, С.О [Текст] Алгоритм определения пространственных углов аэрогеофизической платформы/ С.О. Шевчук, Н.С. Косарев // Вестник СГГА – 2013.

– Вып. (24). – С. 37–47.