Опыт организации бюджетной топографической аэрофотосъемки в условиях полевой экспедиции средствами любительского БПЛА DJI Phantom 3 Advanced

Эта страница является черновиком статьи.

Возможности DJI Phantom 3 Advanced, организация работы с ним в поле, результаты съемки в различных условиях, последствия падений и неприятных случаев

Сегодня всё большую и большую востребованность в науках о Земле (и не только) приобретают методы аэрофотосъемки с беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). В статье описываются впечатления от применения любительского аппарата DJI Phantom 3 Advanced в условиях полевой экспедиции человеком с полным отсутствием опыта работы с беспилотниками. Если вам страшно нужна аэрофотосъемка, а на всё про всё есть только 1000$ и день на раздумья - что можно получить от DJI? Что можно ожидать от штатной камеры, насколько приемлемыми оказываются результаты, как они зависят от погодных условий, как организовать работу вдали от цивилизации?

Надеюсь, эта дилетантская статья поможет вам либо решиться на использование дешёвого квадрокоптера для организации аэрофотосъёмки в условиях полного отсутствия финансирования, либо навсегда отказаться от этой идеи.

Введение

В последние несколько лет автор этого текста каждый июль-август руководит геодезическими изысканиями в рамках Северо-Западной экспедиции государственного Эрмитажа, которая проводится в Смоленской области, в районе воссоединения реки Сертейки с Западной Двиной. Готовясь в штатном режиме к экспедиции в этот раз, собирая там и сям тахеометры, наборы базовых станций/роверов и набирая группу волонтёров, за пару дней до отправления в дорогу я получил просьбу организовать параллельно основной работе топографическую аэрофотосъемку полигона. Экспедиция сама по себе археологическая, с проведением геологических, геоботанических, геодезических и прочих изысканий, и от аэрофотосъемки они ждали приличных ортофотопланов и цифровых моделей местности. Думаю, никого в нашей стране не удивит то обстоятельство, что никогда до этого дела с БПЛА и аэрофотосъемкой я не имел (кроме теоретических знаний фотограмметрии), а никакого беспилотника в распоряжении экспедиции не было. Никто из коллег, работающих с аэрофотосъемкой, за такой короткий срок и забесплатно, естественно, не откликнулся. Заглянув в кошелёк я обнаружил там последнюю тысячу долларов, на которую мне и предстояло приобрести всё необходимое для организации работы.

При скоротечной подготовке мне очень не хватило какой-нибудь статьи, где был бы описан подобный опыт (хотя я знаю, что те же археологи из РАН такими вещами занимаются давно), чтобы было понятно, что можно выдавить из минимума денег и без предварительных умений, и стоит ли оно того. Так, по возвращению, появилась идея статьи этой. При всей ущербности и непрофессионализме описанных действий, в такие же обстоятельства в нашей стране попадают многие коллективы ежегодно - денег нет, специалистов нет, а снимать хочется.

Выбор квадрокоптера

Самая трудная задача возникла сразу же - выбрать правильный аппарат. Мои требования к нему были такими:

• Цена до 800$ (тут отсекаются все профессиональные аппараты);
• Приличная камера, в первую очередь для фотографирования в надир. Обязательно наличие бортового GPS и записи положения аппарата во время фотографирования в свойства фотографии;
• Возможность автоматической маршрутной съемки с заданным перекрытием фотоснимков;
• Надежность и низкий порог вхождения. Учить меня было некому;
• Возможность при необходимости таскать его на себе на 10-15 километров, т.е. адекватный вес, наличие удобных рюкзаков/кейсов;
• Хоть сколько-нибудь приличное время работы на одном заряде, возможность зарядки в полевых условиях.

Скажу честно - сначала хотелось сэкономить, взять noname-китайца с подходящими характеристиками и обойтись этим. Особенно долго я изучал материалы, связанные с Hubsan H109S X4 PRO, однако в конце концов отказался от этой затеи в силу противоречивых отзывов о надежности и вообще возможности стабильно летать. Кроме того, не было ясности с возможностью адекватной маршрутной съемки в надир на автопилоте (а это очень важно). С удовольствием бы почитал чей-нибудь опыт работы с ним - есть такие?

<картинка с хабсаном>

В какой-то момент ночного гугления стало понятно, что единственный не "кот в мешке" в данной ценовой категории это БПЛА из серии DJI Phantom 3. Их есть три разновидности - standard, advanced и professional, с приличными отличиями в цене. И если между advanced и professional драматических отличий вроде бы нет, то у standard, по сравнению с ними, есть один фатальный недостаток - связь с ним пульта управления осуществляется через wi-fi, со всеми вытекающими (связь до 500м). У более дорогих коллег для этих целей есть радиосвязь (до 2км, реально даже больше). Так и был выбран товарищ на ближайшее время - DJI Phantom 3 Advanced. Куплен он был за 53 тысячи рублей, в среднем в Петербурге цена на него гуляет от 55 до 75 тысяч рублей.

<картинка с фантомом>

Что нужно кроме самого аппарата

Одного квардакоптера не хватит для организации работы в поле, т.к. нужно обеспечить его транпортировку пешком и возможность зарядки в полевых условиях, т.к. потенциально каждый день до вечера, до возвращения в базовый лагерь, доступа к источникам электроэнергии не предвиделось. С первой задачей особенных проблем нет - можно для этой цели приспособить и обычный рюкзак, и коробку какую-нибудь поролоном набить и ручки приколотить, и так далее. Есть и большой выбор специально сделанных под фантом магазинных рюкзаков и кейсов. Лично мне достался рюкзак Skymec Case Bagpack, оставивший очень хорошие впечатления. В него помещается всё, что нужно для вылазки на полёт.

<картинка с рюкзаком>

Кейсы для поля, наверное, не очень подходят. Тяжеловаты и таскать не удобно. Это на случай поездок в поезде/самолёте на дальние расстояния.

Для решения второй задачи нужен электрогенератор. В идеале он должен быть лёгким, чтобы его можно было носить в пешие выходы, работать стабильно на сырье, которое точно есть (92й бензин), тянуть одновременную зарядку батареи квадракоптера, ноутбука и чем вы там ещё себя в поле собрались развлекать. Опыта работы с генераторами у меня также никакого не было. По весу и заявленным характеристикам выбрал инверторный генератор DDE DPG 1101i, который обошёлся в 6 тысяч рублей и оставил самые лучшие впечатления.

<картинка с генератором>

DJI Phantom 3 Advanced

Краткий обзор

Итак, что же за зверь такой этот Фантом? Очень симпатичный белый квадракоптер, оснащенный массой интересных вещей: бортовым GPS-приёмником, набором навигационных датчиков (акселерометр, гироскоп, барометр, ультразвуковой дальномер), родной камерой с трёхосевым подвесом, обеспечивающим хорошую стабилизацию, световыми индикаторами состояния и не менее симпатичным пультом. На пульте расположены главные органы управления (два рычага, управление камерой, кнопка включения, кнопка возвращения домой). К пульту цепляется android или ios устройство, с помощью которого осуществляется всё остальное взаимодействие. В интернете полно качественных обзоров (обязательно посмотрите пару перед решением о покупке), и я не буду тратить время на рассказ об общедоступных вещах. Только в разделе про эксплуатацию отмечу обнаруженные вещи, показавщиеся мне существенными.

В комплекте с аппаратом поставляются винты (8 штук, из них 4 запасных), мелкие детали для крепежа камеры. В дальнюю поездку имеет смысл взять ещё немного винтов и ещё крепежа.

Программное обеспечение для управления

Главная программа, управляющая фантомом - DJI GO. Она обеспечивает настройку квадракоптера, калибровку его навигационных устройств, вывод телеметрии, управление камерой и прочие вещи. Через неё же можно запускать любопытные режимы съемки: следуй за мной / follow me (аппарат будет двигаться за вами, сохраняя дистанцию и угол съемки), точка интереса / point of interest (аппарат кружится вокруг выбранной точки, снимая её с разных ракурсов), путевые точки / waypoints (предварительный выбор точек съемки на карте). На официальном youtube-канале DJI можно найти хорошие ролики про функциональность этой программы и её особенности.

<картинка с DJI GO>

Однако самого главного для нас она не умеет - съемки заданной площади с заданным перекрытием фотоснимков. Очевидно, что летать и щёлкать вручную с выдерживанием всех нужных условий полёта не очень-то здорово. Здесь появляются ещё две программы, на этот раз сторонних: DroneDeploy и Pix4D Capture.

<картинка с Pix4D>

Они обе позволяют на картографической подложке обозначить территорию интереса, выбрать высоту полёта, процент продольного и поперечного перекрытия фотоснимков и запустить процесс автоматической съемки. Буквально, аппарат сам взлетит, сам всё снимет по маршруту, и сам сядет. Впечатляет! С Pix4D у меня не заладилось - аппарат стабильно выходил на начальную точку маршрута, но начать снимать никак не мог. После нажатия на спуск затвора вручную он начинал лететь, но фотографировал только по нажатию на кнопку. Многочисленные эксперименты проблему не решили, поэтому в дальнейшем я работал с DroneDeploy. Особенности этого приложения описаны в разделе эксплуатация.

<картинка с DroneDeploy>

Эксплуатация

Повседневные заботы и впечатления

Итак, в течение недели мне предстояло проделывать некоторый ритуал - утром выезжать/выходить в поле и за день снимать столько, сколько успеется. С собой я носил следующий комплект:

• Рюкзак с Phantom'ом в комплекте с батареей, винтами, пультом, смартфоном, usb-проводом;
• Ещё один рюкзак с ноутбуком, на котором установлен нужный софт;
• Бензиновый электрогенератор, канистра бензина, бутылка масла, пустая бутылка для изготовления смеси;

<фото с комплектом>

В случае, когда все УАЗы экспедиции заняты, всё это было возможно переносить самостоятельно (рюкзак спереди, рюкзак сзади, в одной руке генератор, в другой канистра). Не очень удобно, но 6-8 километров без проклятий и ругани пройти оказалось возможно. А с ними и все 10 (пришлось лишь однажды). Ноутбук вещь опциональная, можно было и не брать. В общем, полная автономия возможна, и это хорошо!

Батарея у меня с собой была лишь одна, в силу нехватки средств, и это оказалось проблемой. По возможности лучше брать с собой 1-2 дополнительных батареи. Одна обойдётся вам в среднем в 15 тысяч рублей. Реально одной новой батареи хватало на 18-20 минут полёта, в которые входит калибровка и предполётная проверка двигателей, камеры. За один залёт на высоте 150 метров реально снималось 25-30 гектар территории, хотя некоторые утверждают о всех пятидесяти - приблизиться к этому значению не удалось. Полная зарядка батареи от бензинового электрогенератора, при её разрядке в среднем до 15%, стабильно занимала 1 час 20 минут. С учётом времени на подготовку и полёт, один цикл "зарядка - полёт", кроме первого за день (с целой батареей), занимал 2 часа, итого 5-6 полётов в сутки при удачной погоде. Это около 100 гектаров. При наличии дополнительных батарей процесс значительно ускорится. К примеру, имея 5 батарей можно обеспечить практически непрерывную съемку.

Особенности предполётной подготовки

Перед полётом нужно совершить несколько обрядов - снять фиксатор с камеры, прикрутить винты (их два типа - одни закручиваются по часовой стрелке, другие - против), после этого включить квадрокоптер и пульт, запустить приложение DJI Go и активировать калиброву компаса.

<фото с прикручиванием винтов>

Сразу же возникают нюансы. Первое - винты нужно прикручивать очень надежно и крепко. Проверять несколько раз. Если бы я следовал этой рекомендации сразу, раздела "Не падал, значит не летал" в этой статье бы не было. Второе - запустить приложение на Android-устройстве может быть не так тривиально, как хотелось бы. На моём устройстве приложение видело квадракоптер тогда и только тогда, когда оно запускалось путём его выбора из списка предложенных в момент подключения пульта к смартфону по usb. Судя по форумам, проблема не уникальная. Передать управление другому приложению можно было лишь выгрузив из памяти первое, физически вынув usb и вставив его обратно, чтобы появилось меню с выбором. Если вы случайно при выборе приложения нажали "использовать всегда", для ипользования нескольких программ придётся ползти в настройки и удалять использование приложения по умолчанию.

Данные

Здесь приведены примеры фотографий, сделанных со стандартной высоты 150 метров в различных погодных условиях (кликните для увеличения фотографии).

< солнечно, рассвет >

< солнечно, середина дня >

< солнечно, закат >

< пасмурно, без осадков >

< легкий дождь >

Фотографии в хорошую солнечную погоду получаются просто отличные, особенно для такой бюджетной камеры. По ним строятся очень качественные (относительно, конечно) ортофотопланы и модели. Однако в пасмурную погоду всё становится заметно хуже. Хотя даже по фотографиям, сделанным в условиях лёгкого дождя, строятся вполне применимые для стоящих задач материалы, это не совсем то, чего бы хотелось.

Обработка данных

Для фотограмметрической обработки данных сегодня существует масса открытого ПО.

Пример ортофотоплана и ЦММ

<ортофотоплан>

<ЦММ>

<3D модель>