ВКР: Оценка точности и практичности gnss-rtk и беспилотной фотограмметрии для кадастрового обеспечения горного карьера

Содержание

ВВЕДЕНИЕ. 3

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.. 14

1.1 Нормативно-правовое и техническое регулирование кадастровых работ на землях промышленности и горных отводах. 14

1.2 Теоретические основы методов сбора пространственных данных для кадастрового обеспечения горных карьеров. 28

1.3 Анализ современных исследований в области точности GNSS и БПЛА-съёмки (2020–2025 гг.) 45

1.4 Выводы по главе 1. Обоснование гипотезы исследования. 57

ГЛАВА 2. ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.. 67

2.1 Характеристика объекта исследований – АО «Угловский известковый комбинат» 67

2.2 Цель и задачи работы.. 73

2.3 Методика полевых экспериментальных работ. 80

2.4 Методика камеральной обработки и оценки точности. 89

2.5 Блок-схема исследования. 98

2.6 Выводы по главе 2. 106

ГЛАВА 3. НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ. 111

3.1 Результаты создания и уравнивания планово-высотного обоснования. 111

3.2 Анализ точности определения координат методом GNSS-RTK.. 118

3.3 Результаты фотограмметрической обработки материалов БПЛА-съёмки 125

3.4 Сравнительный анализ точностных и эксплуатационных характеристик методов 131

3.5 Выводы по главе 3. 139

ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. 143

4.1 Разработка регламента комбинированной съёмки для кадастрового обеспечения карьеров. 143

4.2 Практические рекомендации по выбору технологии в зависимости от вида кадастровых работ. 149

4.3 Оценка эффективности предложенных технологических решений. 157

Выводы по главе 4. 164

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 168

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. 172

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития земельно-имущественных отношений и государственного кадастрового учёта характеризуется масштабной цифровой трансформацией, внедрением технологий автоматизированного сбора пространственных данных и переходом к ведению Единого государственного реестра недвижимости в трёхмерном формате. В этих условиях требования к оперативности, точности и полноте кадастровых сведений неуклонно возрастают. Земельные участки, предоставленные для пользования недрами, и сопряжённые с ними объекты горнопромышленного комплекса представляют собой одну из наиболее сложных категорий объектов кадастрового учёта. Специфика таких территорий заключается в динамичности изменений их границ и рельефа, наличии глубоких выработок, отвалов, хвостохранилищ, технологических дорог и инфраструктурных сооружений, что требует регулярного обновления картографо-геодезических материалов с точностью, обеспечивающей достоверное определение площади, объёма и местоположения недвижимости.

Актуальность настоящего исследования обусловлена совокупностью взаимосвязанных факторов нормативного, технологического, отраслевого и методического характера. В нормативно-правовой сфере ключевым событием последних лет стало вступление в силу приказа Росреестра № П/0393 от 23 октября 2020 года, которым утверждены требования к точности и методам определения координат характерных точек границ земельных участков, контуров зданий, сооружений и объектов незавершённого строительства. Указанный документ установил дифференцированные значения средней квадратической погрешности в зависимости от категории земель и вида объекта недвижимости. Для земель промышленности и иного специального назначения, к которым относятся горные отводы и прилегающие территории перерабатывающих производств, допуск составляет 0,1 метра и менее. Одновременно с этим действующее законодательство о недрах (Закон РФ № 2395-1 «О недрах») предписывает недропользователям вести маркшейдерский учёт состояния и движения запасов полезных ископаемых, что также базируется на высокоточных координатных данных. Следовательно, кадастровая деятельность на объектах горного комплекса должна обеспечивать точность, сопоставимую с маркшейдерскими измерениями, при этом соблюдая требования земельного законодательства и сохраняя экономическую целесообразность работ.

С технологической точки зрения актуальность работы определяется кардинальными изменениями в парке геодезического оборудования и программного обеспечения, произошедшими в 2020–2025 годах. Глобальные навигационные спутниковые системы перешли в фазу полномасштабного использования многочастотных многосистемных приёмников, поддерживающих все функционирующие созвездия (ГЛОНАСС, GPS, BeiDou, Galileo). Режим кинематики реального времени (Real Time Kinematic, RTK) стал стандартом де-факто для большинства кадастровых работ благодаря высокой производительности и немедленному получению координат в полевых условиях. Параллельно с этим произошла демократизация беспилотных летательных аппаратов: воздушные суда вертолётного и самолётного типа, оснащённые высококачественными цифровыми камерами и встроенными GNSS-приёмниками с поддержкой RTK и постобработки кинематики (Post Processing Kinematic, PPK), стали доступны широкому кругу кадастровых инженеров и геодезических организаций. Данные обстоятельства сформировали ситуацию выбора: классическая тахеометрическая съёмка, занимавшая десятилетиями доминирующее положение при кадастровых работах на сложных объектах, сегодня уступает место более производительным технологиям. Однако если для съёмки равнинных территорий населённых пунктов и сельскохозяйственных земель методики применения GNSS-RTK и БПЛА-фотограмметрии достаточно проработаны и стандартизированы, то для условий действующего карьера, где сочетаются затенение спутникового горизонта, интенсивное движение техники, запылённость атмосферы и значительные перепады высот, отсутствуют унифицированные подходы к выбору оптимального метода съёмки в кадастровых целях.

Отраслевая актуальность непосредственно связана с местом и ролью горнодобывающей промышленности в экономике Российской Федерации. Страна располагает одними из крупнейших в мире разведанных запасов полезных ископаемых, а разработка месторождений осуществляется на значительных площадях, преимущественно открытым способом. Каждый карьер, разрез или прииск является одновременно объектом недропользования и сложным земельно-имущественным комплексом, включающим множество учтённых и подлежащих учёту объектов недвижимости: горные отводы, земельные участки под технологическими площадками, здания дробильно-сортировочных фабрик, административно-бытовые корпуса, линейные объекты транспортной и инженерной инфраструктуры. В условиях действующего производства доступ к границам и контурам для выполнения геодезических измерений зачастую ограничен, а сроки выполнения кадастровых работ жёстко регламентированы производственными планами горных предприятий. Следовательно, востребованы методики, позволяющие минимизировать присутствие человека в опасной зоне, сократить время полевых измерений и одновременно гарантировать метрологическую прослеживаемость результатов до государственных геодезических сетей.

Региональный аспект актуальности определяется выбором в качестве объекта исследования территории АО «Угловский известковый комбинат», расположенного в Окуловском районе Новгородской области. Данное предприятие имеет многолетнюю историю непрерывной деятельности с 1879 года, характеризуется сложившейся инфраструктурой, значительной глубиной карьера и наличием как действующих, так и рекультивируемых участков горных работ. Северо-Западный федеральный округ традиционно является регионом концентрации горнорудных и нерудных производств, при этом вопросы кадастрового обеспечения таких объектов в условиях умеренно-континентального климата, пересечённого рельефа и ограниченного безморозного периода для полевых работ стоят особенно остро. Полученные в ходе исследования результаты и разработанные рекомендации могут быть масштабированы на аналогичные предприятия не только Новгородской, но и Ленинградской, Мурманской, Архангельской областей, Республики Карелия и других регионов с развитой минерально-сырьевой базой.

Методическая актуальность работы заключается в необходимости преодоления разрыва между производственными инструкциями, ориентированными преимущественно на традиционные методы съёмок, и современными технологическими возможностями. Действующие своды правил, в частности СП 126.13330.2017, регламентируют выполнение геодезических работ в строительстве, но не содержат детализированных алгоритмов применения GNSS-RTK и БПЛА-фотограмметрии именно для кадастрового обеспечения эксплуатации горных предприятий. Государственные стандарты, такие как ГОСТ Р 59328-2021 и ГОСТ Р 59562-2021, устанавливают общие требования к аэрофототопографической съёмке и созданию ортофотопланов, но оставляют открытыми вопросы адаптации этих требований к условиям карьеров, где сочетаются перепады высот в десятки метров и необходимость идентификации кадастровых границ на местности. Таким образом, существует объективная потребность в проведении прикладного исследования, которое на конкретном производственном объекте выполнит прямое сравнение двух технологий — GNSS-RTK и беспилотной фотограмметрии — по единым критериям точности и практичности с последующей выработкой применимых в повседневной деятельности кадастрового инженера рекомендаций.

Научно-теоретическая актуальность подкрепляется анализом современных публикаций, выполненным в рамках подготовки настоящей работы. В отечественных и зарубежных источниках 2020–2025 годов широко освещены вопросы точности фотограмметрической обработки материалов БПЛА-съёмок, исследовано влияние количества и конфигурации наземных опорных точек на результирующую погрешность построения ортофотопланов и цифровых моделей рельефа, выполнены оценки точности GNSS-RTK измерений на открытых и застроенных территориях. Однако подавляющее большинство исследований либо рассматривают каждый метод изолированно, либо сосредоточены на маркшейдерских задачах подсчёта объёмов горной массы, оставляя без должного внимания именно кадастровый аспект — определение местоположения границ землепользований, контуров объектов капитального строительства и линейных сооружений с точностью, позволяющей подготовить межевой или технический план. Работы, в которых на одном объекте, с единой опорной геодезической сетью и по унифицированной методике оценивается пригодность GNSS-RTK и БПЛА-фотограмметрии для целей государственного кадастрового учёта объектов горнопромышленного комплекса, в доступной литературе отсутствуют. Данное обстоятельство определяет научную новизну и теоретическую значимость представляемого исследования.

Целью выпускной квалификационной работы является количественная оценка точностных характеристик и эксплуатационных параметров двух технологий сбора пространственных данных — спутникового геодезического позиционирования в режиме реального времени и беспилотной аэрофотограмметрии — и разработка на основе сравнительного анализа научно обоснованных рекомендаций по их применению для кадастрового обеспечения горных карьеров на примере АО «Угловский известковый комбинат».

Достижение поставленной цели требует последовательного решения совокупности взаимосвязанных исследовательских задач:

1. Выполнить анализ нормативно-правовых актов, технических регламентов и стандартов, устанавливающих требования к точности и методам определения координат объектов недвижимости, расположенных на землях промышленности и горных отводах, с особым вниманием к допускам средней квадратической погрешности и правилам оформления результатов геодезических измерений в кадастровой деятельности.

2. Провести систематизацию и критический обзор отечественных и зарубежных научно-технических публикаций за период 2020–2025 годов, посвящённых исследованию точности GNSS-RTK измерений в условиях сложного рельефа и затенения спутникового горизонта, а также оценке метрологических характеристик беспилотной фотограмметрии при различной конфигурации наземного опорного обоснования.

3. Охарактеризовать объект исследования — действующий горный карьер АО «Угловский известковый комбинат» — как специфический объект кадастрового учёта, выделить факторы, влияющие на выбор технологии съёмки: морфометрические параметры, наличие помех спутниковым наблюдениям, требования промышленной безопасности и производственные ограничения.

4. Разработать и реализовать методику экспериментальных полевых работ, включающую:

— создание планово-высотного обоснования методом статических спутниковых наблюдений с последующим постобработкой и уравниванием;

— выполнение детальной съёмки характерных точек границ, контуров и инфраструктурных объектов методом GNSS-RTK;

— планирование и реализацию полётного задания для беспилотного летательного аппарата с обеспечением требуемых параметров перекрытия снимков и пространственного разрешения;

— закладку и координирование наземных опорных и контрольных точек, необходимых для последующей фотограмметрической обработки и независимой оценки точности.

5. Осуществить камеральную обработку полученных полевых материалов:

— выполнить постобработку и уравнивание GNSS-измерений в специализированном программном обеспечении;

— провести фотограмметрическую обработку массива аэрофотоснимков методом Structure from Motion с построением плотного облака точек, цифровой модели рельефа и ортофотоплана;

— произвести векторизацию контуров объектов по ортофотоплану.

6. Произвести сравнительную оценку точностных характеристик двух методов на основе:

— расчёта средней квадратической погрешности определения плановых координат характерных точек по контрольным измерениям;

— расчёта средней квадратической погрешности определения высот (отметок рельефа) по цифровой модели рельефа в сопоставлении с контрольными точками;

— анализа распределения погрешностей, выявления систематической и случайной составляющих.

7. Выполнить сравнительный анализ эксплуатационных характеристик (практичности) методов по критериям:

— продолжительность полевых работ в человеко-часах;

— продолжительность камеральной обработки;

— требования к квалификации персонала и сложность оборудования;

— зависимость от погодных условий и условий освещённости;

— зависимость от условий спутниковой видимости и радиопомех;

— безопасность выполнения работ на действующем производственном объекте;

— стоимость единицы площади съёмки и удельные затраты на один определяемый объект.

8. Разработать технологическую схему комбинированного применения GNSS-RTK и беспилотной фотограмметрии при выполнении кадастровых работ на объектах горного отвода, обосновать критерии выбора оптимального метода в зависимости от вида кадастровых работ, класса объекта, требуемой точности и производственных ограничений.

9. Сформулировать практические рекомендации для кадастровых инженеров, геодезических служб горнодобывающих предприятий и специализированных изыскательских организаций по внедрению разработанной методики в производственную деятельность.

Объектом исследования выступает территория горного карьера и сопряжённых промышленных объектов Акционерного общества «Угловский известковый комбинат», расположенного в посёлке Угловка Окуловского района Новгородской области. Объект включает действующий участок открытых горных работ по добыче известняка, отвалы вскрышных пород, технологические автодороги, площадки дробильно-сортировочного комплекса, объекты складского хозяйства и административно-бытовую зону. Выбор объекта обусловлен его типичностью для горнорудной промышленности Северо-Запада России, наличием всего спектра условий, осложняющих геодезические измерения: значительные перепады высот (до 50 метров), наличие металлизированных бортов карьера, интенсивное движение крупнотоннажной техники, сочетание открытых и частично затенённых участков.

Предметом исследования являются точностные характеристики и практическая реализуемость двух методов сбора пространственных данных:

— метода спутникового позиционирования в режиме реального времени (GNSS-RTK);

— метода беспилотной фотограмметрии с использованием беспилотного летательного аппарата, оснащённого цифровой камерой и приёмником спутниковых сигналов с поддержкой постобработки кинематики (PPK).

В предметную область также включены методологические аспекты организации измерений, методики оценки погрешностей, критерии сравнения технологий и процедуры интеграции результатов в кадастровую документацию.

Методологическая основа и методы исследования. Теоретико-методологическую базу работы составляют фундаментальные и прикладные положения инженерной геодезии, фотограмметрии, теории математической обработки геодезических измерений, а также законодательные и нормативно-технические акты в сфере кадастровой деятельности и недропользования. В процессе выполнения исследования применён комплекс взаимодополняющих методов:

1. Методы теоретического анализа: системный анализ нормативных документов; контент-анализ научных публикаций; сравнительно-сопоставительный метод при изучении отечественного и зарубежного опыта; классификация и типологизация факторов, влияющих на точность измерений.

2. Эмпирические методы: натурное геодезическое инструментальное обследование территории карьера; полевые спутниковые наблюдения в статическом и кинематическом режимах; беспилотная аэрофотосъёмка с применением БПЛА самолётного типа; фотограмметрическая обработка снимков с построением трёхмерных моделей местности.

3. Математико-статистические методы: уравнивание геодезических построений методом наименьших квадратов; расчёт средних квадратических погрешностей; корреляционный анализ; оценка статистической значимости различий точностных показателей; аппроксимация зависимостей погрешностей от внешних факторов.

4. Геоинформационные методы: пространственный анализ в среде ГИС; совместная обработка растровых и векторных данных; геокодирование и трансформирование координат между системами; визуализация распределения погрешностей в виде картограмм.

5. Методы экономико-статистического анализа: хронометраж трудовых операций; калькуляция затрат рабочего времени; сравнительный анализ удельной стоимости работ при различных технологических схемах.

Инструментальная база исследования. Для достижения поставленной цели использовалось следующее оборудование и программное обеспечение:

— двухчастотные многосистемные GNSS-приёмники, поддерживающие приём сигналов ГЛОНАСС, GPS, BeiDou, Galileo с функцией RTK и возможностью постобработки;

— беспилотный летательный аппарат самолётного типа с интегрированным GNSS-приёмником, поддерживающим режимы RTK и PPK, и цифровой фотокамерой с матрицей не менее 20 Мп;

— программный комплекс для постобработки спутниковых наблюдений и уравнивания геодезических сетей;

— программный комплекс фотограмметрической обработки, реализующий алгоритмы Structure from Motion и Multi-View Stereo;

— геоинформационная система для пространственного анализа и картографирования;

— электронные таблицы и пакеты статистической обработки данных.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается:

— использованием метрологически аттестованного геодезического оборудования, прошедшего поверку в установленном порядке;

— применением апробированных и стандартизированных методик выполнения спутниковых и фотограмметрических измерений;

— статистически значимым объёмом выборок контрольных измерений (не менее 50 точек для каждого метода);

— сопоставлением полученных результатов с данными независимых контрольных измерений;

— непротиворечивостью полученных выводов фундаментальным положениям теории геодезии и фотограмметрии;

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии на всех этапах исследовательского процесса: от постановки цели и задач, анализа литературных источников и нормативных документов до выполнения полевых геодезических измерений, камеральной обработки данных, интерпретации полученных результатов и формулирования выводов.

Структура и объём выпускной квалификационной работы. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Логика построения работы отражает последовательность решения поставленных задач: от анализа состояния вопроса и нормативно-правовой базы через разработку методики эксперимента к получению и интерпретации собственных результатов, завершаясь формированием технологических решений и практических рекомендаций.

Объём и структура работы полностью соответствуют требованиям методических указаний по подготовке выпускных квалификационных работ по направлению 21.03.02 «Землеустройство и кадастр», реализуемых кафедрой геосистем и технологий дистанционного зондирования Политехнического института Новгородского государственного университета имени Ярослава Мудрого.