Картографический дрон Phantom 4 RTK (P4RTK) длительное время оставался мощным и компактным решением для широкого спектра геодезических задач. Этот беспилотник стал своего рода легендой и позволил многим специалистам открыть для себя возможности, предоставляемые беспилотными технологиями. Однако, время не стоит на месте.

Сегодня на смену Phantom 4 RTK пришел ещё более компактных и эффективный беспилотник – Mavic 3E, относящийся к промышленной линии дронов Enterprise. В данной статье мы рассмотрим сравнительные характеристики Phantom 4RTK и Mavic 3 Enterprise.

Конструкционные особенности и дизайн

Конструкция и дизайн дронов M3E и P4RTK значительно отличаются.

Главным преимуществом для пользователя при работе в тяжелых природных условиях, например, в горной или на пересечённой местности, стала компактность дрона. Например, его легко можно положить к себе в сумку или портфель. Новый дрон Mavic 3E отличается значительно меньшим весом по сравнению P4RTK и имеет складную конструкцию. Кроме этого, для Mavic 3E не требуется установка пропеллеров перед каждым взлётом.

	Mavic 3 Enterprise	Phantom 4 RTK
Вес	915 г 935 г (с модулем RTK) Максимальная взлетная нагрузка: 1,050 г	1,391 г
Мобильность	Складной	Раскладывается
Длина диагонали	380 мм	350 мм
Пропеллер	Интегрирован с самолетом, съемный	Необходимо устанавливать каждый раз

Mavic 3E обладает большими возможностями кастомизации под задачи пользователя. Благодаря имеющимся порту PSDK и MSDK, на M3E можно установить полезную нагрузку весом до 130гр. Также DJI предоставляет дополнительные модули: громкоговоритель, RTK модуль и DJI Cellular Module. Это позволяет пользователям глубоко адаптировать дрон под свои задачи и не тратить ресурсы на дополнительные устройства и ПО.

По сравнению с Phantom 4 RTK в новом дроне Mavic 3 Enterprise увеличено время полёта при идеальных условиях до 42 мин с RTK модулем. Это позволяет повысить эффективность съемки. На практике эффективное время полёта ниже, чем заявляет производитель, но больше, чем у Р4RTK.

Помимо этого, М3Е расширяет условия эксплуатации дрона. Mavic 3 Enterprise более надежен благодаря улучшенной устойчивости к скорости ветра (12 м/с против 10 м/с у P4R). По тестам Aeromotus дрон Mavic 3 Enterprise превосходно справляется с полётами при скорости ветра выше максимально допустимой.

Также Mavic 3 Enterprise обладает более широким рабочим диапазоном температур от -10°C до 40°C против рабочего диапазона температур P4 RTK от 0°C до 40°C P4 RTK, а также является более маневренным дроном с увеличенной скоростью подъема и спуска.

В таблице ниже представлен обзор основных характеристик дронов.

	Mavic 3 Enterprise	Phantom 4 RTK
Максимальная скорость полета картографической миссии	15 м/с	13 м/с
Максимальная скорость подъема	6м/с (N режим) 8м/с (S режим)	6 м/с (полет по заданию) 5 м/с (полет вручную)
Максимальная скорость спуска	6 м/с	3м/с
Макс. сопротивление скорости ветра	12 м/с	10 м/с
Максимальное время полета	45 минут *42 минуты с модулем RTK	30 минут
Рабочая Температура	от -10°С до 40°С	от 0°С до 40°С
Максимальный потолок обслуживания над уровнем моря	6000 м	6000 м

Сравнение камер

Начнём с сухих цифр. Ниже представлена таблица, сравнивающая параметры двух камер М3Е и Р4RTK.

	Mavic 3 Enterprise	Phantom 4 RTK
Размер матрицы	4/3 дюйма	1 дюйм
Количество пикселей	20MP	20MP
Размер пикселя	3.3um	2.4um
Минимальный интервал фотографирования	0.7s	2.5s
Форматы съемки	JPEG/DNG(RAW)	JPEG
Максимальное разрешение снимков	5280 * 3956	5472 * 3648
360° Панорама	Поддерживается	Не поддерживается
Tele Camera	1/2-inch CMOS, 12MP, 7x-56x zoom	Не поддерживается

Первое, на что стоит обратить внимание – размер матрицы. Кто-бы что не говорил, размер матрицы – основной параметр, от которого зависит качества изображения.

M3Е имеет матрицу размером 4/3 дюйма. 1 дюймовые матрицы устанавливаются во все версии Р4RTK. По сути, микро 4/3 в два раза больше, чем 1 дюймовые матрицы и это четверть размера полнокадровой матрицы. Матрица такого размера устанавливается в беззеркальные камеры Olympus и Panasonic, а также в профессиональный дрон для кинематографических съемок – Inspire 2c x5.

Количество эффективных пикселей в камерах М3Е и P4RTK одинаково, но в камере М3Е за счёт большего размера матрицы увеличивается и размер отдельного пикселя (3.3um vs 2.4um), что даёт важнейшее преимущество в съёмке – большую светочувствительность матрицы. Кроме этого, Mavic 3 Enterprise также оснащен интеллектуальным режимом низкой освещенности. Высокая светочувствительность обеспечивает лучшую производительность при слабом освещении, снижение уровня шума, хороший динамический диапазон и возможность получения большего количества информации – главное преимущество для точной и эффективной аэрофотосъемки.

Второе главное преимущество это скорость фотографирования – 0,7с на M3E против 2,5с на Р4RTK. Камера на новом Mavic 3 Enterprise – абсолютный лидер в индустрии для компактных дронов (сравнить с AUTEL). Среди профессиональных дронов равная скорость затвора только у Р1 для М300RTK. Такая скорость затвора значительно увеличивает максимальную скорость, с которой может двигаться дрон, и соответственно увеличивает эффективность съемки. Так минимальная выдержка при использовании механического затвора составляет 1/2000 сек.

Далее в нашей статье мы подробно рассмотрим увеличение эффективности при использовании камеры на Mavic 3 Enterprise по сравнению камерой на Phantom 4RTK.

Говоря о выполнении фотограмметрических работ, стоит уделить внимание механическому затвору. Что это такое, и для чего он нужен.

В настоящее время все камеры используют два типа затворов: механический и электронный.

Механический затвор — это устройство, которое буквально перекрывает свет, который должен попасть на матрицу. В момент фотографирования затвор раскрывается на заданное время – выдержку, матрица единовременно считывает поступающий свет – получается фотография.

Электронный затвор — это технология, которая позволяет делать снимки без срабатывания механического затвора. Суть технологии в том, что матрица камеры включается и выключается в момент кадра.

Каждый тип затворов имеет ряд преимуществ и недостатков.

Например, электронные затворы бесшумные, у них более долгий срок службы – равный сроку службы матрицы. Электронные затворы позволяют снимать на крайне коротких выдержках (до 1/32000 с на некоторых цифровых камерах). Но у электронных затворов есть один недостаток – Rolling shutter, который критически снижает эффективность камер с электронным затвором для выполнения фотограмметрических работ.

Обычно электронные затворы фиксируют изображение построчно сверху-вниз. Таким образом, при движении в кадре матрица не успевает зафиксировать информацию со всего кадра, и на обработку подается лишь информация с нескольких строк. Тем временем объект в кадре уже изменил свое положение, соответственно, изменилось и его положение на матрице. Такое нескончаемое запаздывание матрицы за движением в кадре приводит к появлению Rolling shutter. Снимки подверженные данному эффекту невозможно использовать для целей фотограмметрии.

Электронный затвор (слева), механический затвор (справа)

DJI заявляет что срок службы затвора составляет от 200 000 тыс. снимков.

Последнее, на что хотелось бы обратить ваше внимание – наличие телекамеры в дроне. Камера имеет 1/2″ дюймовый сенсор в 12MP, эквивалент фокусного расстояния составляет 162 мм, у основной камеры эквивалент фокусного расстояния 24мм. На практике зум работает следующим образом: камера использует основную камеру для электронного зума в диапазоне 1х – 7х, далее дрон переходит на телекамеру, электронный зум может изменяться от 7х – 56х. Таким образом мы имеем 7кратный оптический зум и 56кратный гибридный зум.

Наличие телекамеры, помимо выполнения классических фотограмметрических работ, позволяет дрону и выполнять задачи, связанные с визуальным осмотром.

Визуальное обследование железных конструкций с помощью дрона

Безопасность

Для промышленных дронов важнейшей составляющей является безопасность. И DJI, безусловно, совершил революцию в системах безопасности при создании М3Е.

Система безопасности Phantom 4 RTK состоит из следующих систем: спереди, сзади и снизу установлены стереоскопические датчики препятствий (стереопары), внизу также расположен ультразвуковой сенсор и боковые инфракрасные датчики. Подробное расположение датчиков можете увидеть на изображениях ниже.

Несмотря на то, что система обнаружения препятствий хорошо себя зарекомендовала и позволяет выполнять безопасные полёты, она имеет большое количество слепых зон. А именно, боковые инфракрасные датчики имеют небольшую дистанцию обнаружения и работают только в режиме новичка или Т-режиме. Таким образом, при выполнении промышленных задач работают только стереоскопические датчики спереди, сзади и снизу.

В системе обнаружения препятствий М3Е нет слепых зон. Она состоит из стереоскопических и инфракрасных датчиков.

Система датчиков включает себя:

Передние стереоскопические датчики:

Диапазон обнаружения препятствий: 0.5-20 м; FOV: 90° (горизонтальный), 103° (вертикальный)

Задние стереоскопические датчики:

Диапазон обнаружения препятствий: 0.5-16 м; FOV: 90° (горизонтальный), 103° (вертикальный)

Боковые стереоскопические датчики:

Диапазон обнаружения препятствий: 0.5-25 м; FOV: 90° (горизонтальный), 85° (вертикальный)

Верхние стереоскопические датчики:

Диапазон обнаружения препятствий: 0.2-10 м; FOV: 100° (вперёд – назад), 90° (влево-вправо)

Нижние стереоскопические датчики:

Диапазон обнаружения препятствий: 0.3-18 м; FOV: 130° (вперёд – назад), 160° (влево-вправо)

Нижние датчики лучше всего работают, когда высота дрона составляет от 0.5 до 30 м.

Помимо существенного повышения безопасности за счёт отсутствия слепых зон, данный набор датчиков и другое аппаратное обеспечение позволяет создать программные инструменты, повышающие безопасность и эффективность полётов.

Так, в дроне присутствует система APAS 5.0, которая во время полёта позволяет не останавливаться, а автоматически облетать препятствия, встречающиеся на пути маршрута дрона.

Также появился расширенный режим возврата домой (RTH). Он позволяет выполнить возврат оборудования по оптимальной траектории без классического поднятия дрона на заданную пользователем высоту.

Также в дроне присутствует новая система связи O3 ENTERPRISE TRANSMISSION. Она состоит из 4-х антенн, каждая из которых работает на приём, а две из них являются также передающими. DJI заявляет максимальную дистанцию связи для M3E (СЕ) – 8 км, для Р4RTK (СЕ) – 5км.

Рассмотрим дальность передачи сигнала в разных условиях на Mavic 3 Enterprise:

Новая система связи позволяет передавать видео поток на экран 1080р разрешением в 30fps.

Высокое разрешение видеопотока с дрона + устойчивость сигнала – одна из важнейших систем безопасности при выполнении инспекционных задач при выполнении полётов в сложной местности (лес, городская застройка, ЛЭП, промышленные предприятия и т.д).

Программные особенности

Конструкционные особенности дрона позволяют реализовать большое количество программных функций, которые выводят М3Е на новый уровень. Наиболее полезной из них я считаю, новый режим «Полёт по рельефу». Этот режим позволяет производить полёты по рельефу в реальном времени.

Давайте рассмотрим, какими методами выполняли полётные задания по рельефу ранее. Для того, чтобы выполнить полёт, пользователям приходилось совершать большое количество действий.

Нужно было скачать модель рельефа со сторонних источников, например SRTM или ASTER DEM; при необходимости, сконвертировать модель в нужный формат, загрузить модель на полётный контроллер и, после этого, построить полётное задание. В альтернативном случае вы могли бы воспользоваться сторонним ПО (зачастую платным), чтобы построить полёт по рельефу. К сожалению, некоторые сценарии, открытые DEM, могут не отвечают требованиям по плановой точности и разрешению модели. Наиболее популярные SRTM и ASTER DEМ имеют разрешение 30м на пиксель и плановую точность в районе 10 – 20м. При выполнении съёмки в местах со «свежим» рельефом, который ещё не присутствует на открытых моделях, пользователям приходилось строить DEM самостоятельно – вычислять полёты в рабочей области на безопасной высоте, производить обработку данных, строить DEM, загружать в контроллер и только после этого выполнять работы. Безусловно, такой алгоритм значительно снижал производительность съемок.

Новая функция использует передние и нижние стереоскопические датчики и мощный процессор дрона для построения модели рельефа в реальном времени. Данная функция работает в диапазоне от 30 до 200 м – этот диапазон высот закрывает большинство задач, для которых разрабатывался дрон.

С новым обновлением Pilot 2 данная функция поддерживается в следующих режимах: Картография, Линейная миссия и Smart oblique capture.

Естественно, присутствуют некоторые ограничения использования данной функции, а именно:

Помимо режима “полёта по рельефу в реальном времени” появилась ещё одна функция, облегчающая эту задачу. Это скачивание DEM напрямую из интернета в окне построения полётной миссии.

DJI использует в качестве подложки ASTER DEM (GDEM). Многие недоверчиво относятся к таким моделям, но давайте попробуем коротко описать данную модель.

ASTER DEM (Advanced Spaceborne Thermal Emissionand Reflection Radiometer) – модель высот, полученная NASA в 1999 г. с использованием стереоскопических фотографий земной поверхности в ближнем инфракрасном диапазоне. Пространственное разрешение исходных данных выше, чем у SRTM, и составляет 15 м.

Первая версия ASTER была очень посредственного качества, во многих районах были локальные пропуски данных рельефа (из-за облачности при съемке), рельеф многих участков был сглажен и интерполирован. В настоящее время используется 3-я версия модели высот, выпущенная NASA в 2019 г., в которой исправлены данные недостатки. Исходное пространственное разрешение составляет 30 м.

Слева: GDEM с ошибками и артефактами, и коррекциями, введёнными до 3 версии. Справа: Окончательная GDEM после исправления. Участок 400х400 пикселей.

При этом GDEM имеет преимущественно – охват. Модель покрывает поверхность от 83° с.ш. до 83° ю.ш. SRTM покрывает поверхность от 60 ° с.ш. и до 60° ю.ш.

Также в новом обновлении ПО в М3Е появилась возможность использовать POI (Point of interesting). Функция POI позволяет летательному аппарату вращаться вокруг определенной точки. При этом камера фокусируется на том же месте. Мы можем использовать данную функцию для удобного построения 3D моделей для отдельно стоящих объектов в режиме ручного полёта.

Мы рекомендуем использовать данную функцию по следующему алгоритму:

1. Выберите Timed Interval Shot в режиме фото. Интервал может быть 2s~5s в зависимости от радиуса полета и скорости.

2. Отметьте точку, вокруг которой вы хотите выполнить облёт. Это можно сделать, нажав на значок PIN в окне камеры или на карте.

Примечание: Серия МЗЕ не имеет лазерного дальномера. При нажатии на кнопку PIN дрон создаст Pin Point о своем местоположении.

3. Запустите дрон в месте, где вы хотите начать облет обследуемого объекта, вручную отрегулируйте шаг подвеса и нажмите на кнопку POI.

4. Переместите стик для регулировки скорости, затем нажмите C1, чтобы заблокировать скорость.

5. Остановите интервал съемки, когда вы завершите полёт по окружности.

6. Повторите пролёт для сбора изображений с разной высотой / углами.

Эффективность

Все характеристики и возможности, о которых мы говорили ранее, на самом деле, служат одной задаче – повышения эффективности выполнения работ. Давайте же посмотрим, на что способен М3Е.

Наша команда провела ряд тестов для оценки эффективности работы дрона.

Мы сравнивали эффективность дрона при построении ортофотоплана. Это самая распространённая задача для фотограмметрических дронов.

Область съемки – смешанная: присутствуют следующие типы участков – Дорога, Постройка, Поле. Полёты были произведены в один день, в пасмурную погоду, с умеренным ветром, во время проведения тестов начались осадки в виде снега.

Полёты были произведены под GSD (Ground sampling distance) – 2, 3 см/пикс. Экспокоррекция выполнялась в автоматическом режиме. Мы не использовали P4RTK для тестов с GSD 1см, т.к. его производительность для этого пространственного разрешения слишком низкая.

Все полеты производились в режиме RTK. Обработка материалов производилась в наиболее популярных ПО – Agisoft Metashape, DJI Terra. Контроль точности производился по опознакам в системе координат WGS84.

GSD 2см/пикс

Мы видим, что фотографии с P4RTK более яркие. Для глаза это более приятно, однако такое переэкспонирование кадра влечёт ряд проблем: снижается скорость полёта дрона по маршруту, может подниматься Ico, что увеличивает количество шума на фотографии – снижается детальность, также некоторые объекты могут быть переэкспонированы и, что самое худшее, вероятность появления смаза на фотографии. Демонстрация этих негативных эффектов проявилась на последнем примере.

Мы считаем, что алгоритмы по оценке экспозиции кадра лучше работают на М3Е.

Следующее, на что стоит обратить внимание – точность.

Mavic 3 Enterprise (М3Е)

Phantom 4 RTK (P4RTK)

В наших тестах дроны сопоставимы по точности. Всё построение было выполнено без оптимизации. Камера каждого М3Е откалибрована с завода, внутренние параметры записываются в XMP снимков.

Теперь рассмотрим производительность дронов:

GSD 2cm
Дрон	M3E	P4RTK
Высота, m	75	73
Скорость, m/c	15	5.8
Время, ‘ “	04:41	11:27
Площадь, км^2	0.14	0.18
Количество снимков,шт	187	272
Макс.площадь за один полет, km^2	0.8	0.31

GSD 3cm
Дрон	M3E	P4RTK
Высота, m	112	110
Скорость, m/c	15	8.7
Время, ‘ “	02:45	03:42
Площадь, км^2	0.13	0.15
Количество снимков,шт	74	86
Макс.площадь за один полет, km^2	1.28	0.81

Максимальная площадь съемки (км2) за один полёт при различном пространственном разрешении между М3E, P4RTK.

Производительность у М3Е при GSD 2см/пикс – в 2.5 раза выше чем у Р4RTK.

При GSD 3 см/пикс – больше чем в 1.5 раза выше чем у Р4RTK.

Различные источники указывают, что при GSD 1см/пикс производительность М3Е выше примерно в 8 раз.

Вывод

DJI Phantom 4 RTK, выпущенный в 2018 году, стал настоящим открытием: легкий, компактный и высокоточный картографический дрон.

DJI с тех пор опиралась на этот прочный фундамент и теперь выпустила Mavic 3 Enterprise, который предлагает еще большую мобильность и еще большую эффективность.

Кирилл Воронцов

Старший геодезист отдела геотехнологий Aeromotus.
Имеет опыт внедрения беспилотных технологий в крупных компаниях федерального и регионального уровня. С 2021 г. реализовал более 10 проектов.

Коллеги! Если у вас остались вопросы по данному материалу или вы хотите обсудить какие-то другие темы, касающиеся промышленных беспилотных технологий, присоединяйтесь к нашему телеграм-чату специалистов.