Wykorzystanie dronów w fazie przygotowania inwestycji

Transkrypt

1 Wykorzystanie dronów w fazie przygotowania inwestycji Autorzy: Roman Pionkowski, Józef Sobolewski ("Energia Elektryczna" - czerwiec 2015) Lokalizacja i budowa elementów sieci przesyłowej na gęsto zurbanizowanych i atrakcyjnych pod względem inwestycyjnym terenach podmiejskich dużych aglomeracji jest źródłem wielu szczególnych wyzwań. Dodatkowe utrudnienie stanowi fakt wysokiej dynamiki zagospodarowania tego typu terenów oraz nierzadko rozbieżności ewidencji i stanu faktycznego w terenie. Poza kwestiami technologicznymi, inwestor wobec braku specjalnych regulacji prawnych dla tego typu inwestycji musi się zmierzyć z koniecznością uzyskania akceptacji władz samorządowych i lokalnej społeczności. Jest to oczywiście proces trudny i wieloaspektowy, niemniej jednak najważniejsze jest w takim przypadku dostarczenie interesariuszom aktualnych i wiarygodnych informacji, będących podstawą decyzji planistycznych władz samorządowych. Należy również uwzględnić fakt, że większość mieszkańców ma zrozumiałe trudności z wyobrażeniem sobie przyszłych obiektów elektroenergetycznych na podstawie tradycyjnych map i planów, a przez to często nieracjonalnie wyolbrzymione obawy związane z planowaną inwestycją. Artykuł przestawia przykład zastosowania dronów w procesie przygotowania inwestycji, lokalizacji i budowy nowej stacji elektroenergetycznej 400 kv Gdańsk Przyjaźń wraz z powiązaniami liniowymi z istniejącą siecią 400 kv na terenie gminy Żukowo w województwie pomorskim, realizowanym przez PSE Inwestycje SA. Początkowo dla zobrazowania przebiegu odcinka sieci postanowiono wykorzystać mapy satelitarne ogólnodostępnego systemu Google Earth. Niestety okazało się, że mapy satelitarne terenu charakteryzują się zróżnicowaną rozdzielczością i pochodzą w większości z początku 2014 r., co więcej w części obszaru, zwłaszcza zurbanizowanego, mapy o akceptowalnej rozdzielczości datowane są na 2008 r., a więc powstały prawie 7 lat temu. Nie mogły zatem stanowić wiarygodnego źródła informacji o terenie dla celów planistycznych i komunikacji społecznej. W związku z tym konieczne stało się pozyskanie jak najbardziej aktualnych fotomap terenu. Dodatkowym czynnikiem ograniczającym zakres możliwych rozwiązań była konieczność szybkiego pozyskania takich map ze względu na bliskie terminy spotkań z władzami lokalnymi. Uwzględniając całość potrzeb i ograniczeń, zdecydowano się na wykorzystanie możliwości stworzenia aktualnej ortofotomapy za pomocą systemu opartego o bezzałogowe pojazdy latające drony.

2 Oblot Oblot terenu został wykonany przez firmę WB Electronics przy użyciu systemu składającego się z bezzałogowego pojazdu latającego RPAS Albatros (rysunek 1) wyposażonego w specjalistyczny moduł GeoScanner. Rysunek 1. Bezzałogowy pojazd latający RPAS Albatros Samolot ten to uniwersalna platforma nośna, w której instalowany jest moduł przeznaczony do realizacji określonego zadania. W tym przypadku moduł do obrazowania terenu GeoScanner, składający się z aparatu fotograficznego wysokiej rozdzielczości, układu sterującego wyzwalaniem migawki, układu zapisującego fotografię, pozycję wykonania fotografii oraz głowicy stabilizującej. Szczegółowe dane techniczne systemu znajdują się w załączonej tabeli. W myśl obowiązujących przepisów, wystąpiono do Polskiej Agencji Żeglugi Powietrznej (PAŻP) o zgodę na wykonanie oblotu. PAŻP udzielił jej na loty, wyznaczając specjalny korytarz powietrzny wzdłuż planowanego przebiegu sieci. Jednakże ze względu na to, że obszar oblotu jest częściowo zlokalizowany w strefie kontrolowanej lotniska w Gdańsku nakazano, aby lot odbywał się zgodnie z zasadami VLOS (Visual Line of Sight - bezzałogowy pojazd latający znajduje się w zasięgu wzroku operatora) oraz aby operator drona pozostawał w kontakcie telefonicznym z wieżą kontroli lotów lotniska w Gdańsku, informując o każdym planowanym starcie i lądowaniu.

3 Tabela. Podstawowe dane techniczne RPAS Albatros z modułem GeoScanner Wielkość i waga Rozpiętość skrzydeł 3,7 m, długość kadłuba 1,7 m. Maksymalna masa startowa 9 kg. Napęd Silnik elektryczny. Maksymalny zasięg lotu bez ładowania baterii 210 km. Prędkości i pułap Prędkość operacyjna km/h. Maksymalna operacyjna prędkość wiatru 15 m/s (54 km/h). Pułap operacyjny od 80 m do 5 km nad poziomem morza. Autopilot 5 trybów lotu: lot automatyczny, lot wspomagany (półautomatyczny), lot manualny, tryb powrotu do bazy i krążenie, tryb lądowania. Łączność Radiowa (stacja nadawczo-odbiorcza wraz z zintegrowanym akumulatorem). Sterowanie poprzez laptop z ekranem dotykowym. Start i lądowanie Start: wyrzut z ręki (tryb automatyczny lub manualny) Lądowanie: ślizgowe lub na spadochronie. System Będące pod nadzorem zdarzenia szczególne takie jak: bezpieczeństwa utrata lub niski poziom zasilania, przekroczenie kątów krytycznych (utrata stabilności lotu), usterka autopilota, utrata lub zakłócenia GPS, spowodują automatycznie (tryb awaryjny) lub ręcznie (operator) następujące reakcje automatyczne: blokada startu, powrót do bazy i krążenie, autonomiczne lądowanie lub wyzwolenie spadochronu. GeoScanner Moduł przystosowany do tworzenia ortofotomap i modeli przestrzennych terenu. Aparat fotograficzny z obiektywem mm z matrycą 24 megapiksele. Głowica modułu stabilizowana elektromechanicznie. W związku z wymogami VLOS, całość misji została podzielona na 4 obloty o długości ok. 2 km każdy. Gdyby oblot planowany był z większym wyprzedzeniem, to istniałaby możliwość wydzielenia przestrzeni powietrznej w porozumieniu z lotniskiem w Gdańsku i RPAS mógłby zebrać wymagane dane w jednym, 50-minutowym oblocie. W związku z koniecznością wykonania aż 4 oblotów odcinka, przed startem wyznaczono 8 naziemnych punktów kontrolnych GCP (Ground Control Point), które w późniejszym procesie przetwarzania danych były wykorzystane do kalibracji wygenerowanej ortofotomapy. Możliwości użycia dronów, tak jak i w przypadku normalnych samolotów, zależą od warunków atmosferycznych. W dniu oblotów obszar działania był pokryty chmurami niskiego poziomu. Całkowite zachmurzenie (o ile nie bardzo duże i nie wiąże się z innymi zjawiskami atmosferycznymi) jest nawet korzystne, ponieważ powoduje równomierne rozproszenie światła, dzięki czemu fotografie terenu pozbawione są cieni. Obloty wykonywane były przy wietrze, którego prędkość w porywach sięgała 50 km/h. Dla użytego bezzałogowego pojazdu latającego RPAS Albatros nie stanowi to problemu, ponieważ jest on wyposażony w system autopilota, który automatycznie oblicza i wprowadza poprawkę na wiatr tak, aby lot odbywał się dokładnie po zaplanowanej trasie. Przygotowanie systemu do wykonania oblotu zajmuje doświadczonej ekipie kilkanaście minut. Operator za pośrednictwem specjalnego oprogramowania zainstalowanego na laptopie stacji naziemnej zaznacza obszar, dla którego chce wykonać ortofotomapę, następnie wprowadza rozdzielczość, jaką ma mieć gotowy produkt, a system samodzielnie

4 generuje parametry trasy lotu. Po wgraniu wygenerowanego planu lotu do systemu pokładowego drona, wykonywana jest kontrola przedstartowa, podczas której sprawdzane są wszystkie newralgiczne podsystemy, takie jak: GPS, napęd, awionika, stery. Obloty rozpoczęły się rano. Po telefonicznym kontakcie z wieżą lotniska w Gdańsku, wydawano zgodę na start. Dron startował z ręki i po kilkunastu sekundach osiągał wysokość operacyjną 280 metrów. Po osiągnięciu punktu, z którego zaprogramowano rozpoczęcie zbierania danych, fotografie wykonywane były automatycznie w miejscach ściśle określonych przez algorytm planowania misji. Każda z fotografii ma zapisaną lokalizację i wysokość, z jakiej została zrobiona. Po wylądowaniu wszystkie dane skopiowano do komputera, a następnie dron był przygotowywany do kolejnego oblotu. Podczas 4 oblotów dron wykonał ok. 2 tys. fotografii. Dalsze przetwarzanie danych z obrazowania pozwala na stworzenie cyfrowego modelu terenu, będącego numeryczną reprezentacją wysokości topograficznej powierzchni terenu oraz mapy elewacyjnej pozwalającej na odczytanie wysokości terenu dla danego położenia. Pliki następnie mogą zostać eksportowane do środowiska systemów geograficznych (GIS), gdzie można poddać je dalszemu przetwarzaniu, polegającym w szczególności na naniesieniu planowanych obiektów. Oprogramowanie takie pozwala na wygenerowanie płaskich map w postaci plików rastrowych, wektorowych lub plików zawierających referencję geograficzną. Mamy również możliwość zapisania modelu cyfrowego lub modeli terenu, które w łatwy sposób można prezentować, wykorzystując powszechnie dostępne oprogramowanie takie jak np. Google Earth. Rezultaty W opisywanym przypadku z otrzymanych fotografii wygenerowano ortofotomapę o rozdzielczości 7 cm/piksel dla powierzchni ok. 7 km2 z kalibracją o dokładności 5 cm. Najważniejszą cechą tej mapy, poza aktualnością, jest jej rozdzielczość i dokładność kalibracji. Wyższa rozdzielczość mapy pozwala na dostrzeżenie większej liczby detali, dzięki czemu w procesie planowania możemy wychwycić więcej małych elementów terenowych, takich jak: ogrodzenia posesji, stanowiska słupów napowietrznych linii elektroenergetycznych średniego i niskiego napięcia lub przebieg dróg polnych nieobjętych ewidencją gruntów. Rozdzielczość map w Google waha się w granicach od 10 do 50 cm/piksel. Z systemu RPAS można uzyskać rozdzielczość nawet do 1 cm/piksel, co w tym przypadku nie było wymagane, i co także bardzo ważne jednakową rozdzielczość na całym mapowanym obszarze. Kalibracja ortofotomapy, czyli wpasowanie mapy w koordynaty rzeczywistego położenia, jest bardzo ważna dla celów geodezyjnych.

5 Wpasowanie map w Google bywa z dokładnością do kilku metrów, ale zdarzają się przypadki przesunięcia nawet o kilkadziesiąt metrów. Oznacza to, że obiekt na mapie może być znacząco oddalony od jego rzeczywistego położenia. Kalibracja map w systemie RPAS realizowana jest z dokładnością sięgającą centymetrów, co pozwala na wykorzystanie ich do celów geodezyjnych. Dla lepszego zobrazowania obiektów planowanej trasy przesyłowej linii elektroenergetycznej, na ortofotomapę naniesiono słupy (kolor czarny) planowanego odcinka linii wraz z przewodami fazowymi linii 400 kv (czerwony) i linii 220 kv (zielony) oraz linki odgromowej zintegrowanej ze światłowodem OPGW (pomarańczowy). Na ortofotomapie zaznaczono również granice pasa technologicznego linii (kolor niebieski). Wyniki zobrazowano używając aplikacji Google Earth. Jako przykład istotnej cechy, jaką jest aktualność nowej ortofotomapy na rysunkach 2a i 2b pokazano przejście linii elektroenergetycznej 2x400 kv kv (stanowiska słupów 16, 17 i 18) przez tereny zurbanizowane. Rysunek 2a przedstawia mapę satelitarną z Google Earth (wykonaną w 2008 r.), natomiast rysunek 2b mapę wygenerowaną na podstawie zdjęć wykonanych za pomocą systemu RPAS. Rysunek 2a i 2b. Porównanie lokalizacji stanowisk słupów Z lewej mapa satelitarna, z prawej - z drona. Widoczna jest zmiana w zabudowie terenu i pojawienie się nowych obiektów w bezpośredniej bliskości planowanego przebiegu linii (lewa jej strona) pomiędzy stanowiskami słupów 16 i 17. Informację tę wykorzystano do zoptymalizowania lokalizacji stanowisk słupów i przebiegu projektowanej linii. Na rysunku 3 pokazano trójwymiarową symulację otoczenia słupów 16, 17 i 18. Jest to bardzo sugestywna wizualizacja przebiegu linii, atrakcyjna zwłaszcza dla osób mogących mieć kłopoty z interpretacją tradycyjnych map czy planów. Znaczenie rozdzielczości i kalibracji ortofotomapy pokazano na rysunkach 4a (Google Earth z 2014 r.) i 4b (dron) w otoczeniu stanowiska projektowanego słupa 5.

6 Rysunek 3. Wizualizacja przebiegu linii typu 3D w obszarze pokazanym na rysunku 2b. Rysunek 4a i 4b. Szczegóły lokalizacji stanowiska słupa 5. Z lewej mapa satelitarna, z prawej - z drona. Różnica rozdzielczości jest widoczna, chociażby poprzez porównanie szczegółów rzeźby terenu, zaś niedokładność kalibracji w mapie z Google powoduje różnicę ok. 10 m, widoczną w położeniu planowanego obiektu na obu mapach. Stworzenie cyfrowego modelu terenu pozwala na symulacje 3D obrazowanego obszaru, która z kolei umożliwia wirtualny oblot trasy projektowanego fragmentu sieci przesyłowej oraz taką obserwację linii z dowolnie wybranego punktu. Na rysunkach 5a i 5b pokazane są pojedyncze klatki (screen shot) z wirtualnego oblotu trasy planowanej inwestycji. Jest to bardzo przydatna i szczególnie atrakcyjna forma prezentacji planowanych obiektów infrastruktury elektroenergetycznej na spotkaniach z samorządem i społecznością lokalną. Pozwala nawet osobom niemającym doświadczenia w analizie tradycyjnych, używanych map i planów na zapoznanie się z przyszłą lokalizacją oraz zracjonalizowanie swoich obaw i oczekiwań w stosunku do projektowanych obiektów.

7 Rysunek 5a i 5b Screen shot y z wirtualnego oblotu. Z lewej całość trasy inwestycji, z prawej fragment terenów zurbanizowanych. Podsumowanie Wykorzystanie bezzałogowych pojazdów latających w procesie przygotowania inwestycji budowy sieci elektroenergetycznej pozwala na: - szybkie pozyskanie aktualnych i precyzyjnych map terenów przewidzianych do realizacji inwestycji infrastrukturalnych; - stworzenie łatwej w odbiorze i atrakcyjnej w formie wizualizacji planowanych obiektów w ich rzeczywistym otoczeniu; - stworzenie wygodnej płaszczyzny do wymiany poglądów projektantów, władz samorządowych, mieszkańców i pozostałych interesariuszy dla zoptymalizowania lokalizacji planowanych obiektów infrastrukturalnych; - skrócenie czasu trwania fazy przygotowania inwestycji; - skuteczne budowanie wizerunku społecznie odpowiedzialnego inwestora.