CC BY
185
УДК 528.715
ПОЛЯКОВА Елена Викторовна, кандидат гео-лого-минералогических наук, старший научный сотрудник лаборатории глубинного геологического строения и динамики литосферы Института экологических проблем Севера Уральского отделения Российской академии наук. Автор 26 научных публикаций, в т.ч. одной монографии
ВОЗМОЖНОСТИ ПОДСПУТНИКОВОГО ДЗЗ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА СЯОРСАМ В УСЛОВИЯХ ЕВРОПЕЙСКОГО СЕВЕРА1
В настоящее время в связи с активным развитием технических средств и геоинформационных технологий, все более значимым становится направление, связанное с внедрением беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в гражданскую сферу деятельности современного общества. Среди многочисленных задач, решаемых с помощью беспилотной техники, наиболее актуальной является получение высококачественной аэрофотосъемки.
Дистанционное зондирование Земли, космоснимки, аэрофотосъемка, беспилотный летательный аппарат, разрешение снимков
Актуальность работ. Данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) являются эффективным инструментом, позволяющим оперативно и детально исследовать состояние окружающей среды и получать объективную картину мира. Космические снимки широко используются в самых разных областях человеческой деятельности ? исследование природных ресурсов, мониторинг стихийных бедствий и оценка их последствий, изучение влияния антропогенного воздействия на окружающую среду, строительные и проектно-изыскательские работы, городской и земельный кадастр, планирование и управление развитием территорий, градостроительство, геология и освоение недр, промышленность, сельское и лесное хозяйства, туризм и т.д. [1]
Аэрофотосъемка, т.е. фотографирование земной поверхности с различных летательных
аппаратов, известна с начала XX века. В комплексе с космической съемкой и как самостоятельный продукт аэрофотосъемка играет существенную роль при изучении процессов и явлений, происходящих на Земле [2].
В настоящее время в связи с активным развитием технических средств и геоинформационных технологий все более значимым и актуальным становится направление, связанное с внедрением беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в гражданскую сферу деятельности современного общества. Среди многочисленных задач, решаемых с помощью беспилотной техники, наиболее актуальной является получение высококачественной аэрофотосъемки.
Целью работы на начальном этапе является оценка возможностей применения БПЛА для получения высокоточной аэрофотосъемки,
1 Работы выполняются при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 09-05-00547-а.
а также сравнение качества получаемых аэроснимков с наиболее распространенными и доступными в настоящее время космическими снимками со спутниковых систем ДЗЗ Landsat-7 и ASTER.
Беспилотный летательный аппарат CropCam - это радиоуправляемая модель планерного самолета, оборудованная собственным GPS-приемником, миниатюрным автопилотом (произведенным компанией MicroPilot, Canada), а также цифровой фотокамерой с набором фильтров для съемки в различных диапазонах.
Самолет CropCam весом около 3 кг запускается «с руки», взлетает и садится автоматически, двигается по заранее спланированному в специальной ГИС-программе маршруту. Программа наземного контроля и радиомодем позволяют непрерывно наблюдать за передвижением самолета на экране монитора и в случае необходимости вносить коррективы в курс по-
лета (рис. 1). Кроме того, имеется возможность перевода самолета в режим ручного управления. Камера работает автоматически, получая цифровые снимки высокой точности, привязанные по GPS [3].
По сравнению со спутниковыми изображениями аэрофотосъемка с беспилотного самолета имеет ряд существенных преимуществ.
На сегодняшний день наиболее распространенными и доступными являются космические снимки со следующих спутниковых систем ДЗЗ: ресурсных спутников Landsat-7 и ASTER, а также кадастрового спутника QuickBird. Разрешение космоснимков, полученных с Landsat-7 и ASTER составляет 15-90 м (в зависимости от канала съемки); со спутника QuickBird - от 60 см до 2,5 м (самые высокоточные современные космоснимки). Аэроснимки, получаемые с БПЛА CropCam имеют разрешение от 1 до 10 см на пиксель (в зависимости от высо-
рготкяюм
Рис. 1. Маршрут и основные показатели полета во время движения самолета в программе наземного контроля
ты полета), в среднем составляют 6-7 см. Снимки такого качества не способен предоставить ни один из существующих спутников.
Преимущество космосъемки заключается в том, что на территорию порядка 170 км2 достаточно одного космоснимка, в то время как аэроснимков на заданную площадь придется «склеивать» большое количество для создания панорамного изображения. Поэтому аэрофотосъемка с БПЛА предназначена для решения детальных задач на локальных территориях, космическая съемка предлагает обзорную информацию на региональном и глобальном уровнях.
Съемка с беспилотного самолета дает возможность получения стереопар снимков, позволяющих создавать цифровые модели местности высокой точности. Подобные данные являются необходимыми, например, при уточнении рельефа территории, выявления уникальных обнажений, геологических разломов, при наблюдении и контроле водных объектов, оценке ледовых ситуаций, для оценки лесных запасов в целом, пожарищ, вырубок, при установлении границ влияния различных предприятий на природные экосистемы и др. Так, например, на рис. 2 приведена схема термального урочища Пым-Ва-Шор, расположенного в восточной части Большеземельской тундры (Ненецкий автономный округ), созданная путем оцифровки полученных с самолета аэрофотоснимков в программном пакете АгсОК (экспедиционные работы проводились коллективом ИЭПС УрО РАН в ноябре 2009 года при поддержке РФФИ, грант 09-04-02100-э_к). Аэрофотосъемка в данном случае позволила детально выделить и обозначить места выходов термальных источников на дневную поверхность, оценить площадь незамерзающих участков ручья Пым-Ва-Ю выше и ниже выходов теплых и холодных источников, охарактеризовать распределение снежного покрова по ландшафтным элементам урочища и т.д.
Использование БПЛА дает возможность проводить съемку небольших территорий, космическая съемка и традиционная аэрофотосъемка которых не являются рентабельными. Беспилотный самолет работает на комплекте
аккумуляторных батарей, что позволяет при планировании полета исключить затраты на топливо. Кроме того, получить снимки на любую территорию и обработать их можно в течение очень короткого времени, не покидая поля работ. Это качество особенно ценно, учитывая труднодоступность многих северных районов. Ни одна из систем дистанционного зондирования не имеют такой высокой оперативности. Недостатком всех спутниковых систем ДЗЗ является также привязка параметров и времени зондирования к параметрам орбиты искусственных спутников Земли (ИСЗ) [4]. Любой полет БПЛА можно повторить в этот же или на следующий день.
Особенно ценное качество беспилотного самолета - это возможность проводить съемку под облаками в пасмурные дни.
Системы космической съемки могут работать месяцами, пока появится возможность получения четких снимков необходимого участка территории без облаков. Беспилотный самолет производит съемку с небольшой высоты (в среднем около 300-400 м). Облачность в данном случае никак не сказывается на качестве снимков. Эта способность самолета особенно актуальна в условиях северных широт, поскольку облачных и пасмурных дней в году здесь намного больше, нежели ясных и безоблачных.
Основными ограничениями при использовании БПЛА СгорСат являются ветер и заряд аккумуляторных батарей. Скорость ветра не должна превышать 5 м/сек. При более сильных порывах ветра программа автопилота самолета работает на выправление курса полета, что негативно сказывается на заряде батарей. Полет может прекратиться до выполнения заложенного курса, а самолет произвести посадку в неположенном месте. Однако ОРБ-приемник самолета будет выдавать программе наземного контроля его последние координаты на момент полной разрядки батарей, по которым можно будет определить место посадки самолета. Кроме того, на крыло самолета перед полетом устанавливается специальный маячок, сигналы с которого в случае внепланового приземления сокращают зону его поиска до 2-3 м.
Рис. 2. Схема термального урочища Пым-Ва-Шор, созданная путем оцифровки аэрофотоснимков в программном пакете АгсОК (составлена М.Ю. Гофаровым)
Научная новизна и практическое применение работ. БПЛА СгорСат открывает новые возможности в изучении окружающей природной среды, позволяет получать качественную информацию о происходящих геоэкологических процессах и явлениях, что крайне актуально в связи с нарастающей в настоящее время антропогенной нагрузкой на территории Европейского Севера. Оперативное слежение и контроль за состоянием окружающей среды -динамичными природными процессами, за воздействием человека на природу и происходящими в ней изменениями, организованные на основе сочетания наземных, воздушных, космических наблюдений, образуют систему аэрокосмического мониторинга. Мониторинг предполагает не только наблюдение за процессом или явлением, но и его оценку, прогноз распространения и развития, а кроме того разработку системы мер по предотвращению опасных по-
следствий или поддержанию благоприятных тенденций. Комплексный подход (составным звеном которого является и аэрофотосъемка локальных территорий) основа проведения подобных мероприятий.
Заключение. Космоснимки, как основной продукт аэрокосмической съемки, применяются в различных областях исследований Земли. Они чрезвычайно важны в исследованиях литосферы, т.к. показывают раздробленность геологического фундамента линейными тектоническими нарушениями (разломами) и обилие кольцевых структур; атмосферы, поскольку на них основываются метеорологические прогнозы; гидросферы, что необходимо для оценки талого стока рек, предотвращения паводков, наводнений, ледовых заторов; а также биосферы в целом [5]. Дешифрирование космоснимков дает огромные возможности при решении многочисленных экологических задач, делает их ценным
материалом при анализе современной ситуации, составлении карт экологической оценки территории, разработке экологических прогнозов [6]. Таким образом, космическая съемка является незаменимой при решении глобальных экологических задач. Однако существует огромное количество локальных проблем, например учет лесных площадей, подвергшихся ветровалу или поврежденных энтомовредителями, обнаружение лавиноопасных участков в горных местностях или сходов селевых потоков, уточнение границ берегов рек, подвергшихся обрушению в процес-
се наводнения или ледового затора и многое другое, решение которых является экономически невыгодным и не всегда возможным (учитывая разрешение) с помощью космосъемки. Тогда как аэрофотосъемка позволяет справиться с подобными задачами. Для составления реальной картины происходящего явления и проведения комплексного анализа следует применять трехступенчатый метод получения информации: обзорная космическая съемка - детальная аэрофотосъемка с БПЛА - наземная заверка проводимых исследований.
Список литературы
1. КронбергП. Дистанционное изучение Земли: пер. с нем. М., 1988.
2. Книжников Ю.Ф., КравцоваВ.И., Тутубалина О.В. Аэрокосмические методы географических исследований. М., 2004. С. 1-336.
3. Полякова Е.В. Использование беспилотного самолета для проведения аэрофотосъемки в условиях Архангельской области II Геологические опасности: материалы докл. XV Всерос. конф. с междунар. участием. Архангельск, 2009. С. 365-366.
4. Шилин Б.В., Шубина М.А. Методы дистанционного зондирования Земли II Геодезия и картография. 2000. № 9. С. 50-57.
5. Аэрокосмические методы геологических исследований / под ред. А.В. Перцова. СПб., 2000.
6. Jensen J.R. Remote sensing of the environment: an Earth resource perspective. Prentice Hall, 2000.
Polyakova Elena
POSSIBILITIES OF UNDERSATELLITE REMOTE SOUNDING OF THE EARTH WITH USE OF CropCam UNMANNED AERIAL VEHICLES IN THE CONDITIONS OF THE EUROPEAN NORTH
At present in connection with active development of technology and geoinformation technology a direction connected with the introduction of unmanned aerial vehicles (UAV) in the civil activity of the modern society is becoming more and more significant. Among numerous problems solved by means of pilotless aircrafts high-quality aerial photography is the most actual one.
Контактная информация: e-mail\ lenpo26@yandex.ru
Рецензент - Шварцман Б.Г., профессор, доктор геолого-минералогических наук Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова
