CC BY
16
Н.А. Пархоменко, А.А. Нугманов. Использование 3D модели для гидрологического анализа сельскохозяйственной территории по данным беспилотных летательных аппаратов
// Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. - 2022. - № 2 (29) апрель -июнь - URL http://e-journal.omgau.ru/images/issues/2022/2/01001.pdf. - ISSN 2413-4066
Научная статья
УДК 528.715:556.047:631.1
Использование 3D модели для гидрологического анализа сельскохозяйственной территории по данным беспилотных летательных аппаратов
Н.А. Пархоменко, А.А. Нугманов
Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина, Омск, Россия
Аннотация. В статье описаны способы и методы создания цифровой модели рельефа для гидрологического анализа с использованием беспилотных летательных аппаратов. Рассмотрено влияние уклонов на сельскохозяйственные угодья в условиях затопления и подтопления территории. Определено понятие нормализированный относительный вегетационный индекс. Даны рекомендации по получению гидрологических данных с беспилотных летательных аппаратов.
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, гидрологический анализ, зоны затопления и подтопления, цифровая модель рельефа, сельское хозяйство.
Original article
Using a 3D model for hydrological analysis of agricultural territory based on data from
unmanned aerial vehicles
N.A. Parkhomenko, A.A. Nugmanov
Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Omsk, Russia
Abstract. The article describes the ways and methods of creating a digital relief model using drones for hydrological analysis. The influence of slopes on agricultural land in conditions of flooding and flooding of the territory is considered. The concept of normalized relative vegetation index is defined. Recommendations on obtaining hydrological data from unmanned aerial vehicles are given.
Keywords: unmanned aerial vehicle, hydrological analysis, flooding and flooding zones, digital terrain model, agriculture.
Подтопление территорий зачастую происходит из-за особенностей рельефа, тяжелой глинисто-торфяной почвы и близкого залегания грунтовых вод. Также причиной повышенной влажности почвы может стать отсутствие стока и наличие многочисленных углублений и неровностей, в которых скапливаются осадки в виде дождевых и талых вод. Зоны затопления и подтопления (ЗЗП) относятся к зонам с особыми условиями
® Н.А. Пархоменко, А.А. Нугманов
использования территорий и отображаются на всех видах картографических материалов, используемых при планировании развития территорий. Подобная информация необходима для того, чтобы на данных территориях соблюдался определённый режим в целях предотвращения негативного воздействия на них. Это важно, поскольку затопление может привести к большим потерям разного рода.
Присутствие подобных негативных явлений может приводить к развитию эрозионных процессов, что оказывает влияние на состав и качество земель сельскохозяйственного назначения. Поэтому важно вовремя принять меры по устранению проблемы, пока посевы не будут уничтожены в результате переувлажнения почвы. Проведение своевременных мониторинговых мероприятий позволит не допустить распространение данных явлений. Для решения этой проблемы можно использовать современные методы аэрофото и космической съёмки, лазерного сканирования местности с использованием геодезических приборов и технологий, что гарантирует высокую точность отрисовки рельефа или иных объектов местности для просмотра и редактирования в специализированных программах.
На территории Омской области расположено большое количество водных объектов, представленных реками, озерами, прудами и болотами. В связи с чем среди стихийных природных бедствий преобладают затопления и подтопления территории.Эти явления, безусловно, оказывают значительное влияние на урожайность и качество сельскохозяйственных культур.
В настоящее время разработаны и применяются различные программные продукты, которые предназначены для фотограмметрической обработки данных БПЛА, получения детальных ортофотопланов и трехмерных моделей объектов. Большинству интересующихся беспилотной съёмкой широко известен продукт Pix4DMapper, который содержит ряд функций, полезных для аграриев. Программа Pix4Dmapper предназначена для фотограмметрической обработки данных с БПЛА, получения ортофотопланов, цифровых моделей рельефа (ЦМР) и цифровых моделей местности (ЦММ), расчета объемов, карт высот и уклонов, карт отражений солнечной радиации и расчета вегетационных индексов, т.е. позволяет оперативно решать локальные прикладные задачи в аграрной сфере. Используемая блок схема (Рис. 1) позволяет выявлять закономерности в системе «почва -растение - индекс NDVI», что даёт возможность оптимизировать ведение сельскохозяйственного производства, управлять процессом формирования урожая зерновых сельскохозяйственных культур с учетом различных факторов местности [1, 2]. В ходе проведенных исследований [2] для повышения эффективности ведения хозяйственной деятельности сельхоз товаропроизводителями Омской области, были разработаны рекомендации по использованию данных, полученных с беспилотных летательных аппаратов и космических снимков дистанционного зондирования земли (ДЗЗ). Дешифрирование космических снимков при мониторинге позволяет по изменению тона цветовой гаммы выявлять типы почв и их увлажненность. Косвенные признаки помогают выявить рельеф местности, механический состав почв, почвообразующие породы и состояние растительности. В конечном итоге по выявленным косвенным признакам и угнетению растительности можно выявлять в том числе и подтопление участков.
Мониторинг ! Управление
Рис. 1. Блок схема ведения мониторинга
В данной статье рассмотрена важность гидрологического мониторинга сельскохозяйственных территорий, в случаях, когда происходит нарушение водотока. Подтопления приводит к полному или частичному угнетению агрокультур в результате перенасыщения почвы влагой, что, несомненно, влияет на нарушение гумусовой экосистемы, при этом могут перестать вырабатываться необходимые компоненты, участвующие в образовании плодородия почв и происходит дальнейшее их вымывание, что приводит к заболачиванию. Чтобы избежать негативных последствий этих явлений требуется проведение гидрологического мониторинга состояния почв. В современных условиях мониторинг может проводиться различными техническими средствами, в том числе и с
использованием БПЛА.
БПЛА или беспилотный летательный аппарат (Рис.2) это уникальный, бурно развивающийся во всём мире вид авиационной техники, предназначенный в основном для применения в условиях, когда использование пилотируемых летательных аппаратов невозможно, либо нецелесообразно [5, 6, 8, 9]. Летательный аппарат подобного типа имеет и более широкое назначение, например, в геодезической практике или сельском хозяйстве.
К
Рис. 2. Вид летательного аппарата, используемого в целях съёмки местности
В период развития высоких технологий использование геодезических приборов приобрело более масштабный характер и может быть использовано для выполнения съёмки под гидрологический мониторинг. Съёмка может быть выполнена с использованием системы лазерного сканирования (Рис. 3).
Рис. 3. Система лазерного сканирования
При выполнении гидрологического анализа подтопляемой территории составляется 3D модель рельефа участка местности, которое обеспечивает масштабирование и перенесение в цифровое пространство ситуации для выполнения дальнейшего преобразования, что позволит с удобством выполнить визуализацию и проводить исследование. ЦМР (цифровая модель рельефа) - это непрерывное цифровое представление топографической поверхности в виде регулярной сети ячеек. Основная информация для построения такой модели получается посредством комплекса работ с использованием данных аэрофото и космической съемки, проведения измерительных полевых работ, осуществления гидролокационной съемки местности. Созданная модель дает возможность широкого визуального обзора рельефа для выполнения необходимого анализа [4, 7, 10].
Для построения ЦМР необходимо иметь материалы с дронов, использующих оборудование для выполнения лазерного сканирования, либо аэрофотосъёмки. Полученные данные передаются на цифровой носитель с соответствующим программным обеспечением. В ходе исследования проводится мониторинг уклонов в характерных областях зон затопления и подтопления территории.
При построении 3D модели местности целесообразно использовать тот способ, который лучше подходит для поставленных задач или самого объекта. Например, лазерное сканирование применяется при преобладающем количестве объектов, а для равнинных областей подойдёт и аэрофотосъёмка, съёмка под разными углами даст полноразмерную трёхмерную модель.
На самом деле, использование 3D моделей облегчает работу при определении размеров объекта, вычислении углов наклона, мониторинге определённых областей с применением программных продуктов.
Гидрологическая ЦМР представляет собой модель, в которой форма и направление смоделированных с помощью водотоков будет совпадать с реальными водными объектами в пределах исследуемой территории, что хорошо просматривается на примере созданной сети водотоков (Рис. 4).
Результатом построения такой модели является отражение настоящего характера движения водных потоков на поверхности, которая позволит визуально, но достаточно точно определить границы исследуемого водосборного бассейна и станет основой для построения границы зоны потенциального затопления территории [4,10]. Изучение водных объектов помогает выявить причины затопления и обозначить меры решения данной проблемы.
В ходе проведения исследовательской работы на территории Муромцевского района с. Артын Омской области, по результатам лазерного сканирования, выполненного с дрона, была составлена цифровая модель рельефа (Рис.5).
ШШШШЛ
ЩтШ
Рис. 5. ЦМР территории Муромцевского района Омской области.
На основе ЦМР проведён мониторинг водосточных уклонов, что позволило определить зоны, в которых сельскохозяйственные поля могли подвергнуться затоплению и застою воды. Полученные данные позволяют более качественно выполнить прогноз урожайности на данном участие и дополняют необходимой информацией подсчёт вегетационного индекса Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), который определяется с использованием цветовой шкалы (Рис. 6). Состояние растительности, густота, активность роста или угнетение определяется по отражению в той или иной области спектра красного или инфракрасного диапазона. На этой зависимости выполняется расчёт плотности участка (NDVI) [3, 8, 2]. Подсчёт NDVI с учетом выявленных зон подтопления и застоя воды позволяет оценить всхожесть, увядание или активный рост биомассы культур для принятия мер своевременного воздействия.
0.9 lú 1 aa to 0.9
¡ 0,7 to О-В I 0 6 10 0.7 I G.5 in 0.6 I 0.4 to 0.5 I 0-3 ID 0.4 I 0 2 то 0 3 0.1 to 0,2 1 toOl
Густая растительность Густая растительность Густая растительность Густпя растительность Умеренная растительность Умеренная растительность Разреженная растительность Разреженная растительность Открытии почве Нет вегетации
Рис. 6. Градация NDVI
В результате проводимого исследования данные с БПЛА были загружены в программное обеспечение Sputnik Agro version 1.4 компании Geoscan. С учетом вводимых значений уклонов в пределах от 2.0 до 4.0 градусов (Рис.7), созданы видимые области прогибов местности.
Нижнее знач.,, | Цвет J J
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0 т
Рис. 7. Цифровая градация уклонов
На рисунке 8 отчётливо видна разница высот. Более высокие уровни уклонов окрашены более интенсивно и обозначают зоны, где возможно переувлажнение. Ненасыщенными цветами обозначены зоны понижений уклона, где осадки не задерживаются. Данное исследование показало, что в правой части наблюдается застой воды в результате дождевых осадков.
Рис. 8. Пример карты уклонов
Изменение рельефа при воздействии климатических осадков образуют поверхностные стоки, которые меняют ландшафт, своевременный мониторинг позволяет принимать необходимые решения для минимизации возможных негативных последствий.
Полученные гидрологические материалы с БПЛА позволяют обеспечить контроль уровня воды, не приносящего вреда сельскохозяйственным культурам. Для этого необходимо провести работы по строительству гидрологических сооружений в виде траншей для отвода лишней воды, на дорожных участках строительство водопропускных труб.
Материалы с использованием БПЛА позволяют получать информацию для прогнозирования негативных тенденций и предотвращения природных бедствий.
Стоит также обратить внимание на выбираемый беспилотный летательный аппарат, так как качество съёмки может зависеть и от лётных характеристик, от возможности конструктивной модификации и от габаритов переносимого веса. Внимательно изучить возможность передачи данных с летательной аппаратуры в электронно - вычислительную машину. А также не стоит забывать про получение разрешения на проведение лётных испытаний.
В ходе изучения материалов с данных БПЛА были выведены рекомендации по использованию дронов при гидрологическом анализе состояния почвенного покрова. Определили понятие ЦМР и выявили важность гидрологического мониторинга территории Артын Омской области. Данное исследование показало, что, если своевременно не решить вопрос с затоплением территории, может возникнуть неприятная ситуация: уничтожение урожая, понижение плодородия почвы.
Список источников
1.Пархоменко Н.А., Гарагуль А.С. [Электронный ресурс]: Выявление экологических рисков при исследовании природы Сибири в аспекте развития туризма региона // Сборник материалов XVIII Международной научно-практической конференции, посвященной 415-летию города Томска. - 2019. - С. 184-190. https://www.elibrary.ru/ (дата обращения: 28.03.2022).
2.Быков В.Л., Невенчанная Н.М, Шаяхметов М.Р. и др. [Электронный ресурс]: Разработка рекомендаций по использованию данных с беспилотных летательных аппаратов для повышения эффективности ведения хозяйственной деятельности сельхозтоваропроизводителями омской области // Интернет - журнал «448 ВЁРСТ». - 2020. -137 с. https://448verst.m/(дата обращения: 13.03.2022).
3.Купреева Е.А., Морозова А.А. [Электронный ресурс]: Исследование точности определения площадей земельных участков различными способами // Вестник Омского государственного аграрного университета. - 2018. - № 1 (29). - С. 70-84. - URL: https://www.omgau.ru/vestnik/ (дата обращения: 13.03.2022).
4.Ломакина С.С., Мезенцева О.В [Электронный ресурс]: Построение гидро - ЦМР для анализа водосборного бассейна // Геодезия, землеустройство и кадастры : проблемы и перспективы развития, посвящённая 100 - летию советской геодезии и картографии. - 2019. -С. 85-88. https://www.elibrary.ru/(дата обращения: 13.03.2022).
5.Уваров А.И., Аширбаев Р.С. [Электронный ресурс]: Применение БПЛА и материалов дистанционного зондирования при исследовании зон затопления и подтопления территории // Сборник материалов I Международной научно - практической конференции. - 2019. - С. 122-125. https://www.elibrary.ru/ (дата обращения: 13.03.2022).
6.Уваров А.И., Аширбаев Р.С. [Электронный ресурс]: Геодезические работы при исследовании причин и условий возникновения зон затопления, подтопления территории // Актуальные проблемы геодезии, землеустройства и кадастра глазами молодёжи. - 2019. - С. 7-10. https://www.elibrary.ru/ (дата обращения: 13.03.2022).
7.Купреева Е.Н., Адаменко А.А, Колевинская В.Г. [Электронный ресурс]: Картографические проекции, применяемые для создания карт // Молодёжная наука 2018:
исследования, технологии, инновации по проблемам геодезии, землеустройства и кадастра. -2018. - С. 117-121. https://www.elibrary.ru/ (дата обращения: 13.03.2022).
8.Гарагуль А.С., Бикбулатова Г.Г., Громов М.О. [Электронный ресурс]: Применение GNSS и беспилотных летательных аппаратов в точном земледелии // Актуальные проблемы и перспективы развития геодезии, землеустройства и кадастра недвижимости в условиях рыночной экономики. - 2017. - С. 14-17. https://www.elibrary.ru/ (дата обращения: 13.03.2022).
9.Моисеев В.С. [Электронный ресурс]: Прикладная теория управления беспилотными летательными аппаратами: монография // Современная прикладная математика и информатика. - 2013. - 768 с. https://search.rsl.ru/ (дата обращения: 14.03.2022).
10.Быков Л.В., Быков В.Л., Зарайский Б.В., Шерстнёва С.И. Дистанционное зондирование и фотограмметрия: учеб. пособие для обучающихся по специальности 21.05.01 - Прикладная геодезия; Омск: 2017. 84 с.
References
1.Parxomenko N.A., Garagul' A.S. [E'lektronny'j resurs]: Vy'yavlenie e'kologicheskix riskov pri issledovanii prirody' Sibiri v aspekte razvitiya turizma regiona // Sbornik materialov XVIII Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyashhennoj 415-letiyu goroda Tomska, 2019, pp. 184-190. https://www.elibrary.ru/ (data obrashheniya: 28.03.2022).
2.By'kov V.L., Nevenchannaya N.M, Shayaxmetov M.R. i dr. [E'lektronny'j resurs]: Razrabotka rekomendacij po ispol'zovaniyu danny'x s bespilotny'x letatel'ny'x apparatov dlya povy'sheniya e'ffektivnosti vedeniya xozyajstvennoj deyatel'nosti sel'xoztovaroproizvoditelyami omskoj oblasti // Internet - zhurnal «448 VYoRST», 2020, 137 p. https://448verst.ru/(data obrashheniya: 13.03.2022).
3.Kupreeva E.A., Morozova A.A. [E'lektronny'j resurs]: Issledovanie tochnosti opredeleniya ploshhadej zemel'ny'x uchastkov razlichny'mi sposobami // Vestnik Omskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, 2018, № 1 (29), pp. 70-84, URL: https://www.omgau.ru/vestnik/ (data obrashheniya: 13.03.2022).
4.Lomakina S.S., Mezenceva O.V [E'lektronny'j resurs]: Postroenie gidro - CzMR dlya analiza vodosbornogo bassejna // Geodeziya, zemleustrojstvo i kadastry' : problemy' i perspektivy' razvitiya, posvyashhyonnaya 100 - letiyu sovetskoj geodezii i kartografii, 2019, pp. 85-88. https://www.elibrary.ru/(data obrashheniya: 13.03.2022).
5.Uvarov A.I., Ashirbaev R.S. [E'lektronny'j resurs]: Primenenie BPLA i materialov distancionnogo zondirovaniya pri issledovanii zon zatopleniya i podtopleniya territorii // Sbornik materialov I Mezhdunarodnoj nauchno - prakticheskoj konferencii, 2019, pp. 122-125. https://www.elibrary.ru/ (data obrashheniya: 13.03.2022).
6.Uvarov A.I., Ashirbaev R.S. [E'lektronny'j resurs]: Geodezicheskie raboty' pri issledovanii prichin i uslovij vozniknoveniya zon zatopleniya, podtopleniya territorii // Aktual'ny'e problemy' geodezii, zemleustrojstva i kadastra glazami molodyozhi, 2019, pp. 7-10. https://www.elibrary.ru/ (data obrashheniya: 13.03.2022).
7.Kupreeva E.N., Adamenko A.A, Kolevinskaya V.G. [E'lektronny'j resurs]: Kartograficheskie proekcii, primenyaemy'e dlya sozdaniya kart // Molodyozhnaya nauka 2018: issledovaniya, texnologii, innovacii po problemam geodezii, zemleustrojstva i kadastra, 2018, pp. 117-121. https://www.elibrary.ru/ (data obrashheniya: 13.03.2022).
8.Garagul' A.S., Bikbulatova G.G., Gromov M.O. [E'lektronny'j resurs]: Primenenie GNSS i bespilotny'x letatel'ny'x apparatov v tochnom zemledelii // Aktual'ny'e problemy' i perspektivy' razvitiya geodezii, zemleustrojstva i kadastra nedvizhimosti v usloviyax ry'nochnoj e'konomiki, 2017, pp. 14-17. https://www.elibrary.ru/ (data obrashheniya: 13.03.2022).
9.Moiseev V.S. [E'lektronny'j resurs]: Prikladnaya teoriya upravleniya bespilotny'mi letatel'ny'mi apparatami: monografiya // Sovremennaya prikladnaya matematika i informatika, 2013, 768 p. https://search.rsl.ru/ (data obrashheniya: 14.03.2022).
10.By'kov L.V., By'kov V.L., Zarajskij B.V., Sherstnyova S.I. Distancionnoe zondirovanie i fotogrammetriya: ucheb. posobie dlya obuchayushhixsya po speciaFnosti 21.05.01 - Prikladnaya geodeziya; Omsk: 2017. 84 p.
Информация об авторах
Пархоменко Наталья Александровна, канд. с.-х. наук, доц., na.parkhomenko@omgau.org;
Нугманов Альберт Артурович, студент, aa.nugmanov1820@omgau.org
Natalia Parkhomenko, Candidate of Agricultural Sciences, na.parkhomenko@omgau.org;
Albert Nugmanov, student, aa.nugmanov1820@omgau.org
