ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ВОДООХРАННЫХ ЗОН И БЕРЕГОВ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ (НА ПРИМЕРЕ ЦИМЛЯНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА)

Скрипка Григорий Иванович; Сапрыгин Владислав Владимирович; Ивлиева Ольга Васильевна; Беспалова Людмила Александровна

Естественные и точные науки ••• 93

Natural and Exact Sciences •••

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации Пуреховский Андрей Жоржевич, научный сотрудник, Институт географии РАН, Москва, Россия; e-mail: purekhovskii@igras.ru Петров Леонид Алексеевич, научный сотрудник, Институт географии РАН, Москва, Россия; e-mail: petrov@igras.ru

Колбовский Евгений Юлисович, доктор географических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, географический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова; ведущий научный сотрудник, Институт географии РАН, Москва, Россия; e-mail: kolbovskii@ igras.ru

Сонюшкин Антон Владимирович, кандидат технических наук, научный сотрудник, Институт географии РАН; Москва, Россия; email: asonyushkin@igras.ru

Принята в печать 04.10.2022 г.

INFORMATION ABOUT AUTHORS Affiliations Andrey G. Purekhovsky, Researcher, Institute of Geography, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia; e-mail: purekhov-skii@igras.ru

Leonid A. Petrov, Researcher, Institute of Geography, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia; e-mail: petrov@igras.ru

Evgeny Yu. Kolbovsky, Doctor Science (Geography), Professor, Leading Researcher, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University; Leading Researcher, Institute of Geography, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia; e-mail: kolbovskii@igras.ru

Anton V. Sonyushkin, Ph.D. (Technical science), Researcher, Institute of Geography, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia; email: asonyushkin@igras.ru

Received 04.10.2022.

Науки о Земле / Earth Science Оригинальная статья / Original Article УДК 502.171:546.212:574.58

DOI: 10.31161/1995-0675-2022-16-4-93-99. EDN: XNBIER

Использование беспилотных летательных аппаратов для оценки состояния водоохранных зон и берегов водных объектов (на примере Цимлянского водохранилища)

1 Российский информационно-аналитический и научно-исследовательский водохозяйственный центр Ростов-на-Дону, Россия; e-mail: skripka.grisha@yandex.ru; saprygin@gmail.com;

ivlieva.o@mail.ru; bespalowaliudmila@yandex.ru 2 Южный федеральный университет Ростов-на-Дону, Россия; e-mail: ivlieva.o@mail.ru; bespalowaliudmila@yandex.ru

РЕЗЮМЕ. Цель. Анализ возможности решения задач, определённых нормативными правовыми документами по осуществлению мониторинга водоохранных зон и берегов водных объектов. Методы. Использованы методы дистанционного зондирования с помощью беспилотных летательных аппаратов при исследовании береговой зоны Цимлянского водохранилища. Результаты. В результате наземных обследований и аэросъёмки с помощью беспилотных летательных аппаратов получена достоверная информация о состоянии водоохранной зоны и нарушениях установленного законодательством режима ее использования. Дана градация задач по получению достоверной информации о состоянии водо-охраной зоны водных объектов. Выводы. Наибольшее значение использование материалов дистанци-

онного зондирования имеет для определения движения бровки береговых обрывов и развития в береговой зоне опасных экзогенных геологических процессов.

Ключевые слова: водоохранная зона, беспилотный летательный аппарат, антропогенные объекты, густота эрозионной сети.

Формат цитирования: Скрипка Г. И., Сапрыгин В. В., Ивлиева О. В., Беспалова Л. А. Использование беспилотных летательных аппаратов для оценки состояния водоохранных зон и берегов водных объектов (на примере Цимлянского водохранилища) // Известия Дагестанского государственного педагогического университета. Естественные и точные науки. 2022. Т. 16. № 4. С. 93-99. 001: 10.31161/19950675-2022-16-4-93-99. БОИ: ХИВ1БР

The Unmanned Aerial Vehicles for Assessing the State of Water Protection Zones and Water Bodies Shores (the Tsimlyansk Reservoir)

1 Russian Information, Analytical and Research Water Management Center Rostov-on-Don, Russia; e-mail: skripka.grisha@yandex.ru; saprygin@gmail.com; ivlieva.o@mail.ru; bespalowaliudmila@yandex.ru

2 Southern Federal University Rostov-on-Don, Russia; e-mail: ivlieva.o@mail.ru; bespalowaliudmila@yandex.ru

ABSTRACT. Aim. Analysis of the tasks solving possibility defined by regulatory legal documents on the monitoring of water protection zones and water bodies shores. The methods of remote sensing with the unmanned aerial vehicles were used in the study of the Tsimlyansk reservoir coastal zone. Results. As a result of ground surveys and aerial photography with the unmanned aerial vehicles, reliable information was obtained on the state of the water protection zone and violations of its use regime established by law. It is given a gradation of tasks for obtaining reliable information about the water protection zone state of water bodies. Conclusions. The use of remote sensing materials is of the greatest importance for determining the movement of the coastal cliffs edge and the development of dangerous exogenous geological processes in the coastal zone.

Keywords: water protection zone, unmanned aerial vehicle, anthropogenic objects, erosion network density.

For citation: Skripka G. I., Saprygin V. V., Ivliyeva O. V., Bespalova L. A. The Unmanned Aerial Vehicles for Assessing the State of Water Protection Zone and Water Bodies Shores (the Tsimlyansk Reservoir). Dagestan State Pedagogical University. Journal. Natural and Exact Sciences. 2022. Vol. 16. No. 4. Рр. 93-99. DOI: 10.31161/1995-0675-2022-16-4-93-99. EDN: XNBIER (In Russian)

Введение

Существенно дополнить материалы наземных обследований береговой зоны водоемов в рамках обязательного государственного мониторинга водных объектов в настоящее время позволяет информация, получаемая в результате дистанционных обследований, осуществляемых с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Кроме того, в результате наземных обследований и по доступным для широкого использования топографическим картам невозможно получить полную объективную информа-

ции о состоянии берегов и водоохранных зон водных объектов. В частности, с использованием БПЛА можно получить информацию об изменении положения береговой линии, местах размещения отходов, сбросе дренажных и сточных вод, о густоте эрозионной сети водоохраной зоны, а также осуществить зонирование прибрежных ландшафтов и проследить их динамику за ряд лет. Также дистанционное зондирование может сопровождаться фото- и видеосъёмкой, что обеспечивает получение материалов о фактическом со-

Естественные и точные науки ••• 95

Natural and Exact Sciences •••

стоянии объектов на момент съёмки обследования, кроме этого наблюдения могут выполняться с большей частотой, чем наземные полномасштабные обследования. Для определения изменения положения береговой линии водных объектов необходимо выполнение повторной съёмки, это дает возможность достаточно точно определить величину изменения положения бровки берегового обрыва, особенно если есть данные наземной реперной сети. Коллектив авторов на примере обследования берегов Цимлянского водохранилища с помощью БПЛА разработал оригинальную методику анализа ортофо-топланов, позволяющую осуществлять мониторинг состояния водоохранной зоны водных объектов.

Цель исследования - показать возможность существенного дополнения материалов наземных обследований информацией, получаемой в результате дистанционных обследований, осуществляемых с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Обследования берегов и водоохранных зон (ВЗ) водных объектов осуществлялись при помощи квадроко-птеров Phantom 4 Pro, Phantom 4 Advanced и Phantom 4 ProV2.0 производства DJI.

Материал и методы исследования

В ходе выполнения регулярных обследований состояния водоохранной зоны водных объектов и наблюдений за изменением положения береговой линии организации, подведомственные Росводресур-сам, должны осуществлять сбор, систематизацию и представление в автоматизированную информационную систему государственного мониторинга водных объектов (АИС ГМВО) данных о фактическом состоянии водоохранных зон водных объектов, площади экосистем в границах ВЗ, информацию об изменении положения береговой линии по створам сети ГМВО, выявлять случаи нарушения запретов на осуществление хозяйственной и иной деятельности на данной территории, установленные Водным кодексом Российской Федерации [1; 2; 6].

Сбор материалов осуществляется в ходе наземных обследований ВЗ, выполняемых на регулярной основе (обычно 2 раза в год), согласованным с Федеральным агентством водных ресурсов маршрутам. Также дважды в год по створам сети ГМВО осуществляются наблюдения за из-

менением положения береговой линии (форма № 26 АИС ГМВО).

В результате обследованию подвергается не вся территория ВЗ, а только та её часть, которая доступна для наблюдения с линии согласованного маршрута. Ряд участков при проведении наземных маршрутов в связи с невозможностью проезда не могут быть обследованы. Не всё побережье водных объектов доступно и для обследования с воды.

Таким образом, в результате наземных обследований может быть получена достоверная информация о состоянии ВЗ и нарушениях установленного законодательством режима их использования только по видимой с согласованных маршрутов территории, а о положении береговой линии - только по створам ГМВО. Практически всегда уверенно устанавливаются попадающие в поле зрения кладбища, места размещения отходов, оборудование для использования или сброса дренажных и сточных вод, грунтовые дороги, автозаправки, распашка, отвалы размываемого грунта.

Информация о густоте эрозионной сети и площади экосистем в границах водоохранной зоны, необходимая для заполнения формы № 27 АИС ГМВО, должна определяться на основе анализа картографических материалов. Однако её достоверное определение не всегда возможно.

Даже на крупномасштабных топографических картах можно проанализировать степень эрозионных процессов только для средних рек и крупных балок, то есть, определить положение и динамику относительно крупных водотоков.

Зонирование ландшафтов по топографическим картам в принципе невозможно, поскольку на них отдельно показаны территории, занятые кустарником и древесной растительностью, а территории с другой растительностью не выделяются.

Кроме того, топографические карты издаются раз в несколько лет, следовательно, показанная на них ситуация ландшафтов может существенно отличаться от современной ситуации.

Таким образом, в результате наземных обследований и по доступным для широкого использования топографическим картам невозможно получить полную объективную информации о состоянии берегов и водоохранных зон водных объектов.

Результаты и их обсуждение

При выполнении дистанционных обследований ВЗ с использованием БПЛА появляются новые возможности получения информации о реальной ситуации на обследуемой территории, что позволяет существенно дополнить материалы наземных обследований, повысить их достоверность и обоснованность [4-6].

Во-первых, с БПЛА может быть обследована вся разрешённая для полётов БПЛА территория ВЗ независимо от доступности её для наземных обследований;

Во-вторых, скорость и частота наблюдений существенно возрастает, а сами обследования могут проводиться независимо от возможности посещения различных участков из-за неблагоприятных погодных условий (например, непроходимость для автотранспорта грунтовых дорог);

В-третьих, дистанционное зондирование может сопровождаться фото- и видеосъёмкой, что обеспечивает получение материалов о фактическом состоянии объектов на момент съёмки. При этом на фотоматериалах могут быть запечатлены не только сами объекты, но и ситуация на окружающей территории;

В-четвёртых, по материалам, полученным с помощью БПЛА, могут быть проведены измерения параметров исследуемых объектов, их положения относительно других природных и антропогенных объектов;

В-пятых, обследования могут выполняться с большей частотой, чем наземные полномасштабные обследования, и охватывать только интересующий по каким-то причинам участок ВЗ (побережья).

При этом следует учитывать, что материалы, полученные с помощью БПЛА, не

могут полностью заменить результаты наземных обследований.

Так как закрытые древесной растительностью участки недоступны для наблюдений с БПЛА, а также существуют правовые ограничения для полётов БПЛА над некоторыми участками ВЗ, целый ряд объектов не могут быть достоверно идентифицированы только по материалам дистанционного зондирования.

В настоящее время отработаны приёмы для выявления нарушений режима использования ВЗ, оценки изменения положения бровки береговых уступов и определения величины густоты эрозионной сети (ГЭС) [2; 3; 5].

Наиболее полная и достоверная информация может быть получена для выявления следующих нарушений режима использования ВЗ: распашка земли (табл.), выпас домашнего скота и организация для него летних лагерей и ванн, движение и стоянка транспортных средств по дорогам и на стоянках, не имеющих твёрдое покрытие, добыча полезных ископаемых.

В большинстве случаев уверенно устанавливаются места размещения отходов производства и потребления, кладбища, но точность и детальность информации о них зависят от размеров объекта и его расположения на местности. При определённых условиях высота съёмки должна быть менее 300 м, а объектив камеры ориентирован под углом или субгоризонтально. При этом может быть получена информация не только о самом объекте, но и об его параметрах и положении относительно других объектов, береговой линии, границы ВЗ.

Таблица. Количество и площади участков распашки территории ВЗ, выявленные при обследованиях с БЛА и отмеченные в отчётах ФГБУ УВРЦВ

Table. The number and areas of the plot for plowing on the WPZ territory, identified during

Муниципальный район Площадь распашки (га) Количество участков распашки

Определённая с БЛА По отчётам территориальных подразделений ФГБУ УВРЦВ Определённая с БЛА По отчётам территориальных подразделений ФГБУ УВРЦВ

Дубовский 21 0 3 0

Цимлянский 316 около 73 41 10

Калачёвский 90 0 10 0

Котельниковский 98 0 18 0

Октябрьский 145 около 30 15 1

Суровикинский 15 0 9 0

Чернышковский более 25 более 6 5 2

Естественные и точные науки ••• 97

Natural and Exact Sciences •••

Проведение наземного обследования необходимо для получения точной информации об объекте при выявлении в результате дистанционного зондирования следующих нарушений режима использования ВЗ: размещения отвалов размываемых грунтов; использования сточных вод в целях регулирования плодородия почв; сброс сточных, в том числе дренажных, вод; применение пестицидов и агрохими-катов.

Производственные объекты, в том числе гаражи, ремонтно-механические мастерские, склады горюче-смазочных материалов и другие хранилища веществ и материалов, размещение которых в ВЗ или прибрежной защитной полосе запрещено, достоверно установлены могут быть только в ходе наземных обследований, но для контроля за устранением выявленных нарушений могут быть использованы БПЛА.

Для определения изменения положения береговой линии водохранилища необходимо выполнение повторной съёмки.

Рис. Реперная сеть мониторинга бровки берегового обрыва Цимлянского водохранилища

Fig. Reference network for monitoring of the coastal cliff edge in the Tsimlyansk reservoir

Сравнение материалов съёмок позволяет выявить, а при наличии реперов и определить величину изменения положения бровки берегового обрыва (рис.) [5].

Разработана методика анализа ортофо-топланов, построенных по материалам дистанционного зондирования, позволяющая определить значение густоты эрозионной сети (ГЭС) для любого участка ВЗ водного объекта. При этом могут быть учтены все линейные эрозионные формы рельефа или только определённого типа [2; 3].

Работы по определению границ и площади экосистем (ландшафтов), предусмотренных формой № 27 АИС ГМВО показали, что пока точность определений по материалам аэрофотосъёмки с БПЛА невысока и не может быть рекомендована к широкому применению. Однако в дальнейшем материалы дистанционного зондирования, видимо, могут быть использованы для указанной цели.

Заключение

Использование материалов дистанционного зондирования с помощью БПЛА существенно дополняет и обеспечивает объективность информации, получаемой в ходе наземных обследований, в том числе за счёт данных, недоступных для определения наземными методами.

По материалам дистанционного зондирования могут быть уверенно выявлены следующие антропогенные объекты (размещение которых в ВЗ запрещено законодательством): кладбища, свалки твердых бытовых отходов, территории выпаса домашнего скота. А также зоны использования грунтовых дорог, распашки земли в

водоохранной зоне, добычи полезных ископаемых. Могут быть определены параметры движения бровки береговых обрывов и развития в береговой зоне опасных экзогенных процессов.

Материалы дистанционных обследований можно рационально использовать при планировании наземных обследований водоохраной зоны. Полученные с помощью беспилотных летательных аппаратов материалы могут использоваться в качестве доказательства нарушения режима использования водоохраной зоны водных объектов и впоследствии - для организации контроля их устранения.

Литература

1. Об утверждении Положения об осуществлении государственного мониторинга водных объектов: Постановление Правительства Российской Федерации от 10 апреля 2007 г. № 219.

2. О вводе в постоянную эксплуатацию автоматизированной информационной системы государственного мониторинга водных объектов Российской Федерации: Приказ Федерального агентства водных ресурсов от 10 февраля 2014 г. № 35.

3. Ивлиева О. В., Беспалова Л. А., Сердюк Л. В. Оценка густоты эрозионной сети водоохранной зоны Цимлянского водохранилища с использованием современных информационных технологий и беспилотных летательных аппаратов (БЛА) в целях совершенствования методов государственного мониторинга // Водохранилища Российской Федерации: современные экологические проблемы, состояние, управление: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции, (Сочи, 23-29 сентября 2019 г.). Новочеркасск: Лик, 2019. С. 288-295.

4. Ивлиева О. В., Скрипка Г. И., Беспалова Л. А., Калиманов Т. А., Чмыхов А. А. Мониторинг

опасных экзогенных геологических процессов водоохранной зоны Цимлянского водохранилища с использованием беспилотных летательных аппаратов // Водные ресурсы России: современное состояние и управление: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции: 2-х т. Т. 1 (Сочи, 08-14 октября 2018 г.). Новочеркасск: Лик, 2018. С. 313-318.

5. Косолапов А. Е., Скрипка Г. И., Беспалова Л. А., Глинка В. В., Ивлиева О. В., Сапрыгин В. В. Оценка горизонтальной и вертикальной расчленённости водоохранной зоны Цимлянского водохранилища (на примере Дубовского района) // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Естественные науки. 2021. № 1. С. 82-89.

6. Скрипка Г. И., Сердюк Л. В., Беспалова Л. А. Ивлиева О. В., Филатов А. А. Методика оценки густоты эрозионной сети водоохранных зон водохранилищ с использованием съёмок с беспилотных летательных аппаратов (БЛА) и ГИС-технологий (на примере Цимлянского водохранилища) // Естественные и технические науки. 2018. № 5 (119). С. 162-168.

References

1. Ob utverzhdenii Polozheniya ob osushchestvlenii gosudarstvennogo monitoringa vodnykh ob"ektov: Postanovlenie Pravitel'stva Rossiyskoy Federatsii ot 10 aprelya 2007 g. № 219 [On the Approval of the Regulations on the Implementation of Water Bodies State Monitoring: Decree of the Russian Federation Government dated April 10, 2007 No. 219]. (In Russian)

2. O vvode v postoyannuyu ekspluatatsiyu avtomatizirovannoy informatsionnoy sistemy gosudarstvennogo monitoringa vodnykh ob"ektov Rossiyskoy Federatsii: Prikaz Federal'nogo

agentstva vodnykh resursov ot 10 fevralya 2014 g. № 35 [On Putting into Permanent Operation an Automated Information System for Water Bodies State Monitoring in the Russian Federation: Order of the Federal Agency for Water Resources dated February 10, 2014 No. 35]. (In Russian)

3. Ivlieva O. V., Bespalova L. A., Serdyuk L. V. Evaluation of the erosion network density in the water protection zone of the Tsimlyansk reservoir using modern information technologies and unmanned aerial vehicles (UAVs) in order to improve methods for state monitoring

Естественные и точные науки ••• 99

Natural and Exact Sciences •••

Vodokhranilishcha Rossiyskoy Federatsii: sov-remennye ekologicheskie problemy, sostoyanie, upravlenie: sbornik materialov Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, (Sochi, 2329 sentyabrya 2019 g.) [Reservoirs of the Russian Federation: Current Environmental Issues, State, Management: Proceedings of the All-Russian Scientific and Practical Conference, (Sochi, September 23-29, 2019)]. Novocherkassk, Lik Publ., 2019. Pp. 288-295. (In Russian)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

4. Ivlieva O. V., Skripka G. I., Bespalova L. A., Kalimanov T. A., Chmykhov A. A. Monitoring of hazardous exogenous geological processes in the water protection zone of the Tsimlyansk reservoir using unmanned aerial vehicles. Vodnye resursy Rossii: sovremennoe sostoyanie i upravlenie: sbornik materialov Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii: 2-kh t. T. 1 (Sochi, 08-14 oktyabrya 2018 g.) [Water Resources in Russia: Current State and Management: Proceedings of the All-Russian Scientific and Practical Conference: in 2 vols. Vol. 1 (Sochi, October 08-

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации Скрипка Григорий Иванович, кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник, Российский информационно-аналитический и научно-исследовательский водохозяйственный

центр, Ростов-на-Дону, Россия; e-mail: skripka.griha@yandex.ru

Сапрыгин Владислав Владимирович, кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник, Российский информационно-аналитический и научно-исследовательский водохозяйственный

центр, Ростов-на-Дону, Россия, e-mail: vv.saprygin@gmail.com

Ивлиева Ольга Васильевна, доктор географических наук, профессор кафедры туризма, Южный федеральный университет; ведущий научный сотрудник, Российский информационно-аналитический и научно-исследовательский водохозяйственный

центр, Ростов-на-Дону, Россия, e-mail: ivlieva.o@mail.ru

Беспалова Людмила Александровна, доктор географических наук, профессор кафедры океанологии, Южный федеральный университет; ведущий научный сотрудник, Российский информационно-аналитический и научно-исследовательский водохозяйственный центр, Ростов-на-Дону, Россия, e-mail: bespalowaliudmila@yandex.ru

14, 2018)]. Novocherkassk, Lik Publ., 2018. Pp. 313-318. (In Russian)

5. Kosolapov A. E., Skripka G. I., Bespalova L. A., Glinka V. V., Ivlieva O. V., Saprygin V. V. Evaluation of the horizontal and vertical dissection in the water protection zone of the Tsimlyansk reservoir (the Dubovsky district). Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Severo-Kavkazskiy region. Seriya: Estestvennye nauki [Proceedings of Higher Educational Institutions. North Caucasian Region. Natural Sciences]. 2021. No. 1. Pp. 82-89. (In Russian)

6. Skripka G. I., Serdyuk L. V., Bespalova L. A. Ivlieva O. V., Filatov A. A. Method for assessing the erosion network density in water protection zones of reservoirs using surveys from unmanned aerial vehicles (UAVs) and GIS technologies (the Tsimlyansk reservoir). Estestvennye i tekhnicheskie nauki [Natural and Technical Sciences]. 2018. No. 5 (119). Pp. 162-168. (In Russian)

INFORMATION ABOUT AUTHORS Affiliations Grigory I. Skripka, Ph.D. (Geology and Mineralogy), Leading Researcher, Russian Information, Analytical and Research Water Management Center, Rostov-on-Don; e-mail: skrip-ka.griha@yandex.ru

Vladislav V. Saprygin, Ph.D. (Geography), Leading Researcher, Russian Information, Analytical and Research Water Management Center Rostov-on-Don, Russia; e-mail: vv.saprygin@ gmail.com

Olga V. Ivliyeva, Doctor of Science (Geography), Professor, Department of Tourism, Southern Federal University; Leading Researcher, Russian Information, Analytical and Research Water Management Center, Rostov-on-Don, Russia; e-mail: ivlieva.o@mail.ru

Lyudmila A. Bespalova, Doctor of Science (Geography), Doctor of Geographical Sciences, Professor, Department of Oceanology, Southern Federal University; Leading Researcher, Russian Information, Analytical and Research Water Management Center, Rostov-on-Don, Russia; email: bespalowaliudmila@yandex.ru

Принята в печать 04.10.2022 г.

Received 04.10.2022.

THE UNMANNED AERIAL VEHICLES FOR ASSESSING THE STATE OF WATER PROTECTION ZONES AND WATER BODIES SHORES (THE TSIMLYANSK RESERVOIR)