CC BY
81
МЕЛИОРАЦИЯ, РЕКУЛЬТИВАЦИЯ
И ОХРАНА ЗЕМЕЛЬ MELIORATION, RECULTIVIATION AND LAND PROTECTION
УДК 332.45.1
https://doi.org/10.23947/2413-1474-2022-6-1-87-94
Использование беспилотных летательных аппаратов в мониторинге водных объектов Овчинникова Н. Г., Ниценко И. А.
Донской государственный технический университет (г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация)
Считается, что основную роль в загрязнении водной среды играет деятельность по сбросу отходов промышленных предприятий. Также не стоит обделять вниманием сферу сельского хозяйства, которая активно применяет удобрения и средства защиты от насекомых для выращивания растений, а сектор животноводства получил массовое развитие. В свою очередь, некачественно очищенные коммунально-бытовые сбросы также влияют на качество поверхностных вод.
Для решения множества экологических проблем на сегодняшний день стало доступно применять методы дистанционного мониторинга с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
Ключевые слова: экологическая проблема, мониторинг, водные объекты, беспилотные летательные аппараты.
Для цитирования: Овчинникова, Н. Г. Использование беспилотных летательных аппаратов в мониторинге водных объектов / Н. Г. Овчинникова, И. А. Ниценко // Экономика и экология территориальных образований. — 2022. — Т. 6, № 1. — С. 87-94. https://doi.org/10.23947/2413-1474-2022-6-1-87-94
The use of unmanned aerial vehicles in the monitoring of water bodies Ovchinnikova N. G., Nicenko I. A.
Don State Technical University (Rostov-on-Don, Russian Federation)
It is believed that the main role in the pollution of the aquatic environment is played by the dumping of industrial waste. Also, it is not necessary to neglect the sphere of agriculture, which actively uses fertilizers and insect repellents for growing plants, and the livestock sector has received massive development. In turn, poorly treated municipal discharges also affect the quality of surface water. To solve a variety of environmental problems, it has become available today to apply remote monitoring methods using unmanned aerial vehicles (UAVs).
Keywords: environmental problem, monitoring, water bodies, unmanned aerial vehicles.
For citation: N. G. Ovchinnikova, I. A. Nicenko. The use of unmanned aerial vehicles in the monitoring of water bodies. Economy and ecology of territorial formations, 2022, vol. 6, no 1, pp. 87-94. https://doi.org/10.23947/2413-1474-2022-6-1-87-94
Введение. Вода — важнейшее, а также необходимое условие жизнедеятельность общества и развития производственных сил. Она не имеет замены. Природа не способна обойтись без воды, которая участвует во всех процессах обмена веществ. Для человека большое значение имеет удовлетворение потребностей в чистой питьевой воде. Также они используют данный ресурс в бытовых, сельскохозяйственных и промышленных целях.
Загрязнение водных объектов является острой проблемой нашего века, поэтому следует уделять данной проблеме должное внимание. Изменения параметров природной среды и антропогенного воздействия на нее, а также деятельность человека и живых организмов в настоящее время фиксируются с помощью беспилотных авиационных систем. Цель данной статьи — рассмотреть достоинства и недостатки использования бесплотных летательных аппаратов для мониторинга состояния водных объектов.
Основная часть. Водные ресурсы являются на сегодняшний день одними из самых ценных на планете. Но при этом остро стоит проблема их истощения и загрязнения.
Структура водных ресурсов продемонстрирована на рис. 1.
Рис. 1. Структура водных ресурсов
Вода занимает первое место в потребностях человека, но, даже понимая всю значимость этого ресурса, человек не прекращает нерациональное ее использование, приводящее к загрязнению Мирового океана.
Классификация водных ресурсов приведена на рис. 2.
Рис. 2. Классификация водных объектов
Мониторинг водных объектов является составной частью государственного мониторинга окружающей среды, представляет собой совокупность мероприятий, направленных на систематическое наблюдение, оценку, а также прогнозирование состояния водных объектов под воздействием различных природных и антропогенных факторов [1-2].
Основными целями государственного мониторинга водных объектов считаются:
1) своевременное выявление фактов пагубных воздействий на водные объекты, их диагностика, разработка мер по предотвращению возникновения таких случаев;
2) анализ эффективности осуществляемых мероприятий по обеспечению охраны и рационального использования водных ресурсов;
3) обеспечение государственного водного фонда необходимой информацией для контроля за рациональным использованием и охраной вод, а также для сохранения благоприятных условий для жизнедеятельности человека [3].
Мониторинг водных объектов осуществляется на федеральном, региональном (территориальном) и локальном уровнях.
Беспилотный летательный аппарат — летательный аппарат, который не имеет на борту экипажа и может совершать управляемый и неуправляемый полет. Классификация беспилотных летательных аппаратов продемонстрирована в табл. 1.
Таблица 1
Классификация беспилотных летательных аппаратов
Викгкая масса, кг Дальности действия, км
Микро- it мшш-БПЛА ближнего радиуса действ hi До 5 До 25-10
Легкие БИЛЛ чалого радиуса действия 5-50 10 70
Легкие БПЛЛ среднего радиуса действия 50-100 70-150(250)
Средние БПЛЛ, Сред нетяжелые БПЛА, Тяжелые БПЛЛ От 100 От 70
Использование БПЛА в качестве современного метода для экологического мониторинга позволяет проводить необходимые наблюдения вне зависимости от местоположения объекта и получать подробные материалы оперативно. БПЛА применяют в разных сферах: для получения фотоснимков объектов, для контроля качества окружающей среды [4]. Помимо мониторинга водных объектов, для целей экологического мониторинга БПЛА могут применятся в сферах, представленных на рис. 3.
* Аэрофотосъемка тшэвотшт определить точные границы и внешний вид учаопса»которые ДДДШЬЗуются для ВЕлращнвапня льскохочяйсге енных продуктов
* сИотосннмок моя;но нспольчопать для оценки общего состояния растительности и лесу, для поиска незаконно сруЗленных деревьев п так далее
Аэрофотосъемка также применяется в сфере лобы'й! нефти, гачп п твердых Доленных ископаемых (с помощью енныкои можно оценить качество коммуникаций - опредетптъ смещение грунта и так далее У
Рис. 3. Сферы применения БПЛА http://eco.e.donstu.ru/ 89
Аграрный сектор
Лесное хозяйство
Добыча полезных ископаемых
Проведение съемки с воздуха включает в себя четыре основных этапа (рис. 4).
Рис. 4. Этапы аэрофотосъемки
1. Подготовка маршрута. Собирается информация о фотографируемой местности, составляется летная карта.
Для координатной привязки фотоснимков и исправления искажений аэроснимков, возникших в процессе аэрофотосъемки, на местности создается геодезическая основа.
Если на фотографируемой местности не хватает геодезических пунктов, выбираются дополнительные фотограмметрические точки, которые привязываются к пунктам геодезической основы. Выбираются ориентировочные предметы, то есть такие, которые хорошо видны с летательного аппарата и легко опознаваемы на аэроснимке [5].
Составляется летная карта, которая представляет собой маршрут полета летательного аппарата (рис. 5).
Рис. 5. Летная карта
Определяется масштаб аэросъемки в зависимости от требуемой визуальной информативности. Она подразделяется на:
а) крупномасштабную — крупнее 1:10000;
б) среднемасштабную — от 1:10 000 до 1:30 000;
в) мелкомасштабную — от 1:30 000 до 1:100 000.
На летной карте намечаются маршруты так, чтобы присутствовало продольное перекрытие, то есть часть участка местности, сфотографированная на одном снимке, должна быть сфотографирована и на другом [6].
Каждый последующий маршрут перекрывает предшествующий на некоторый процент площади (обычно на 40-60 %, как продемонстрировано на рис. 6), что позволяет избежать боковых смещений и искажений, но может быть изменено в соответствии с требованиями к этим снимкам.
Рис. 6. Перекрытие маршрута
2. Летно-съемочный процесс. Этот этап характеризуется работами по аэрофотографированию земной поверхности.
В зависимости от объекта работ проводятся различные виды аэросъемки, отличающиеся по конфигурации маршрутов:
— аэрофотосъемка, при которой снимают относительно узкую полосу. Используется для съемки линейных объектов;
— площадная аэрофотосъемка представляет собой множество объединенных маршрутов линейной аэрофотосъемки. Применяется на больших территориях;
— кадровая съемка применяется в съемке точечных объектов или объектов малой площади.
Полет проходит по намеченному маршруту [7].
Съемку территорий до 100 кв. км, точечных объектов или маленьких по площади, а также протяженных линейных объектов можно производить при помощи беспилотных летательных аппаратов (чаще всего квадрокоптеров). Для данных объектов экономически невыгодно использование пилотируемых летательных аппаратов.
Управление может быть как ручным (дистанционным), так и автоматическим. Ручное управление осуществляется оператором с дистанционного пульта путем анализа информации, поступающей с видеокамеры беспилотника. При данном типе управления оператор поддерживает заданную высоту полета и придерживается намеченного маршрута. В свою очередь, автоматическое управление осуществляется с помощью бортовых программных устройств, которые автоматически производят контроль полета по заданному маршруту и высоте.
3. Обработка данных. Изображения объединяются в ортофотоплан. Для обработки материалов аэрофотосъемки используется компьютерная программа Agisoft Metashape. Использование классических элементов фотограмметрии в совокупности с алгоритмами программного обеспечения позволяет достигать высокой точности и контроля этапов обработки.
На начальном этапе обработки выполняется построение и уравнивание сети триангуляции с определением параметров ориентирования камеры по фотографиям и на основе этих данных выполняется построение плотного облака точек, которые являются исходными данными для построения трехмерной поверхности [8].
Она может быть представлена в виде цифровой модели местности либо полигональной 3D-модели, как на рис. 7.
Рис. 7. Ортофотоплан
На этапе построения ортофотоплана уже в соответствии с полученной поверхностью выполняется ортотрансформирование всех снимков и составление общей картины, общего изображения, которое, соответственно, является ортофотопланом.
4. Анализ результатов. На данном этапе производится оценка произошедших изменений исследуемого объекта мониторинга [9-15].
Заключение. В настоящее время изменения параметров природной среды и антропогенного воздействия на нее, а также деятельность человека и живых организмов уже фиксируются с помощью беспилотных авиационных систем. Но информации, получаемой с беспилотных аппаратов, недостаточно для комплексного анализа экологических проблем и принятия управленческих решений. Для этих целей ведется обработка данных в программных средах, что позволяет создавать 3D-модели местности и рельефа. При этом важно учитывать технологическое несовершенство актуальных беспилотных авиационных систем.
Данный метод экологического мониторинга имеет ряд преимуществ: относительно низкие затраты для получения результатов оперативного мониторинга, информативность результатов, свобода перемещения летательного аппарата, возможность съемки огромных по площади территорий, быстрое время обработки материалов.
Помимо преимуществ, в применении беспилотных технологий также существуют и недостатки: несовершенство баз данных, необходимость создания информационных систем и обучения персонала, сложность бортового комплекса аппаратуры, продолжительные сроки разработки оборудования.
Мониторинг является важнейшей частью экологического контроля. Безопасность для человека и экосистемы напрямую зависит от качества и своевременности применения комплекса мероприятий, которые касаются анализа различных водных ресурсов.
Загрязнение водных объектов является острой проблемой нашего века, поэтому следует уделять данной проблеме должное внимание.
Библиографический список
1. Экологический мониторинг окружающей среды / Д. А. Припутнев, И. Н. Мальцев, В. И. Лукьяненко, А. М. Чуйков // Проблемы обеспечения безопасности при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций : сборник статей по материалам IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Ч. 1. — Воронеж, 2015. — С. 182185.
2. Панин, В. Ф. Теоретические основы защиты окружающей среды / В. Ф. Панин. — Томск : ТПУ, 2009. — 115 с.
3. Хандогина, Е. К. Экологические основы природопользования : учеб. пособие / Е. К. Хандогина, Н. А. Герасимова, А. В. Хандогина. — Москва : Форум: ИНФРА-М, 2007. — С. 94-96.
4. Федосеева, Н. А. Перспективные области применения беспилотных летательных аппаратов / Н. А. Федосеева, М. В. Загвоздкин // Научный журнал. — 2017. — № 9 (22). — С. 26-29.
5. Булавицкий, В. Ф. Фотограмметрия и дистанционное зондирование территории : учеб.пособие / В. Ф. Булавицкий, Н. В. Жукова. — Хабаровск : Изд-во Тихоокеан.гос.ун-та,
2016. — 113 с.
6. Назаров, А. С. «Фотограмметрия» : учеб. пособие / А. С. Назаров. — Минск : Тетра-Системс, 2006. — 368 с.
7. Хабарова, И. А. Методология осуществления дистанционного зондирования в землеустройстве / И. А. Хабарова, Д. А. Хабаров // Землеустройство, кадастр и мониторинг земель. — 2019. — № 3 (17). — С. 75-79.
8. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов : Геодезические, картографические инструкции, нормы и правила ГКИНП (ГНТА)-02-036-02 / Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов : [сайт]. — URL: https://docs.cntd.ru/document/1200037140 (дата обращения: 27.03.2022).
9. Инженерная геодезия : учебное пособие. Часть II / Е. С. Богомолова, М. Я. Брынь, В. А. Коугия [и др.]. — Санкт-Петербург : Петербургский государственный университет путей сообщения, 2008. — 93 с.
10. Ovchinnikova N.G. Аnalysis of territorial planning and prospects for further development of urban districts and settlements in Rostov region // В сборнике: MATEC Web of Conferences.
2017. С. 01004.
11. Ovchinnikova N., Vodolazskaya T. Challenges and perspectives for rural development В сборнике: E3S Web of Conferences. XIV International Scientific and Practical Conference "State and Prospects for the Development of Agribusiness — INTERAGROMASH 2021". Rostov-on-Don, 2021. С. 06007.
12. Ovchinnikova N., Aliyeva N., Petrova I. Principles and methodological approaches to efficient use of land В сборнике: E3S Web of Conferences. XIV International Scientific and Practical
Conference "State and Prospects for the Development of Agribusiness — INTERAGROMASH 2021". Rostov-on-Don, 2021. С. 06008.
13. Ovchinnikova N. Analysis of sustainable development of rural areas in Russia: results, challenges and solutions В сборнике: E3S Web of Conferences. 8. Сер. "Innovative Technologies in Science and Education, ITSE 2020" 2020. С. 14002.
14. Ovchinnikova N., Batranyuk M., Zhidkova E., Lazebnaya Y., Timofeeva V. Main areas of land use in municipal entity. В сборнике: E3S Web of Conferences. 8. Сер. "Innovative Technologies in Science and Education, ITSE 2020" 2020. С. 09004.
15. Медведков, Д. А. Практика беспилотных летательных аппаратов в целях ведения земельно-кадастровых работ / Д. А. Медведков, Н. Г. Овчинникова // Сборник статей по материалам Международной студенческой научно-практической конференции. — Краснодар, 2019. — С. 221-225.
Об авторах:
Овчинникова Наталья Геннадьевна, доцент кафедры «Экономика природопользования и кадастра» Донского государственного технического университета (344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), кандидат экономических наук, доцент, [email protected]
Ниценко Ирина Андреевна, магистрант кафедры «Экономика природопользования и кадастра» Донского государственного технического университета (344003, РФ, г. Ростов -на-Дону, пл. Гагарина, 1), [email protected]
Authors:
Ovchinnikova, Natalya G., аssociate рrofessor, the department of «Economics of Nature Management and Cadastre», Don State Technical University, (1, Gagarin Square, Rostov-on-Don, 344003, RF), аssociate рrofessor, Ph.D. in Economics, [email protected]
Nicenko I. A., master degree student, the Department of «Environmental Economics and cadaster» Don State Technical University, (1, Gagarin Square, Rostov-on-Don, 344003, RF)
