ИССЛЕДОВАНИЕ БОЛОТ В ЛОГИСТИЧЕСКИХ ЦЕЛЯХ С ПРИМЕНЕНИЕМ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Научная статья

УДК 551.312.2+623.746-519

doi:10.37614/2949-1185.2022.1.2.014

ИССЛЕДОВАНИЕ БОЛОТ В ЛОГИСТИЧЕСКИХ ЦЕЛЯХ С ПРИМЕНЕНИЕМ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Любовь Святославовна Банщиковаш, Игорь Леонидович Калюжный2

12Государственный гидрологический институт, Санкт-Петербург, Россия

1balju@rambler.ruB

2hfl@mail.ru

Аннотация

Выбор оптимального расположения трасс на болотном массиве основан на применении ландшафтно-гидрологического подхода, предусматривающего оценку прочностных характеристик в различных типах болотных микроландшафтов. В работе приводятся прочностные характеристики залежи в зависимости от гидрологического режима олиготрофных болот. Генетическая классификация болот согласована с отраслевой инженерной классификацией торфяных оснований, согласно которой болота распределяются по характеру передвижения по ним строительной техники. Выбор трассы на мерзлом плоскобугристо-топяном болоте производился с применением квадрокоптера DJI Phantom 3, программ DJI Go (для управления процессом съемки) и Agisoft Photoscan (для обработки полученных материалов). Применение данного аппаратно-программного комплекса позволяет построить цифровую модель рельефа болота, а также ортофотоплан местности и в соответствии с видом болотного ландшафта выбрать оптимальную трассу передвижения технических средств, согласовав ее с несущей способностью болота. Ключевые слова:

торфяная залежь, свойства болот, беспилотный летательный аппарат Благодарности:

авторы выражают признательность А. А. Банщикову за оказанную помощь при проведении исследования и организацию полевых работ.

Original article

RESEARCH OF SWAMPS IN LOGISTIC PURPOSES USING THE UNMANNED AERIAL VEHICLES (UAVS)

Lyubov S. Banshchikova1B, Igor L. Kalyuzhny2

12State Hydrological Institute, Saint Petersburg, Russia

1balju@rambler.ruB

2hfl@mail.ru

Abstract

The selection of the optimal location of routes on a swamp massif is based on the use of landscape-hydrological approach, which provides the assessment of durability characteristics in various types of swamp microlandscapes. The paper presents the durability characteristics of the swamp field depending on the hydrological regime of oligotrophic swamps. The genetic classification of swamps is consistent with the engineering classification of peatlands, according to which swamps are distributed by the nature of movement of construction vehicles on them. The selection of the route on the frozen flat-bumpy swamp was made using the DJI Phantom 3 drone, the DJI Go program for controlling the shooting process, and the Agisoft Photoscan program for processing the obtained materials. The use of this hardware-software complex allows to build a digital terrain model of the marshes, as well as the orthophoto of the area, and in accordance with local wetland landscape, to select the optimal route of special vehicles movement in harmony with the supporting capability of the swamp. Keywords:

peat deposit, properties of swamps, unmanned aerial vehicle Acknowledgments:

he authors are grateful to A. A. Banshchikov for assistance during the research and organization of field work. Введение

Для проектирования, строительства и эксплуатации объектов промышленной инфраструктуры, в том числе и линейных сооружений на болотных массивах Севера, необходимо располагать методиками прокладки оптимальных трасс с учетом физико-механических свойствах талой и мерзлой торфяной залежи. Вследствие того, что объекты исследования труднодоступны и значительны

по площади, то очевидно, что применение современных средств, в том числе и беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), в комплексе с источниками сведений (базами данных) о прочностных свойствах залежи является актуальной задачей.

Целью данных работ является оценка возможности применения БПЛА для проектирования логистических (транспортных) операций на болотах.

Прочностные характеристики болотных микроландшафтов

Ландшафтно-гидрологический подход, который предусматривает определение прочностных характеристик (предельное напряжение сдвигу т и удельное сопротивление зондированию Тв) в различных типах болотных микроландшафтов [Калюжный, Лавров, 2002], используется и в настоящее время.

Исследование прочностных характеристик поверхностного слоя и торфяной залежи болот проводится по следующей схеме: в каждом микроландшафте вдоль линии тока болотных вод намечается створ, по которому через каждые 10 м измеряются характеристики т и Тв путем применения пенетрометра и сдвигомера-крыльчатки. Опробование проходит через каждые 0,25 м по глубине залежи. Полученные результаты обрабатываются статистически.

С использованием этого подхода в период до 2002 г. были исследованы и определены прочностные характеристики залежи, их зависимость от гидрологического режима микроландшафтов олиготрофных и других типов болот, также было установлено, что с глубиной прочностные свойства возрастают. Это объясняется увеличением плотности торфяной залежи. Наиболее высокими прочностными свойствами обладают торфы микроландшафтов лесной и мохово-лесной групп, величина т в них достигает 0,25 кг/см2, Тв — до 4-5 кг/см2. В моховых и мохово-травяных микроландшафтах эти характеристики составляют 0,15 и 1,5 кг/см2 соответственно, а в верхних слоях обводненных топей и мочажин — 0,03 и 0,7 кг/см2. Грядово-мочажинные и сходные с ними комплексы имеют высокую несущую способность гряд и низкую мочажин.

Прочностные характеристики тесно связаны с физическими свойствами торфа. Показано, что с увеличением степени разложения торфа (Р, %) предельное сопротивление сдвигу и сопротивление вдавливанию увеличиваются. Зависимости аппроксимируются соответствующими выражениями:

т = 0,0045Р + 0,092 (кг/см2) и Тв = 0,0596Р + 1,219 (кг/см2).

С увеличением степени увлажнения прочностные свойства торфяной залежи ухудшаются, Зависимость т от влажности W имеет вид

т = 10482W-1-66,

где W указывается в процентах от массы абсолютно сухого вещества торфа.

Между величинами т и тв существует тесная (r = 0,94) зависимость вида

тв = 9,809т + 0,587.

Сопротивление на срез верхних горизонтов микроландшафтов с неориентированным микрорельефом, сложенных фуксум-торфом, в зависимости от степени разложения варьирует в пределах: 0,12 кг/см2 — при степени 3 %; 0,16 кг/см2 — при степени 10 % и 0,19 кг/см2 — при степени 20 %.

Пространственную изменчивость микроландшафтов с ориентированным микрорельефом определяют физические свойства гряд и мочажин.

На грядах грядово-мочажинного комплекса предельное сопротивление метрового слоя на сдвиг равно 0,16-0,17 кг/см2, на вдавливание — 1,8-2,0 кг/см2; на мочажинах эти показатели меньше: 0,05-0,09 и 0,80-1,60 кг/см2 соответственно.

В качестве примера в табл. 1 приведены прочностные и гидрофизические характеристики некоторых микроландшафтов олиготрофных болот.

Прочность мерзлой торфяной залежи зависит от ее влагосодержания: чем оно выше, тем прочнее мерзлый слой. При полном влагонасыщении (W = 94-96 %) прочность мерзлого сфагнового очеса достигает 32-36 кг/см2.

Таблица 1

Прочностные и гидрофизические характеристики микроландшафтов олиготрофных болот

Микроландшафт Мощность деятельного слоя, см Уровень воды, см Сопротивление, кг/см2

т Тв

Сфагново-кустарничково-сосновый 54 53 0,180 2,38

Сфагново-кустарничковый, облесен 49 42 0,140 1,96

Сфагново-пушицево-осоковый 25 17 0,090 1,69

Сфагново-пушицево-шейхцериевый 16 15 0,025 0,61

Грядово-мочажинный, гряда мочажина 44 35 0,17/0,090 1,87/1,55

Несущая способность болота

Генетическая классификация болот согласована нами с отраслевой инженерной классификацией торфяных оснований [Строительные..., 1981; Справочник..., 1982]. Согласно последней, болота в зависимости от характера передвижения по ним строительной техники делятся на три типа:

I — болота, допускающие неоднократное передвижение техники с удельным давлением 0,2-0,3 кг/см2 или работу с помощью средств, обеспечивающих снижение Тв на поверхность залежи до 0,2 кг/см2;

II — болота, допускающие работу и передвижение техники только по щитам, сланям или дорогам, обеспечивающим снижение Тв на поверхность залежи до 0,1 кг/см2;

III — болота, заполненные растекающимся торфом и водой, допускающие работу только техники, установленной на понтонах.

В качестве примера приведен фрагмент классификации группы микроладшафтов по характеру передвижения технических средств (табл. 2).

Таблица 2

Фрагмент классификации группы микроландшафтов мохово-лесной группы по характеру передвижения технических средств

II тип I тип II тип I тип III тип

Сфагново-сосново-кустарничковый Сфагново-кустарничково сосновый Сфагново-пушицево-сосновый Сфагново-кустарничково кедровый Сфагново-осоково-шейхцериевый

Несущая способность торфяной залежи (б) рассчитывается по формуле

б = бс + бср /(ищ (кг/см2),

где бс — сопротивление торфа на сжатие, кг/см2; бср — сопротивление на срез, кг/1 пог. см периметра опорной площади; Щ — опорная площадь машины, см2; — длина периметра опорной площади, см.

Проходимость гусеничных машин по болоту в теплый период года должна удовлетворять общеизвестному требованию:

д < 0,7б и Zo < 0,7^,

где 2 — удельное давление машины на поверхность болота, кг/см2; Zo — осадка залежи под массой машины, см; ^ — клиренс гусеничной машины, см.

В холодный период года проходимость техники по болотам существенно улучшается из-за наличия мерзлого слоя, прочность которого в десятки раз больше, чем талого слоя залежи.

Наличие индивидуальных связей прочностных характеристик по глубине торфяной залежи и типов болотных микроландшафтов открывает возможности практического применения оценки проходимости различных видов технических средств по болотам.

Опыт применения беспилотных летательных аппаратов для оценки проходимости болот

Использование наземных методов исследования болот для выбора оптимальных трасс — это длительный, трудоемкий и дорогостоящий процесс, порой осложненный наличием непроходимых участков. Поэтому использование дистанционных методов, в том числе с использованием БПЛА, позволяющих оперативно получить съемку исследуемого участка, является приоритетным.

Беспилотные летательные аппараты большей частью используют для мониторинга болот, изучения экологических процессов, оценки объема торфа, определения параметров микрорельефа [Шахматов, Орлов, 2017], однако аэросъемка для исследования болот с целью выбора оптимальных трасс ранее не проводилась.

Дешифрируя полученные с БПЛА данные, можем получить электронную типологическую карту болотного массива с выделением микроландшафтов и элементов гидрографической сети. Оператор выбирает оптимальный путь посредством оценки различных вариантов трассы, сообразуясь с удельным давлением, оказываемым на залежь конкретным техническим средством.

В качестве примера рассматривается выбор оптимальных путей передвижения на участке Ловозерского болота (Кольский полуостров, река Вирма, рис. 1), которое является типичным болотным массивом для зоны бугристых болот европейской территории России [Батуев, Калюжный, 2018].

Рис. 1. Участок Ловозерского болота (Кольский полуостров, река Вирма), июнь 2019 г.

Плоскобугристо-топяной микроландшафт представлен плоскими мерзлыми буграми и топями. Поверхность бугров плоская, склоны крутые, высота над поверхностью понижений составляет 0,71,2 м, реже — до 2,5 м. Микрорельеф поверхности бугров слабокочковатый, на буграх господствуют олиготрофные мохово-лишайниково-кустарничковые сообщества, в топях — мезотрофные сфагново-осоково-пушицевые. Бугры разделены ложбинами, малопроточными и транзитными топями.

В работе был использован квадрокоптер DJI Phantom 3 с программным обеспечением DJI Go для управления процессом съемки, программное обеспечение Agisoft Photoscan и Golden Software Surfer для обработки полученных материалов.

Съемка производилась в режиме зависания и контролировалась по GPS: высота полета — 30 м, продольное перекрытие снимков — 75 %, поперечное перекрытие — 80 %.

Погодные условия: температура воздуха — +10 °С, скорость ветра — 2 м/с, облачность — 8/10 баллов. В результате было получено 270 снимков, обработанных по авторской методике, которая

адаптирована для болот. Процедура обработки состояла из выравнивания изображений (с использованием опорных точек), построения плотного облака, создания текстуры и ортофотоплана местности на точной геодезической основе (рис. 2).

Рис. 2. Ортофотоплан участка болота с выделением элементов микрорельефа

На ортофотоплане легко выделяются болотные сообщества с травянистой, кустарниковой и древесной растительностью, а также обводненные проточные топи с отметками поверхности ниже 153,8 м абс. С помощью фотограмметрических методов создана цифровая модель рельефа (ЦМР) болота, на которой определяется расчлененность микрорельефа и строится сетка стока болотных вод (рис. 3). При помощи встроенных алгоритмов используемого программного обеспечения производится визуализация локальных водосборов и тальвегов микроручейковой сети, что даёт возможность более аргументированно задать маршрут движения транспорта по болотному массиву, используя водоразделы или наименее обводненные участки (рис. 4). Построенные продольные профили по заданному маршруту позволяют оценить изменчивость высот по трассе (рис. 5).

155.3 155.2

155.1 155 154 9 154.В 154 7 154 6

154.5 154 4 154 3

154.2 154 1 154 153 9 153.8 153.7

153.6 153.5

153.4

153.3

Рис. 3. План участка болота с горизонталями (основные горизонтали проведены через 0,1 м)

Смоделируем задачу: транспортировка груза по маршруту (пункты 1-2). На рис. 5 представлены конкурирующие варианты прокладки маршрута для преодоления участка болотного массива: на маршруте А-А, наиболее очевидном, после дешифровки выявлены элементы микроручейковой сети; маршрут B-B предполагает наличие более выраженного рельефа с буграми и перепадом высот до 0,6 м; маршрут С-С выглядит наиболее оптимальным, совмещает спокойный рельеф и отсутствие

препятствий в виде обводненных участков и тальвегов микроручейковой сети. Болотные воды после снеготаяния или дождя на бугре не задерживаются и стекают в транзитную мочажину с отметкой поверхности 153,7 м абс и ниже.

2

Рис. 4. Карта-план участка болота с выделением микроручейковой сети

Профиль А-А

и 154.5-ю

I 1«-

0

1 153.5-

153157

Й

5 1561

т 155-ш

154-

Рис. 5. Продольные профили А-А, В-В, С-С на участке Ловозерского болотного массива

По своему строению склон бугра близок к гряде грядово-мочажинного комплекса с предельным напряжением сдвигу т = 0,17 кг/см2 и сопротивлением зондированию Тв = 1,87 кг/см2 (см. табл. 1). В теплый период года талый слой залежи на склоне составляет 40-50 см и располагается на мерзлом основании, что усиливает несущую способность болота. По проходимости эту часть болота можно отнести к I типу, позволяющему транспорт тяжелой технике, усиление древесной гатью необходимо осуществить только при въезде на трассу.

Таким образом, результаты, полученные в ходе аэрофотосъемочных и дешифровальных работ, проведенных с применением имеющихся сведений о прочностных свойствах залежи и соотнесенных с ними паттернами (визуальными образами болотных микроландшафтов), могут быть применены при разработке (трассировке) обоснованного маршрута передвижения транспортных средств различных классов с последующей загрузкой маршрута в навигационные устройства операторов данных транспортных средств.

Список источников

1. Батуев В. И., Калюжный И. Л. Гидрологический режим и промерзание бугристых болот Европейского Севера России // Инженерные изыскания. 2018. Т. XII, № 9. С. 38-48.

2. Калюжный И. Л., Лавров С. А. Прочностные свойства торфяной залежи олиготрофных болот и их оценка при планировании и проведении транспортных операций, обеспечивающих аварийно -восстановительные работы на магистральных трубопроводах // Сборник работ по гидрологии. СПб.: Гидрометеоиздат, 2002. № 25. С. 3-50.

3. Справочник по торфу / И. Ф. Ларгин [и др.]. М.: Недра, 1982. 760 с.

4. Строительные нормы и правила. СНиП-111-42-80. Правила производства и приемки работ. Магистральные трубопроводы. М.: Госстандарт, 1981. 80 с.

5. Шахматов К. Л., Орлов Т. В. Использование беспилотных летательных аппаратов для мониторинга восстанавливаемых болотных экосистем // Труды Инсторфа. 2017. № 16 (69). С. 11-18.

References

1. Batuyev V. I., Kalyuzhnyy I. L. Gidrologicheskiy rezhim i promerzaniye bugristykh bolot Yevropeyskogo Severa Rossii [Hydrological regime and freezing of hummocky bogs on the European North of Russia]. Inzhenernyye izyskaniya [Engineering Survey], 2018, Vol. 12, No. 9, pp. 38-48 (In Russ.).

2. Kalyuzhnyy I. L., Lavrov S. A. Prochnostnyye svoystva torfyanoy zalezhi oligotrofnykh bolot i ikh otsenka pri planirovanii i provedenii transportnykh operatsiy, obespechivayushchikh avariyno-vosstanovitel'nyye raboty na magistral'nykh [Strength properties of oligotrophic bogs peat deposits and its assessment in planning and carrying out transport operations providing emergency recovery work on main pipelines]. Sbornik rabot po gidrologii [Collection of works on hydrology]. Saint-Petersburg, Gidrometeoizdat, 2002, No. 25, pp. 3-50 (In Russ.).

3. Largin I. F., Korchunov S. S. Malkov L. M., Olenin A. S., Lazarev A. V. Spravochnikpo torfu [Peat Handbook]. Moscow, Nedra, 1982, 760 p.

4. Stroitel'nyye normy i pravila. SNiP-III-42-80. Pravila proizvodstva i priyemki rabot. Magistral'nyye truboprovody [Building codes and regulations. SNiP-III-42-80. Rules of production and acceptance of works. Main pipelines]. Moscow, Gosstandart, 1981, 80 p.

5. Shakhmatov K. L., Orlov T. V. Ispol'zovaniye bespilotnykh letatel'nykh apparatov dlya monitoringa vosstanavlivayemykh bolotnykh ekosistem [Use of unnamed aerial vehicles for monitoring of restoration of abandoned peatlands]. Trudy Instorfa [Proceedings of Instorf], 2017, Vol. 69, No. 16, pp. 11-18 (In Russ.).

Информация об авторах

Л. С. Банщиков;! — кандидат географических наук, старший научный сотрудник, https://orcid/org/0000-0002-5878-1458;

И. Л. Калюжный — кандидат технических наук, зав. лабораторией, https://orcid/org/0000-0000-0002-5178-6993.

Information about the authors

L. S. Banshchikova — PhD (Geography), Senior Researcher, https://orcid/org/0000-0002-5878-1458;

I. L. Kalyuzhny — PhD (Engineering), Head of Laboratory, https://orcid/org/0000-0000-0002-5178-6993.

Статья поступила в редакцию 05.12.2021; одобрена после рецензирования 15.06.2022; принята к публикации 15.09.2022.

The article was submitted 05.12.2021; approved after reviewing 15.06.2022; accepted for publication 15.09.2022.