CC BY
50
——— ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ ———
УДК 627.8
ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ И МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ БЕРЕГОВ ЦИМЛЯНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ И ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ
© 2018 г. А.Е. Косолапов*, Г.И. Скрипка*, Л.А. Беспалова*' **, О.В. Ивлиева*' **, А.А. Филатов*
*Российский информационно-аналитический и научно-исследовательский водохозяйственный центр Россия, 344000, г. Ростов-на-Дону, ул. Филимоновская, д. 174
**Южный федеральный университет Россия, 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Б. Садовая, д. 105/42 E-mail: bespalowaliudmila@yandex.ru, ivlieva.o@mail.ru, uch-sekrwxc.shemet@yandex.ru
Поступила 06.12.2017
Предложена новая оригинальная методика мониторинга морфологических и морфометрических характеристик берегов различных типов берегов водохранилищ с использованием беспилотных летательных аппаратов (БЛА) и инструментария программы Agisoftphotoscan. Использование методики продемонстрировано на примере побережий Цимлянского водохранилища. Установлены оптимальные параметры БЛА для наблюдения за береговыми процессами на абразионных, оползневых и аккумулятивных типах берегов. Ключевые слова: морфологические и морфометрические характеристики, типы берегов, абразионные, оползневые процессы, беспилотный летательный аппарат (БЛА), Цимлянское водохранилище.
DOI: 10.24411/1993-3916-2018-10024
Общая протяженность берегов Цимлянского водохранилища оставляет более 900 км. Эти берега представлены разными типами: абразионный, абразионно-обвальный, абразионно-оползневой, абразионно-осыпной (60% береговой линии), низкий ровный берег затопления (стабильный - 44%), абразионно-аккумулятивный бухтовый, аккумулятивный (6%). Наблюдения за состоянием берегов и интенсивностью проявления экзогенных геологических процессов ведутся на 60 створах, которые расположены в основном в пределах населенных пунктов (Косолапов и др., 2017). Большую же часть береговой линии мониторинг не охватывает или же осуществляется нерегулярно (Новикова, 2015; Скрипка и др., 2017). Одним из способов решения данной проблемы является использование беспилотных летательных аппаратов (БЛА).
Цель проводимых исследований - оценка возможностей использования БЛА при исследовании морфологических и морфометрических характеристик берегов для осуществления мониторинга береговых процессов водоемов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Определить оптимальные параметры БЛА, условия и режимы их использования для наблюдения за береговыми процессами на абразионных, оползневых и аккумулятивных берегах.
2. Проанализировать возможности программных ресурсов, применяемых для обработки фотоматериалов, полученных с помощью БЛА.
3. Разработать методику оценки морфологических и морфометрических показателей берегов различных типов и эрозионных форм с использованием фотоматериалов, полученных с БЛА.
Материалы и методы
В 2017 году сотрудниками «Российского информационно-аналитического и научно исследовательского водохозяйственного центра» проведены исследования и разработана оригинальная методика обследования и определения морфологических и морфометрических характеристик берегов с использованием фотоматериалов, полученных с беспилотного летательного аппарата (модель Phantom 4Pro).
ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ И МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ
37
На основе данной модели сформирован беспилотный авиационный комплекс (БАК), предназначенный для ведения дистанционного мониторинга участков побережья с высот от 1 до 300 м от уровня земной (водной) поверхности на удалении до 3.5 км от пульта дистанционного управления (на практике в условиях прямой видимости максимальное удаление БЛА от точки взлета составило около 6 км). Время полета составляет до 30 минут, общая протяженность маршрута - до 15 км. Беспилотный летательный аппарат оснащен поддержкой спутниковых систем позиционирования GPS/ГЛОНАСС.
Обработка фотоматериалов, полученных с использованием БЛА, осуществляется с помощью программы AgisoftPhotoScan, что позволяет создавать карты высот, а также выполнять измерения координат точек, расстояний, площадей и объемов, отображать профили разрезов по заданной пользователем трассе. Ортофотоплан строится на основании данных исходных снимков и реконструированной модели и создает результирующее изображение высокого разрешения (Руководство пользователя AgisoftPhotoScan ..., 2017).
Для отработки методики мониторинга побережья использовались различные режимы работы БЛА. Для фотосъемки берега объектив камеры ориентирован перпендикулярно или под углом, обычно 45°, к горизонтальной плоскости, а при фотосъемке берегового уступа - субгоризонтально (перпендикулярно к плоскости обрыва). Съемка территории временного осушения и аккумулятивных тел осуществлялась с наклонным положением объектива. Фотосъемка берега выполнялась в зависимости от его строения и возможности поддержания устойчивой связи оператора с БЛА с высоты от 4 до 50 метров относительно точки взлета (ТВ). При этом БЛА находился над акваторией водохранилища на расстоянии 20-50 метров от берега.
Съемка абразионных берегов (уступов) БЛА производилась в трех режимах: объектив направлен вертикально вниз (высота полета БЛА над точкой взлета от 50 до 100 метров); объектив наклонен к горизонтальной поверхности под углом 45°, высота полета до 100 метров; объектив ориентирован горизонтально, полет БЛА проходит ниже точки взлета, преимущественно на высоте центральной части берегового уступа.
В первых двух случаях фронтальный вид берегового уступа можно получить при обработке в программе Аgisoft ряда последовательных снимков с взаимным перекрытием не менее 60%. При горизонтальном положении объектива можно анализировать как изображение отдельных снимков, так и материалы, полученные при обработке серии снимков.
Результаты
При проведении исследований берегов (определения типов берегов, их морфологических и морфометрических характеристик, эрозионных процессов) на основе съемок с БЛА применялись различные слои программы AgisoftPhotoScan: «ортофотоплан сверху», «ортофотоплан сбоку», «плотное облако», 3Б изображение участков полета, видео съемка, панорамные фото и база фотоснимков с БЛА.
Для определения морфометрии берегов использовался слой «ортофотоплан» (вид сверху), т.к. только на нем можно проводить измерения различных характеристик берега.
На первом этапе, на выбранном участке обследования с БЛА на ортофотоплане определялась протяженность берега, координаты береговой линии, использовался последовательный ряд инструментов программы AgisoftPhotoScan (ломаная линия ^ измерить ^ плановые ^ профиль ^ полигон и др.). В качестве полигона выбран участок полета БЛА в районе Жуковского залива Цимлянского водохранилища (рис. 1 а).
Согласно приведенным данным (рис. 1 б), протяженность участка полета БЛА составляет 3751.18 м. Определены также координаты бровки береговой линии, что при последующих съемках позволит следить за смещением береговой линии водохранилища. Для более точного совмещения разновременных ортофотопланов в плане устанавливались маркеры (репера), которые хорошо видны при съемках с БЛА.
Следующий этап - определение типов берегов. Для этого использовались различные слои Agisoftphotoscan: ортофотоплан сбоку (рис. 2 а), панорамные фотографии (рис. 2 б), видео съемка и база фотоснимков с БЛА (рис. 2 в).
Третий этап - определение морфометрических показателей берега (рис. 3, 4, 5). На ортофотоплане (рис. 3) представлен оползневой участок берега. Вначале определялось
местоположение профиля (рис. 3а), затем при помощи инструментов программы «ломаная линия -измерить — плановые» получали координаты профиля (рис. 3 б.) и инструмента «профиль-строился» - профиль берегового уступа (рис. 3 в).
а)
Плановые
Профиль
Объём
Точка Дол гота Широта Высота (м) Л
1 42.492540 47.642430 50.291
г 42.492236 47.642339 47.212
з 42.491627 47.642133 50.752
4 42.491201 47.642019 4Й. 519
5 42.490652 47.641751 47.231
6 42.490439 47.641442 4а. 541
7 42.490226 47.64094Й 49.726
3 42.4901 47.640599 49.292
9 42.490287 47.640249 54.296
10 42.490652 47.639693 49.639 V
3751.175
Периметр (м): Площадь (м*):
Система координат: ^УСЭ 84 (ЕРЭС::4326)
б)
Рис. 1. Определение на ортофотоплане (вид сверху) протяженности и координат участка полета БЛА. Условные обозначения. Положение точек обследования на разных типах берега а): 1 - оползневом, 2 -аккумулятивном, 3 - овражном, 4 - абразионном, 5 - низком береге затопления; б) определение протяженности и координат участка обследования.
Непосредственно на профиле снимались морфометрические параметры берега: высота обрыва -15 м; рассчитывался уклон склона (отношение превышения к приложению) - 0.52; ширина пляжа -2.5 м. Для определения площади оползня использовался инструмент «полигон»: оконтуриваем оползневое тело на ортофотоплане (рис. 4 а), определяем координаты, периметр и площадь оползневого тела, которая составляет 2026.73 м2 (рис. 4 б).
Данные показатели можно использовать при повторных съемках участка берега, для определения интенсивности проявления оползневых процессов. Методика обследования абразионного типа берега и низкого берега затопления, аналогична методике, применяемой для оползневого типа (табл. 1).
Аккумулятивный тип берега на участке полета представлен песчаным мысом (рис. 1 а, точка 2). Для данной формы на основе использования инструментария программы AgisoftPhotoScan определялись следующие показатели: периметр, площадь, гипсометрический профиль, на котором фиксировалась ширина активной части пляжа (рис. 5, табл. 1).
ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ И МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ... 39
а) б) в)
Рис. 2. Пример использования различных съемок с БЛА для определения типа берега: а) ортофотоплан сбоку, б) панорама, в) фотоснимок с БЛА.
а)
Плановые Профиль | Объём
Точка
1
2
Долгота
42.492246
42,492154
Широта 47.642131 47,642380
Периметр (м): ¡23.251
Площадь [м2]
Система координат: ШК 84 (ЕРЭй:: 4326)
б)
Высота См)
62.024
47,042
Плановые Профиль Объём
60 м
55 м
50 м
к 1 1
1 1
|50.4м|
0 м
5 м
10 м
15 м
20 м
Рис. 3.
Морфометрические характеристики оползневого берега: а) местоположение профиля на оползневом склоне,
б) определение координат крайних точек профиля;
в) построение профиля оползневого берега.
Длина (м):
33.8-13
в)
Для оценки задернованности склона или площади проективного покрытия растительностью, например, для аккумулятивного тела, на ортофотоплане оконтуриваем территорию, занятую растительностью, применяя инструменты «полигон ^ измерить», получаем площадь (табл. 1).
При увеличении масштаба ортофотоплана можно определить и состав растительного покрова (древесный, кустарниковый, травянистый). Эти показатели необходимы для оценки активности проявления береговых процессов и для мониторинга водоохранной зоны водохранилища.
а)
Плановые Профиль Объём
Точка Долгота Широта Высота [и) А
1 42.491137 47.641982 48.636
2 42.491143 47.641975 49.414
3 42,491170 47,641979 50,361
4 42.491205 47.641986 50.854
5 42.491235 47.641995 51.479
6 42,491264 47,641993 52,014
7 42,491301 47,641995 53,132
3 42.491333 47.642002 54.700
9 42,491370 47,642011 55,622
10 42,491421 47,642021 56,510 V
Периметр (м): 266,184
Площадь (и1): 2026.727
Система координат: WGS 84(EPSG::432fi)
б)
Рис. 4. Использование инструмента «полигон» на ортофотоплане для определения координат и площади оползня: а) оконтуривание оползня, б) определение периметра, координат и площади оползневого тела.
Высота [м]
49.325
49.354
49.451
49,1 32
49.163
49.129
49.371
49.255
49,103
49.091
в)
Рис. 5. Определение координат и параметров аккумулятивной формы: а) оконтуренное аккумулятивное тело, положение линии профиля; б) определение координат, периметра и площади аккумулятивного тела; в) профиль аккумулятивного тела.
Эрозионные процессы береговой зоны Цимлянского водохранилища представлены активно развивающейся овражно-балочной сетью. На примере оврага Жуковское убежище (залив) определяли его морфологические и морфометрические характеристики. Овраг относится к береговому типу, имеет «булавовидную» форму и вытянут с северо-востока на юго-запад (точка 3 на рис. 1). В программе AgisoftPhotoScan определили площадь, периметр, длину по тальвегу, а также ряд морфометрических характеристик поперечного профиля оврага в верховье и устье (табл. 2, рис. 6, 7).
Плановые Профиль Объём
Точка
1
2
3
4
5
6 7 3
9
10
Долгота
42.490533
42.490541
42.490564
42,490595
42.490634
42.4906SS
42.490751
42.490805
42,490828
42.490В67
Широта
47.639743
47.639707
47.639623
47,639531
47.639523
47.639476
47.639429
47.639350
47,639292
47.639234
Периметр (м): 456.373
Площадь (мг): 1Я652.859
Система координат: WGS 84(EPSG::4326)
ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ И МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ... 41 Таблица 1. Морфометрические показатели берегов разных типов.
Тип берега Высота над урезом, м Уклон Проективное покрытие, % Ширина пляжа, м Площадь, м2
Оползневой 15 0.52 10 2.5 2026.7
Абразионный 7.0 0.7 0 0 -
Низкий берег 0.8 0.01 80 1.3 -
Аккумулятивный 0.9 0.03 70 10 10652.9
Таблица 2. Показатели морфологии и морфометрии оврага с использованием съемок с БЛА.
Морфометрия оврага Результаты измерений Морфометрия поперечного профиля оврага в верховье Результаты измерений Морфометрия поперечного профиля оврага в устье Результаты измерений
Периметр, м 411.4 крутизна склона правый борт, ° 0.2 крутизна склона правый борт, ° 0.2
Площадь, м2 2567.7 крутизна склона левый борт, ° 0.3 крутизна склона левый борт, ° 0.25
Длина по тальвегу, м 161 глубина оврага в верховье, м 5.8 глубина оврага в устье, м 2.8
Уклон тальвега 0.02 ширина днища в верховье, м 2.0 ширина днища в устье,м 4.5
а)
Плановые Профиль Объём
Точка Долгота Широта Высота См) л
1 42.492551 47.640934 43.329
2 42.492565 47.640953 43.953
3 42,492539 47,640992 49,277
4 42,492613 47,641025 49,303
42,492631 47,641067 49,447
6 42.492734 47.641099 49.622
7 42.492732 47.641145 49.635
3 42.492330 47.641190 49.726
9 42,492337 47,641216 49,411
10 42,492921 47,641242 49,536 V
Периметр(м] Площадь [м2): Система координат: 84 [ЕР5С: -А326)
2567,749
б)
Рис. 6. Определение координат и параметров эрозионной формы (оврага): а) положение оврага на ортофотоплане, б) определение координат, периметра и площади оврага.
Заключение
Исследования показали, что полученные фотоматериалы с БЛА могут использоваться для мониторинга береговых процессов и детализации типов берегов водохранилища. Обработанные материалы с использованием инструментария программы AgisoftPhotoScan позволяют проводить детальные морфометрические исследования берегов всех типов, заменив тем самым трудоемкие полевые работы, а также осуществлять мониторинг береговой зоны малодоступных участков.
Высота, м н.у.м. БС
90 101) 110 121) 130
Протяженность ни местности, м
а)
в)
Рис. 7. Определение морфометрических характеристик оврага: а) профиль тальвега оврага, б) поперечный профиль в верхней части оврага, в) поперечный профиль в устье оврага.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Косолапое А.Е., Скрипка Г.И., Беспалова Л.А., Ивлиева О.В., Дандара Н.Т., Сердюк Л.В. 2017. Районирование берегов Цимлянского водохранилища по степени проявления опасных экзогенных геологических процессов // Естественные и технические науки. № 10 (112). С. 59-68.
Новикова Н.М., Волкова Н.А., Назаренко О.Г. 2015. К методике изучения и оценки воздействия водохранилищ на природные комплексы побережий // Аридные экосистемы. Т. 21. № 4 (65). С. 84-94.
Руководство пользователя AgisoftPhotoScan: ProfessionalEdition, версия 1.2. 2016. [Электронный ресурс http://www.agisoft.com/pdf/photoscan-pro_1_2_ru.pdf (дата обращения 10.03.17)].
Скрипка Г.И., Ивлиева О.В., Беспалова Л.А. 2017. Современные береговые процессы Цимлянского водохранилища // Экология. Экономика. Информатика. Серия: Системный анализ и моделирование экономических и экологических систем. Т. 1. № 2. С. 308-311.
