CC BY
307
УДК 528.88
ПРИМЕНЕНИЕ АЭРОФОТОСЪЕМКИ С БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ПРИ СОСТАВЛЕНИИ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ МЕСТНОСТИ (НА ПРИМЕРЕ СУБАРКТИЧЕСКОГО ТЕРМАЛЬНОГО УРОЧИЩА ПЫМВАШОР)
Е.В. ПОЛЯКОВА, М.Ю. ГОФАРОВ
Институт экологических проблем Севера УрО РАН, г. Архангельск [email protected]
В статье рассмотрена возможность применения качественно нового метода получения цифровой аэрофотосъемки с использованием беспилотного летательного аппарата для схематического картирования локальной труднодоступной территории, представляющую из себя уникальную термальную экосистему в условиях Заполярья.
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, термальное урочище, цифровая модель местности
E.V. POLYAKOVA, M.YU. GOFAROV. APPLICATION OF AERIAL PHOTOGRAPHY FROM THE UNMANNED AERIAL VEHICLE AT DRAWING UP OF DIGITAL MODEL OF A DISTRICT (SUBARCTIC THERMAL NATURAL BOUNDARY PYMVASHOR, AS AN EXAMPLE)
The possibility of application of a qualitatively new method for obtaining digital aerial photography with use of the unmanned aerial vehicles for schematic mapping of the local remote territory, being a unique thermal ecosystem in conditions of the Polar region is considered.
Key words: unmanned aerial vehicle, thermal natural boundary, digital model of a district
Введение
В средствах массовой информации и специальной литературе активно пропагандируется идея развития беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) как одного из перспективных направлений авиационной фотосъемки. Главные достоинства БПЛА - это их относительно низкая цена, малый вес, возможность уменьшения габаритных размеров, дистанционное управление на значительных расстояниях. По этому пути совершенствуются военные разработки в области беспилотной летательной техники. В последнее десятилетие БПЛА активно используются в гражданской сфере человеческой деятельности и решают задачи, которые не под силу пилотируемой авиации. Подробно о применении БПЛА для решения гражданских задач описано в работе [1]. В нашей статье рассмотрена возможность схематического картирования локальной территории, представляющую из себя уникальную термальную экосистему в условиях Заполярья.
На сегодняшний день известен опыт проведения традиционной аэрофотосъемки в труднодоступных районах Крайнего Севера и использование полученных материалов в различных ГИС-проектах [2]. Применение беспилотной летательной техники в подобных условиях крайне редко, а для исследуемого района неизвестно. Однако для комплекс-
ного изучения функционирования уникальной термальной экосистемы и дальнейшего ведения мониторинга составление цифровой модели местности является необходимым условием.
Местоположение района исследований. Термальное урочище Пымвашор располагается в восточной части Большеземельской тундры между ручьями Пымвашор и Дэршор - притоками реки Адзьвы, прорезающими западный склон северной оконечности гряды Воргамусюр, входящей в состав гряды Чернышева [3]. В широком понимании под урочищем подразумевается часть ландшафта, отличная от остальной окружающей местности. Урочище Пымвашор уникально единственными известными на Крайнем Севере выходами минеральнотермальных источников. Название урочища позаимствовано от одноименного ручья (в переводе с языка коми - «ручей горячей воды»), прорезающего известняковые горные породы и образующего живописный каньон. Это группа из восьми источников с общим дебитом 25-30 л/с, температурой воды от 18 до 28°С круглогодично [4]. Координаты центральной части урочища в месте выхода основного источника - 67°09'706'' с.ш., 60°51'201'' в.д.
Материалы и методы исследований. Работы по составлению цифровой модели термального урочища Пымвашор проводились в три этапа. На первом - изучались литературные сведения о ме-
стности, данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), полученные со спутника Terra (EOS AM-1) с радиометром теплового излучения и отражения ASTER и Landsat-7, а также топографические карты масштаба 1:100000. Цифровая обработка сцен осуществлялась в программных пакетах ERDAS IMAGINE 9.3 и ESRI ArcGIS 9.3. На втором этапе коллективом Института экологических проблем Севера УрО РАН были проведены три комплексные экспедиции в район исследований - в августе и ноябре 2009 г. и в августе 2010 г. В результате осуществлена летняя аэрофотосъемка с борта вертолета Ми-8 и зимняя с БПЛА CropCam. На третьем этапе проводились непосредственная обработка полученного материала и составление цифровой модели урочища в программном пакете ESRI ArcGIS 9.3. Следует отметить, что в данном случае под цифровой моделью местности понимается цифровое представление пространственного объекта (термального урочища), составленное в произвольной пространственной системе координат (план) и определяется как неориентированная модель местности.
Качественно новым методом получения информации о данной местности являлось применение цифровой аэрофотосъемки с БПЛА CropCam. Беспилотный летательный аппарат CropCam -это радиоуправляемая модель планерного самолета, оборудованная собственным GPS-приемником, миниатюрным автопилотом (производство компании MicroPilot, Canada), программой наземного контроля (HORIZON 3.4) и радиомодемом, позволяющим непрерывно наблюдать за передвижением самолета на экране монитора и в случае необходимости вносить коррективы в курс полета. Вес самолета около 3 кг, запускается «с руки», взлетает и садится автоматически, двигается по заранее спланированному в ГИС-программе маршруту. Для съемки использовалась цифровая фотокамера Sony Cyber-Shot DSC-W300. Выбор модели определялся компактностью, весом, а также размером матрицы (1/1,6"). Калибровочные параметры фотокамеры (фокусное расстояние, главная точка, дисторсия объектива) определялись с помощью программы GML Camera Calibration Toolbox 0.7. Фотокамера размещалась под крылом самолета, фиксировалась в специаль-
ном пластиковом боксе и ориентировалась для съемки в надир. Получаемые снимки имеют GPS-привязку, сведения о каждом снимке прописываются в log-файле полета.
Параметры внутреннего ориентирования, т.е. геометрия камеры (дисторсия и фокусное расстояние) и сенсора (главная точка) определялись при калибровке камеры до начала съемки. Внешнее ориентирование, определяющее положение и угловую ориентацию снимка, проводилось с использованием данных с сенсоров автопилота самолета (три угла поворота, высота и GPS-координаты, записанные в log-файле полета) по методике, описанной в руководстве пользователя ERDAS IMAGINE 9.3 (для модуля Stereo Analyst).
Траектория и основные параметры полета отображены на рис. 1, средняя скорость движения самолета 60 км/ч, высота - 254 м, перекрытие сним-
ков составило 80 % по маршруту полета и 60 между маршрутами.
Формирование ортофотоплана осуществлялось в программном пакете ERDAS IMAGINE 9.3 Stereo Analyst, дальнейшее оформление и геопривязка к пространственным данным (топографические карты масштаба 1: 100000, данные ДЗЗ ASTER и Landsat-7) проводились в ESRI ArcGIS 9.3. Для дешифрирования аэрофотосъемки использовались данные наземных наблюдений - геоботанические описания и GPS-привязка по навигатору Garmin Gpsmap 78.
Результаты работ и обсуждения. По
ландшафтной классификации [5] исследуемый район относится к ландшафтам низменных платформенных равнин, моренных в области среднечетвертичного оледенения, местами с лессовидными суглинками. Растительность представлена кустарниковыми, кустарничковыми и кочкарно-пушицевыми
Рис. 1. Маршрут и основные показатели полета во время движения самолета в программе наземного контроля
тундрами с карликовой березкой и ивами (филико-листной, лапландской и др.). Однако данный район может быть отнесен также и к предтундровым редколесьям (березово-еловые) в сочетании с тундрами (лесотундра). Здесь леса концентрируются преимущественно в долинах рек, но иногда небольшие группы деревьев растут на вершинах и склонах отдельных возвышенностей. В целом же водоразделы полностью безлесны. Для определения общей ландшафтной характеристики региона и выявления территорий с повышенной биомассой за счет кустарниковых зарослей и редколесий были использованы данные ДЗЗ со спутника Landsat-7. Детальное выделение ландшафтных фаций производилось по средствам наземных заверений (серия геоботанических описаний) и результатам аэрофотосъемки с БПЛА и Ми-8 в ходе экспедиционных работ [6].
Следует отметить, что по сравнению со спутниковыми изображениями и традиционной аэросъемкой, аэрофотосъемка с БПЛА имеет существенные преимущества.
Во-первых, высокое разрешение получаемых снимков: максимальное - до 1-2 см (при высоте полета 30-50 м), среднее - 810 см (при высоте 250300 м). Во-вторых, получать снимки и проводить их первичную обработку можно в течение очень короткого времени , не покидая поля работ. В-третьих, возможность проведения съемки локальных и труднодоступных территорий, космическая съемка и традиционная аэрофотосъемка которых не являются рентабельными. В-четвертых, качество получаемых снимков никак не зависит от облачности, поскольку можно проводить съемку под облаками в пасмурные дни, что является особенно актуальным для северных регионов. И,наконец, рентабельность самой съемки: самолет работает на комплекте Po-Li аккумуляторных батарей. Тем самым исключаются затраты на топливо, как при авиационной съемке [7].
На основе полученного зимнего панорамного изображения с БПЛА CropCam, приведенного на рис. 2, а также с использованием летней авиационной съемки, космической информации со спутника Terra ASTER (дата съемки 9.07.2003, время 17 час. 9 мин. 56 сек.), топографических карт масштаба 1:100000, был сформирован послойный ГИС-проект термального урочища Пымвашор. На рис. 3 представлена цифровая модель урочища, отображающая все его основные элементы: растительные фации (тундровые участки, пойменные луга и кустарники, березовые и еловые редины), скальные
выходы горных пород, перепады высот в изолиниях рельефа, выходы термальных источников на дневную поверхность, карстовую пещеру Хэмят-Пээн-зи. На зимнем варианте данной схемы имеются также незамерзающие участки ручья Пымвашор и промоины в местах впадения термальных водотоков [8].
С помощью математического аппарата программного пакета ESRI А^^ 9.3 было подсчитано процентное соотношение в пределах урочища площадей основных дешифрируемых ландшафтных фаций (см. таблицу ).
Соотношение площадей ландшафтных фаций в пределах термального урочища Пымвашор
Ландшафтная фация Площадь, %
Березовые редины 1,29
Еловые редины 7,70
Отмели и берега вдоль ручья Пым- 2,12
вашор
Кустарники 15,97
Луга 39,9б
Скальные выходы и обрывы 1,94
Тундра 31,02
Итого: 100,00
Выводы
На Земле существует огромное количество локальных территорий, представляющих самый разнообразный научный и практический интерес. В силу различных причин не всегда имеется возможность заказать или приобрести съемку подобных участков с космических аппаратов, либо традиционным авиационным способом. В то время как съемка с беспилотных летательных аппаратов помогает разрешить эти проблемы. При проведении исследований на уникальных территориях логично применять трехступенчатый метод получения ин-
□ И" \Ж\12 Г*~1
Рис. 3. Цифровая модель термального урочища Пымвашор: 1-7 - ландшафтные фации: 1 - тундровые участки, 2 - пойменные луга, 3 - пойменные кустарники, 4 - березовые редины, 5 - еловые редины, 6 -скальные выходы и обрывы, 7 - останец; 8 - изолинии рельефа; 9 - термальные водотоки; 10 - холодные ручьи; 11 - балок и заброшенная буровая вышка; 12 - пещера; 13 - термальный бассейн.
формации: проработка картографической, космической и литературной информации - детальная аэрофотосъемка с БПЛА с наземными исследованиями - камеральная обработка полученных материалов в ГИС-среде.
В нашем случае приведен пример составления цифровой модели уникальной термальной экосистемы Пымвашор на основе аэрофотосъемки с БПЛА. В результате проведено дешифрирование основных ландшафтных фаций, подсчитано их площадное соотношение, а также распределение в пределах урочища. Определено, что ядром урочища является ручей Пымвашор, который окаймляют последовательно фация кустарников, луговая фация, фация еловых редин и, наконец, границей урочища можно считать скальные обнажения и крутые склоны, выходящие на водораздельную тундру. Березовая фация является очень локальной и приуроченной исключительно к выходам теплых вод.
Литература
1. Соколов В.Б., Теpяев ЕД. Беспилотные летательные аппараты: некоторые вопросы развития и применения (обзор по материалам публикаций в Интернете) // Мехатроника, автоматизация, управление. М.: Новые технологии, 2008. № 2 (83). С. 12-24.
2. Андреев Г.Г., Беляева Н.В., Чабан Л.Н. Комплексное использование материалов космической и аэрофотосъемки в геоинформа-ционных технологиях экологического мониторинга труднодоступных территорий Сибири и Крайнего Севера // Исследование Земли из космоса. М., 2004. №4. С. 63-72.
3. Геология СССР. Т. II. Архангельская, Вологодская области и Коми АССР. Ч. I. Геологическое описание. М.: Недра, 1963.
4. Семь чудес света в одном регионе // Северо-Запад: сегодня и завтра. СПб.: Ассоциация «Северо-Запад», 2009. № 4(7). С. 31-34.
5. Национальный атлас России. Т. 2. Природа и экология. М.: ФГУП «Госгисцентр», 2008.
6. Полякова Е.В., Гофаров М.Ю. Возможности подспутникового дистанционного зондирования наземных участков с использованием беспилотного летательного аппарата СгорСат // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 4. С. 61-65.
7. Полякова Е.В. Возможности подспутникового ДЗЗ с использованием БПЛА СгорСат в условиях Европейского Севера // Вестник ПГУ. Сер. Естественные науки. 2010. № 2. С. 22-26.
8. Функционирование субарктической гидротермальной экосистемы в зимний период / Под ред. К.Г. Боголицына, И.Н. Болотова. Екатеринбург: УрО РАН. 2011. 252 с.
Статья поступила в редакцию 01.12.2012.
