Екомониторинг

Мікрорельєф поля визначає його корисну площу та надає землекористувачу інформацію про можливість посіву та використання сільгосптехніки з різним рівнем ефективності на цьому полі. Якщо рельєф поля не має великих нерівностей то його площа посіву дорівнює майже 100%, що дає відмінні результати посіву. В інших випадках ці нерівності псують ефективну площу та зменшують врожаї. До таких нерівностей відносять: бугри, прируслові вали й коси, полігональні ґрунти, піщані брижі, степові блюдця. Такий мікрорельєф зобов’язаний перш за все екзогенним процесам у середовищі (фізичному вивітрюванню та антропогенному фактору). Виявлення нерівностей мікрорельєфу є вельми актуальною проблемою, якою займаються постійно. Дуже гострою ця проблема при вирощуванні рису, злакових культур для яких зміна режиму вологи є критичною. Для цього використовують, яка правило, найбільш достовірні та надійні польові контактні методи. Які на наш погляд мають недоліки, а саме, вони довготривалі та можуть задовольнити за швидкістю спостережень невелике господарства. В результаті проведеної роботи апробовано метод швидкісної перспективної зйомки з наступною обробкою результатів, яка займає декілька десятків хвилин.
Подібні завдання вирішували Слива І.В. (2008 р.), Рекс Л.М. (2009 р.) й інші. Характерною рисою всіх робіт було використання для аналізу архівної інформації, яка на думку авторів, має високий рівень валідності (достовірності). Ми впевнені що це питання є дискусійним, тому що кожен сезон поля мають певне антропогенне навантаження у вигляді використання сільгосптехніки що призводить до «міграції» нерівностей на полі. Тому використання архівних даних з космосу є не досить репрезентативним. Довго тривалість проведення польових контактних методів призводить до збільшення часу обстеження. Тому виникає питання актуалізації інформації по полю та в цілому по господарству. Спираючись на досвід Балюка С.А., Солохи М.О. (2009,2010рр.) стосовно використання носія апаратури для отримання знімків поверхні полів на базі ДПЛА, далі наводимо методичний підхід щодо отримання подібної інформації

В ході проведення аерофотозйомки для оцінки врожайності сільськогосподарських культур на полі окрім запланованого результату були отримані знімки з характерними нерівними колами на території поля, яке досліджувалося та суміжного. При більш детальному аналізі було зроблено припущення щодо генезису цих кіл. Так, при візуальному обстеженні кожне коло мало прогин від 10-20 см до 80 см та від 10-до 20 м в діаметрі. Так було встановлено розподіл степових блюдець та інших нерівностей на полі (див.рис.1).

Рисунок 1 – Учбове поле Ксаверівка 2, Київська область (Стрілками відмічено центри нерівності).

Рослинність, яка росте на полі з одного боку, закриває собою нерівності поля (така культура як гречка), з іншого такі культури як: пшениця, овес, соняшник тільки підкреслюють такий стан відміною у кольорі, який добре видно на рисунку.
Методичний підхід знімання поля базувався всього на декількох перспективних знімках, які було зроблено з середини поля (причому середина вибиралася вільно). Всі знімки охоплювали всю площу поля. Це дозволило значно скоротити час моніторингу та отримати з середини поля у всіх напрямках стан мікрорельєфу цього поля. Нижче наведено на рис.2 схему зйомки у вигляді зведених знімків: космічного на цю ділянку та отриманих знімків з ДПЛА.

Рисунок 2 – Зведена схема космічного зображення Ксаверівка 2 та аматорських знімків з ДПЛА.

Після отримання первинних знімків було проведено їх географічну прив’язку (центру знімку) у стандартному картографічному пакеті Mapinfo. Також за основу було використано космічний знімок поверхні поля для проведення афінних (звуження, масштабування тощо) перетворень зі зйомкою з ДПЛА. Базовий космічний знімок після оверлейного накладення на нього знімків з ДПЛА дозволив з точністю в декілька метрів визначити розташування, площу та границі нерівностей поля.
Нижче наведено отриману схему нерівностей на полі (див.рис.3)

Рисунок 3 – Схема розташувань нерівностей (степових блюдець та валів) на полі

Після отримання схеми розташувань нерівностей для більшої наочності та підтримки прийняття рішення щодо нерівностей поля було побудовано схему поля (Vertical Mapper). Використовувалася інтерполяція Natural Neighbour (Simple) з середньозваженим середнім. За точку розрахунків (0) було прийнято найнижчу точку поля (-0,6) див.рис.4.

Рисунок 4 – Схема розташування нерівностей на полі

Висновки:
1.Сільськогосподарські культури мають важливе значення для ідентифікації нерівностей (мікрорельєфу) поля. Так, найбільш вагомий внесок у виявлення неоднорідності поля вносять злакові культури: пшениця, ріж, ячмінь і т.д.
2.Виявлено, що такі культури як: гречка, соняшник, кукурудза скривають нерівності поля. На наш погляд такі факти говорять про різні вимоги до умов зволоження культур. Тобто деякі культури могуть слугувати достовірним індикатором щодо мікрорельєфу поля. Крім того, важливими є напрям та час зйомки. Найліпші знімки можливо отримати з 8,30-11,00 та 16,00-17,00 (при наявності сонячного світла). Напрям зйомки важливий для виявлення глибини нерівності (по наявності тіні), тобто напрям потрібно обирати таким чином, щоб тінь була б найбільшою.

Візуалізація гіпсометрії території (ґрунтів) найбільш прийнятна в 3D режимі. Поступовий перехід до використання тривимірного картографування йде по всьому світу. Висвітлення методики побудови тривимірної карти присвячено цю статтю [1,2].
Для побудови прикладу нами була вибрана територія Донецької області (планшет L-37-14, масштабу 1:100000). Растрове зображення для нього завантажене з web вузла: http://map.invest.kharkiv.com [3]. Див. рис.1. Векторна карта складається з ізоліній і точок тріангуляції, які показані хрестиками (на рис.1.). У базі даних занесена висота над рівнем моря, в стандартному стовпці — ID. Тип даних Integer.

Після того, як побудована векторна карта приступаємо до побудови тривимірної моделі рельєфу, для цього необхідно перетворити всі лінії в крапки (point). Для цього виконуємо наступні дії: заходимо в меню Vertical Mapper вибираємо позицію Create Grid (створення «поверхні») і натискуємо на Poly-to-Point (перетворити полілініі в крапки). Див. рис.2.

В результаті з’явиться інформаційне меню з інформацією про створені крапки. Див. рис.3.

В результаті перетвореної векторної карти ми отримали векторний шар з крапками, в кожній з яких є значення з висотою над рівнем моря.
Наступний крок вибір методу інтерполяції. див. рис.4(а,б).

У нашому випадку нами був вибраний метод інтерполяції — тріангуляція із згладжуванням, як самий близький до моделі рельєфу. Див. рис.4а.
Потім вибираємо векторний шар крапок для моделювання моделі рельєфу і колонку в базі даних для завдання осі Z (висоти над рівнем моря). Див. рис.5.

У нашому випадку в ролі таблиці виступає векторна карта, на рис. 5 — relief_50_000_ptp., а висоту задаємо колонкою — ID. Координати Х,y також можна задавати, на рис.5 вони не активні, оскільки немає колонок з їх координатами, у позиції Enter data description — можна вводити опис створюваного шару. Якщо в базі присутні нульові значення, необхідно поставити прапорець в позиції — Ignore records containing zero (Ігнорувати нульові значення). Необхідним атрибутом є також установка одиниць виміру (на рис.5 — User Defined (визначає користувач). Після цього необхідно натискувати кнопку Далі — Next.
Наступна операція — створення растрового файлу: *.tri. Програма запитає які значення при побудові використовувати в растровій карті. На рис. 6. вибір на позиції середнього значення (Average Value) з бази даних. Також можна вибрати наступні варіанти: мінімальне, середнє, максимальне значення, значення медіани, середнє від максимального і мінімальне, суму значень. Перелік варіантів ідентичний з варіантами висвітлено на рис.6. зверху вниз.

Наступним кроком необхідно вибрати варіанти показу растрового зображення, розмір чарунки, експоненту і вибрати шлях збереження нового файлу зображення. див. рис.7.

Після цього натискуємо на кнопку Кінець (Finish) і закінчуємо побудову растрового зображення див. рис.8.

Побудоване зображення необхідно розфарбувати за допомогою кнопки «Colour». Натиснення цієї кнопки викликає меню вибору інтервалів закрашення зображення. Див. рис.9. У меню «Grid Colour Tool» (Кольоровий інструмент «поверхня»). Необхідно додати на гістограмі рисунка бігунки (на рисунку 9. знов доданий бігунок знаходиться під гістограмою й має колір). Додавання бігунків — подвійне клацання лівою клавішею миші по лінії на якій вони знаходяться. Кольори міняються по розсуду користувача залежно від цілей проекту. Кольори міняються подвійним клацанням лівою клавішею миші на колірній схемі (Colour scheme list), які представлені у вигляді кольорових квадратиків.

На рисунку 10 показана готова колірна схема растрового зображення. (см.рис. 10), яку можна редагувати і виправляти.

У результаті растрова карта набуде наступного вигляду. Див. рис.11.

І, нарешті, останній крок. На основі отриманого двомірного растрового зображення будується тривимірна модель рельєфу. У меню Grid Manager натискуємо кнопку Grid View і вибираємо позицію Run 3D Viewer. Налаштування тривимірного зображення детально описані на рис. 6-10.

У результаті отримуємо тривимірне зображення рельєфу.

Висновки та пропозиції:
1. Запропонована методика є універсальної при побудові тривимірних картографічних зображень.
2. Побудоване зображення має широкі можливості застосування в архітектурі, оцінці рельєфу для операторів мобільного зв’язку (радіо видимість), екології (оцінка стоку забруднень) тощо.

Література:
1. Лурье И.И. Основы геоинформатики и создание ГИС //Дистанционное зондирование и географические информационные системы / Под. ред. А.М. Берлянта. – Ч.1. – М.: ООО «ИНЭКС)92», 2002. – 140 с.
2. Митчелл Э. Руководство по ГИС анализу. – Ч.1: Пространственные модели и взаимосвязи.- К: ЗАО ЕСОММ Со; Стилос, 2000. – 198 с.
3. Растрові зображення України. Масштаб 1: 100000. Режим доступу до журналу: http://map.invest.kharkiv.com. 10.06.2011

При побудові ґрунтових картосхем, цифрових моделей рельєфу доволі часто виникає потреба у побудові тривимірної моделі рельєфу що дозволяє поліпшити візуалізацію цифрових моделей та проводити їх аналіз, вирішувати питання локалізації нерівностей на полі, тобто уточнювати мікрорельєф поля (наприклад степових блюдець). Модуль Vertical Mapper призначений для побудови дво- та тривимірних моделей природних явищ, процесів та їх подальшу візуалізацію та аналіз.
Процес інтерполяції дозволяє розрахувати значення в «поверхні», який використовує математичний апарат, користуючись даними, які взяті з бази даних. Нові значення розраховуються на основі існуючих даних, які просторо розташовані на «поверхні» по принципу «заповнення дірок, що пустують» між існуючими точками. При такому виді розрахунку може бути використано інтерполяції значень в «поверхні». Таке рішення має не досить достовірну основу тому що залежить від даних на основі яких він буде проводитися. Тому застосувавши новий варіант інтерполяції можна буде спостерігати кожен раз нову «поверхню» на базі тих самих даних. Тому щоб полегшити вибір варіанту інтерполяції, які будуть застосовуватися в тому чи іншому випадку нижче наведено таблицю, яка допоможе при виборі оптимального типу інтерполяції (див.табл.1)

Вибір типу інтерполяції. Доволі часто перед побудовою поверхні важко визначитися з вибором методу інтерполяції. Результат побудови не відображає реальної ситуації, й як наслідок, не задовольняє користувача. Тому, перед тим, як приступати до побудови поверхні необхідно вирішити наступні питання:
1. Що необхідно отримати в результаті побудови поверхні? Деякі інтерполяції можуть автоматично застосовуватися в залежності від мети побудови поверхні. Нижче в таблиці 2 наведені подібні випадки застосування поверхонь.

2. Яка повинна бути точність даних? Різні інтерполяції по різному працюють з вихідними даними. Деякі припускають, що точкові дані з бази даних вже достовірні, а інші ні. Від точності вихідних даних також залежить вибір інтерполяції (див.табл. 3).

3. Який візуальний розподіл точок на вихідній поверхні? Деякі інтерполяції «виробляють» більш точні поверхні, коли розподіл точок має випадковий чи хаотичний характер, інші коли точки розподілені регулярно.

4. Які фактори можуть обмежувати швидкість інтерполяційного процесу? Більш менший вузол в поверхні й/чи більша кількість точок все це забирає більше часу на розрахунки. Причому деякі інтерполяції швидші за інших.

1.Наведені положення в статті дозволяють використовуючи таблиці вибрати необхідний для аналізу тип інтерполяції.
2. Спираючись на дані таблиць вибір типу інтерполяції має високий ступінь репрезентативності.

Література:
1. Діаграми Вороного. Режим доступу до журналу: http://ru.wikipedia.org/wiki/Диаграмма_Вороного
2. Технічна документація модулю Vertical Mapper. Режим доступу до журналу: [email protected]
3. Лурье И.И. Основы геоинформатики и создание ГИС //Дистанционное зондирование и географические информационные системы / Под. ред. А.М. Берлянта. – Ч.1. – М.: ООО «ИНЭКС)92», 2002. – 140 с.
4. Митчелл Э. Руководство по ГИС)анализу. – Ч.1: Пространственные модели и взаимосвязи.Ї К: ЗАО ЕСОММ Со; Стилос, 2000. – 198 с.

Головне завдання кожного виду моніторингу є спостерігання. Без сумнівів що він повинен буди своєчасним, охватіть якомога більш територію (в нашому випадку ґрунтів) та мати стільки повторень, скільки вимагає завдання на цю мить. Ось тут й виникає комплексна проблема проведення моніторингу. На думку авторів, не має сенсу доказувати в рамках цієї статті, що за безконтактним (дистанційним) моніторингом майбутнє, якщо не повноцінне заміна наземних спостережень то левова частка буде належати саме йому, або він буде доповняти вже існуючі системи моніторингу грунтів.
Комплексність проблеми лежить як у фінансовій та й технічній площині. Фінансова сторона цієї проблеми виглядає строкато. Судить самі – вибір даних (чи то супутникових чи аерозйомок) є практично на любую територію та достатньо великий [1]. Нижче наведені країни, які надають послуги щодо дистанційного зондування:
Таблиця 1 – Порівняльні характеристики сканерних космічних систем зйомки (за Гершензоном, Таракановою, ГИС-обозрение, січень 1997р.).

Згідно цієї таблиці можна зробити висновок що для того щоб зробити зйомку будь якого поля потрібно витратити декілька тисяч гривень. А якщо виконати зйомку з роздільною здатністю на рівні рідку посівів – вартість складе десятки тисяч гривень. Таким чином з фінансової точки зору проведення моніторингу ґрунтів за допомогою космічних зйомок чи аерозйомки за допомогою звичайних технічних засобів (літаків або супутників) в грошовому еквіваленті на сучасному етапі просто не вигідно. Причому більш менш для аналізу ґрунтового покриву з усього наведеного вище придатні знімки SPOT/P.
А тепер торкнемося технічної сторони цієї справи. Космічного компоненту моніторингу брати за увагу не має сенсу бо в Україні немає супутників для цивільних завдань, вони лише плануються для виведення на орбіту. Усі види моніторингу, які проводяться зараз на Україні зводяться до польотів на гелікоптерах типу Мі-2 або Jonson та літаків АН-12 та АН-2. Тобто це тільки аеромоніторинг. Вартість польоту, наприклад, АН-2 один з самих дешевих варіантів складає 500 умовних одиниць за годину. Якщо порахувати, то тут складається така ж картина, як й було описано раніше. Більш того, парк цих машин не оновлювався вже років 15. Підводячи підсумок треба зауважити, що при такій справі жодна з зацікавлених в проведенні повноцінного моніторингу установ (господарство, науковий інститут тощо) просто не в змозі собі це дозволити. Складається якесь замкнуте коло, але вихід на нашу думку є й досить простий, хоча на перший погляд альтернативний й екзотичний, але відносно дешевий. Використання безпілотних літаків. Серед переваг цього методу:
• Помірна ціна у зрівнянні з космічними знімками, при більшої якості знімку;
• Отримання знімків можливе прямо в процесі польоту й періоду чекання отримання (5-6 діб) не існує (якщо треба можна скорегувати політ згідно вимог користувача в реальному часі);
• Висока роздільна здатність знімків (висота польоту на висотах 100-500 м на поверхні Землі);
• Можливість зйомки під хмарами, що є ахіллесовою п’ятою космічних знімків;
• Можливість зйомки тільки одного поля, чи його частини, що в принципі не вигідно при космічної зйомці (тільки для одного фермера наприклад);
• Неможливість отримання космічних знімків в «проблемних» районах де заборонена зйомка (райони секретних або режимних об’єктів), апарат може філігранно провести зйомку поля, яке примикає до об’єкту.
Крім того, в найближчому майбутньому в Україні із-за кризи не буде можливості отримати свій власний штучний супутник під власні наукові дослідження, в тому числі і в напряму «Агрокосмос». Тому за допомогою даної системи можливо створити порівняно дешеву технологію отримання знімків.
Постановка мети (завдань) статті: Викладення положень щодо створення комплексу аеромоніторингу ґрунтів. Для цього необхідно зробити наступні завдання:
1) Дати характеристику безпілотнику, як технічного засобу
2) Створити концепцію використання цього комплексу при аеромоніторингу ґрунтів.
3) Надати загальний опис безпілотного летального апарату (ДПЛА)
Аналіз останніх досліджень й публікацій в яких започатковані рішення даної задачі і на яку спирається автори. Завданням створення БПЛА займаються вже декілька десятиліть високо розвинуті країни. Серед найбільш успішних проектів БПЛА слід віднести такі країни як США, Ізраїль, Японія, Німеччина, Росія, Білорусь, Україна. Нажаль практично всі розробки створені для військових, але в даний час спостерігається тенденція до зміни у цивільний сектор. Нижче наведений перелік щодо розробок БПЛА:

Таблиця 2 – Приклади розробок БПЛА, які можуть використовуватися для аеромоніторингу ґрунтів.

Виходячи з аналізу таблиці ми зробили деякі висновки, а саме: 1) Далеко не всі ДПЛА можуть бути використані під завдання моніторингу ґрунтів, а тільки ті, які можуть злітати з непідготовлених поверхонь, або тільки з руки, тобто вага апарату має бути не більш 5 кг, задля можливості зйомок полів з любим типом складності зйомки. 2)Швидкість не повинна перевищувати 100 км/г, та навіть ця швидкість є завеликою, оптимальна швидкість у діапазоні 35-70 км/г, тому що фото- та відео зйомка повинна бути дуже чіткою. 3)Вартість польоту не повинна перевищувати 3000-4000 грн за декілька десятків квадратних кілометрів за один раз. 4) Вартість ДПЛА, які наведені в таблиці повністю не відповідають завданню проведення моніторингу ґрунтів, тому що мають вартість від 50 000 тис.умовних одиниць до декількох мільйонів. Тому для завдання моніторингу ми зробили власну концепцію ДПЛА моніторингу.
Виклад основного матеріалу дослідження з повним обґрунтуванням отриманих наукових результатів. В основу концепції покладено ідею що у ДПЛА повинен бути пілот. Звісно не на самому літаку а на землі, тобто ми навмисно відмовились від автопілоту. Вартість літаку повинна бути не вище 2000 умовних одиниць. Висота польоту від 5 до 500 м. Дальність до 20 км. Час польоту: до 1 години. Фото-відео знімальна апаратура повинна включати до себе: чорно-білу або кольорову камеру (широкоформатну та вузько форматну) та фотоапарат з роздільною здатністю між 3-8 млн. пікселів (наприклад Genius D453).
Технологія зйомки наводиться нами вперше та може вдосконалюватися далі. Після виїзду на місце зйомки та запуску апарату проводиться політ по тв-камері згідно плану маршруту, з послідовним зніманням фотоапаратом поверхні ґрунту. Після повернення апарату з нього знімається необхідна інформація у вигляді фотографій та після цього зводиться до купи за допомогою ГІС-методів. На наступних знімках показано послідовність побудови прототипів для проведення фото-відео зйомки (см.рис.1-4):

Рисунок — 2. Прототип №1. Моторама з встановленням електричним двигуном

Рисунок — 3. Фото на автодром. П.Жуковський. м.Харків. 2009 р.

Рисунок — 4. Фото на автодром. П.Жуковський. Інший ракурс. 2009 р.

В результаті проведених польотів, встановлено, що розлічати як посіви, так й ліс, водні об’єкти тощо совсім не складно.

Висновки дослідження:
1. ДПЛА відповідає завданню оперативного виду моніторингу, надає можливість проводити його завчасно та в декілька разів дешевше ніж загально прийнятий вид авіамоніторингу. Так, за декілька годин можна облітати від 50 до 100 кв.км в залежності від мети зйомки. Крім того, ДПЛА має досить компактні розміри тому може перевозитися в якості ручної поклажі, що додає переваг цьому методи зйомки. Є можливість в майбутньому скоротити кількість операторів ДПЛА до 1 чоловіка (зараз 2) за рахунок побудови стартового пересувного майданчика (зараз здійснюється „виліт з руки” ).
2. Потрібно проведення додадкових польотів щодо створення та наповнення бази даних типів рослинності, грунтів та інших об’єктів. При проведенні зйомки було виявлено наступні недоліки: 1) в режимі польоту із-за недоліків форми крила проведення відеозйомки ускладнено (відео тремтіть), фото знімки мають розмиті кромки. 2) система такого виду побудови зйомки потребує удосконалення, а саме потрібно встановити відеопередавач та приймач для отримання знімків та відео- в режимі реального часу. 3) Досить складно вдержувати „лінію горизонту” для отримання необхідної лінії надіру фотоапарата, тому буде розроблено та встановлено необхідне додаткове устаткування для вирішення цієї технічної проблеми.
3. Для проведення ґрунтової зйомки потрібно підбирати фотоапарат та дотримуватися певних правил зйомки, щоб отримати вірні знімки, для ідентифікації поверхні. Звичайно, тільки фотоапаратом та відео камерою всі необхідні цілі не достигнути, тому нами буде розроблюватися новий апарат для інфрачервоної зйомки та транспортування радіометру.

Статту було надруковано у 2009 році. Тому ситуація поступово змінілася та з’явилися нові виробники та моделі безпілотників.