Екомониторинг

Архив рубрики: ‘Аерофотосьёмка с беспилотника’

Своевременные наблюдения за состоянием сада является залогом успешного урожая, и как следствие бизнеса. Нет нужды упоминать, что чем раньше определить факт заболевания или степень заболевания различными болезнями плодовых деревьев, тем ранее можно среагировать и предотвратить поражения деревьев и увеличить вероятность хорошего урожая. Также отметим, что фитосанитарный мониторинг основан на визуальном наблюдении за состоянием сада. По методике визуального осмотра необходимо проводить маршрутные или детальные визуальные осмотры (на стеблях, листьях, цветках, плодах) не менее чем на 10% площади. Главная цель фитосанитарного мониторинга — получить необходимую информацию для составления прогнозов и сигнализации развития вредных организмов, болезней и принятия решения по проведению защитных мероприятий.
Подробнее »

Постановою Кабінету Міністрів України від 16.09.2009р. затверджено програму «Ліси України на 2010-2015 роки», якою встановлено, що площі лісових ресурсів України повинні збільшуватись з року в рік. Розв’язання цієї проблеми можливо шляхом невиснажливого користування на основі геоінформаційних систем, заміни видів рубок, проведення моніторингу та інвентаризації лісів. Своєчасний моніторинг лісових ресурсів повинен сприяти покращення цієї ситуації. В результаті проведення кожного виду моніторингу результати, як правило, оформлюються: або у вигляді пояснювальної записки, або у вигляді картографічного матеріалу. У даному випадку актуальні аерофотознімки (АЗ) отримують географічну прив’язку та потрапляють в базу даних графічних матеріалів геоінформаційної системи для подальшого використання (як фактичний матеріал).
Подробнее »

Состояние всхожести сельскохозяйственных культур на территории Украины оставляет желать лучшего. Об этом говорят как государственные чиновники, так и объективные факторы природы: суровая затяжная зима, погодные условия нестабильной весны и т.д. Что делать в такой ситуации? как выстроить линию управления на полях с озимыми и другими культурами. Перепахивать или досевать, сколько закупать химии или просто оставить как есть – на все эти вопросы можно ответить, взглянув на культуры, непосредственно на поле. Возможно, ответить на вышеперечисленные вопросы можно, но только с большой долей ошибки. Что, возможно, повлечёт за собой ничем не оправданные траты, как во времени, та и в финансах.

Возможно, что ответы на эти вопросы могла бы дать дистанционная съёмка со спутника Земли. В недавнем прошлом Украина запустила спутник Сич-2м для наблюдения за окружающей средой на территории Украины. Модуль «Природа», который установлен на этом спутнике, призван помочь, в том числе фермерам в решении насущных проблем мониторинга. Однако, по нашему мнению в период весенних месяцев, т.е. в пик, когда необходима подобного рода информация приходится и пик облачности. В основном, это, конечно же, кучевые облака, которые обычно находятся на небольшой высоте. Это препятствует качественной съёмке со спутника в оптической и ближнем инфракрасном диапазонах. Убедится в этом можно, проанализировав ситуацию на рисунке 1. Не спасает ситуацию и съёмка в других диапазонах. Земля до вегетации растений, по разному прогревается, как благодаря климатическому фактору (облакам), так и антропогенному фактору (различной степени распаханности полей), поэтому общая картина территории съёмки получается искажённой.

Возможно ли получить действительно реальную картину состояния сельскохозяйственных культур на поле? Мы решили проверить, насколько достоверно можно проверить ситуацию на поле, либо с минимальными искажениями, либо ухудшениями качества съёмки, с помощью дистанционно пилотируемого летающего аппарата (ДПЛА). В качестве первого примера приведём поле озимой пшеницы, съёмка которого проводилась в конце марта 2012 г. Съёмка проводилась в 9.38 утра до начала появления ветра, под сплошной облачностью. На снимке отчётливо видны границы полей, которые поливаются с помощью поливочной техники класса «Фрегат», а также колеи технических тележек этой машины. Также отчётливо видны участки различной всхожести озимой пшеницы на ближней поле. На первый взгляд озимая пшеница имеет неравномерную всхожесть, и участки неправильной формы повсеместно по всему полю, на которых вообще отсутствует культура. Позже на поверку оказалось, что это результат поедания культуры семьями полевых грызунов (мышей). Озимая пшеница также имеет участок с вполне удовлетворительным результатом всхожести и началом вегетации (сплошной зелёный цвет) возле лесополосы.

Однако для визуализации и принятия решения по этому полю, информации явно мало. Выявить состояние самой культуры на снимке, который не обработан специальными спектральными инструментами проблематично. Поэтому снимок был обработан с помощью спектральных инструментов в Erdas Image 9.1. Среди выбора спектральных инструментов был выбран базовый набор, который по замыслу смог бы усилить контрастность снимка. Тем самым усиливаются контуры, имеющие различную спектральную яркость и цветовой диапазон (рисунок 3).
Результат применения этих инструментов показан на рисунке 3, который имеет явно более наглядный вид, по сравнению с предыдущим. На обработанном снимке теперь отчётливо видны контуры пятен осолонцевания (поле в правом верхнем углу снимка), пятна на углу поля (левая сторона центра снимка). Пятна осолонцевания под озимой пшеницей также нарушают рН баланс растений, что приводит к изменению цвета, от нормального зелёного к коричнево-зелёному и бледно-коричневому. Единственная полоска зелёного цвета наблюдается вдоль грунтовой дороги и лесополосы. Вероятно, из-за лесополосы произошло накопление снега, и, как следствие, увеличение влаги на этом участке.

p class=»MsoNormal» style=»text-align: justify; text-indent: 27.0pt;»>Отдельного внимания заслуживает микрорельеф на поле (см.рис. 4). Влага, естественным образом накапливаясь в этих микропонижениях поля, увлажняет верхний пахотный слой, который на снимке всегда имеет более тёмный цвет по сравнению с остальным цветом фона. Микропонижения легко идентифицировать по наличию растений в них, вегетация в микропониженях всегда начинается немного раньше, чем на остальной площади всего поля (рис.4). Однако позже (к середине июня, июля) пшеница в этих понижениях начинает вымокать и начинает тормозиться рост растений.

p class=»MsoNormal» style=»text-align: justify; text-indent: 27.0pt;»>Таким образом, аерофотосьёмка под облачностью возможна. Даёт положительный результат при анализе снимков. В этом случае обязательно необходимо проводить спектральный анализ и усиление контрастности снимка для улучшения визуального восприятия и поддержке принятия решения. Однако были установлены и некоторые ограничения на проведения съёмки. Резкие порывы ветра, скорость которого достигала до 15 м/с, резко меняя направления, это негативно сказалось на взлётах/посадках ДПЛА. Поэтому проведение съёмки необходимо проводить в первую половину дня.

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.

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.