Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Почва является сложной матрицей, постоянно взаимодействующей с компонентами окружающей среды, следовательно, загрязнения почвы легко напрямую распространяются на поверхностные, грунтовые воды и воздух. Плодородный слой почвы – это ценный природный ресурс, естественное возобновление которого протекает медленно [1, 2]. Добыча угля неизбежно сопровождается нарушением земель и выведением их из хозяйственного оборота, поэтому существует необходимость восстановления почвы в местах отвалов угольных месторождений и проведения различных мероприятий по рекультивации. Проведение рекультивации начинается с подготовительного этапа, который заключается в изучении условий территорий для определения рекультивационного направления [1]. Для исследования территорий часто используют наземное обследование, которое, несмотря на свою низкую затратность, обладает целым рядом минусов, главным из которых является большая погрешность получаемых результатов, которая практически не поддается проверке. Также данный способ является более ресурсоемким и трудоемким по сравнению с методами дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

ДЗЗ – это наблюдение поверхности Земли авиационными и космическими средствами, оснащенными различными видами съемочной аппаратуры. На рис. 1 представлены различные типы ДЗЗ, которые применяются для нужд геодезии и геологии. Постоянно происходит развитие дистанционных технологий, что приводит к сближению информационных возможностей материалов аэрофото- и космической съемки (в том числе аэрофотосъемки и БВС). При выборе между космической и аэросъемкой для анализа угольных отвалов возможность получить сопоставимые характеристики материалов ДЗЗ может играть важную роль. Аэрофотосъемка считается более оперативным способом съемки территории, а применение космической съемки возможно только при экономической и технической целесообразности [3].

Значительный рост рынка беспилотных воздушных судов (БВС) очевиден. Материалы, полученные при съемке БВС, качественно превосходят материалы, полученные при аэрофотосъемке с самолетов во многих аспектах. Особенностью БВС является их способность летать на низкой высоте, ниже облаков. Они в основном оснащены оптическими камерами и проводят стереоскопическую съемку, данный подход позволяет осуществлять стереоскопическое дешифрование и создавать материалы с более высоким пространственным разрешением, чем у пилотируемой авиации [4].

Наблюдается сближение некоторых показателей материалов (наличие стереоскопии, геометрическая точность, наличие необходимых каналов для формирования псевдоцветных изображений, пространственное разрешение), полученных при космической съемке, аэросъемке и съемке с помощью БВС.

Рис. 1. Классификация средств проведения ДЗЗ по типу

Учитывая стоимость съемки, погодные условия, близость государственных границ, форму и расположение объектов съемки, требования к периоду и повторяемости съемок, доступность аэродромов, возможны различные варианты и их комбинации. Необходимо анализировать каждую задачу отдельно и выбирать наиболее подходящий способ съемки, который будет соответствовать требованиям проекта и иметь наименьшее количество ограничений и рисков. Дистанционные методы, такие как автоматизированная классификация материалов ДЗЗ, лазерное сканирование (лидарная съемка), использование многоканальных съемок (гиперспектральных, мультиспектральных), а также их комбинация с информационными технологиями представляют перспективные направления применения.

Несмотря на успешный мировой опыт и положительные результаты проводимых исследований, применение современных дистанционных методов зондирования при обследовании полигонов, подлежащих рекультивации, достаточно ограничено. Решение подобных задач связано с получением характеристик почв и растительности, но на достаточно обобщенном уровне.

Целью исследования являлся выбор средств ДЗЗ, которые обеспечивают наибольшую эффективность сбора информации для определения рекультивационного направления работ на угольных отвалах вскрышных пород месторождений Кузбасса. Для исследования были использованы основные типы средств ДЗЗ, такие как космическая съемка сверхвысокого пространственного разрешения, съемка средствами БВС, съемка средствами пилотируемых летательных аппаратов.

Материалы и методы исследования

Аэрофотосъемка экспериментального участка и сопредельных территорий отвалов вскрышных пород угольных месторождений Кузбасса выполнялась ранней осенью. Погодные условия во время проведения аэрофотосъемочных работ – ветер 3 м/с, температура окружающей среды +5 °С, пасмурно. Высота полета 100 м относительно точки взлета посадки. Полет выполнялся без огибания рельефа местности. Подготовка полетного задания производилась в программном обеспечении UGCS. Уравнивание полета для получения точных центров фотографирования выполнялось относительно точки базовой станции tbs_kru в программном обеспечении TEOBOT, для применения смещения камеры относительно GNSS приемника беспилотного воздушного судна использовалось программное обеспечение TEOBOX 3.

Данные цифровых аэрофотосъемочных материалов представляли собой фотоснимки со штатной цифровой фотокамеры в формате *.jpg, размещенной на беспилотном воздушном судне модели DJI Phantom 4 Pro+ с установленным бортовым ГНСС приемником. Для геодезических измерений использовались спутниковые двухчастотные мультисистемные геодезические приемники PrinCe i90, серийные № 3409349, № 3409350 и Trimble R10-2, серийный номер № 6015F00329. Каждый спутниковый приемник прошел метрологическую поверку.

Результаты исследования и их обсуждение

Новые методы космической съемки с высоким пространственным разрешением и съемка с помощью БВС представляют конкуренцию для традиционных методов исследования [5–7]. Для выбора метода съемки угольных отвалов было проведено сравнение основных типов съемки, представленное в таблице.

Космическая съемка сверхвысокого пространственного разрешения представляет собой получение данных со спутников, их обработку и систематизацию. Стоимость 1 снимка составляет от 2000 $ с минимальным объемом заказа 100 км2. При этом данные снимки обладают пространственным разрешением от 2 м и метровой геодезической точностью. К преимуществам космической съемки относятся возможность получения результатов посредством геопорталов, наличие многих спектральных каналов, высокая обзорность получаемых данных, возможность съемки удаленных и труднодоступных территорий, в том числе тех, где на значительном расстоянии отсутствуют аэродромы, меньшая трудоемкость обработки по сравнению с аэрофотосъемкой. Спутниковая съемка также предлагает возможность частого наблюдения за одним и тем же объектом (например, раз в сутки или несколько раз в сутки), независимо от его географического расположения, что означает отсутствие ограничений для съемки граничных территорий и секретных государственных объектов, сложных процедур согласования. Немаловажным плюсом является уменьшение стоимости съемки в зависимости от увеличения площади зонирования.

Основные характеристики традиционного способа исследования и различных методов ДЗЗ [4, 8–10]

У компаний, реализующих продукты космической съемки, существует высокий спрос на архивные снимки. Стоимость таких снимков обычно невысока и со временем имеет тенденцию к снижению.

Средняя себестоимость комплекса работ по аэрофотосъемке и обработке визуальных данных с помощью БВС составляет около 5000 руб/км2. О растущем спросе на услуги БВС также можно судить по переориентации съемочного оборудования, программного обеспечения и части рынка аэросъемочных услуг на сегмент БВС. К основным преимуществам БВС относятся: возможность съемки маленьких по площади или линейных объектов с ультравысоким разрешением, что недоступно другим средствам по разным причинам – техническим и экономическим; возможность осуществлять съемку в условиях сложных для аэросъемки участков, а также участков, где существуют риски для жизни и здоровья пилотов (горная местность, неблагоприятные погодные условия, зоны стихийных бедствий, военных действий или техногенных катастроф); более гибкие требования к погодным условиям, сравнительно с аэрофотосъемкой; позволяет выполнять полеты без наличия аэродромов; стоимость работ для площадей менее 20 км² значительно ниже (от 5 тыс. руб./км²), чем при использовании других методов ДЗЗ [5, 9].

К основному недостатку БВС, значимому при обследовании полигонов, подлежащих рекультивации, относится недостаточная изученность пригодности материалов съемок БВС для данной задачи. У пилотируемых летательных аппаратов стоимость работ исчисляется сотнями тысяч рублей (1 час работы стоит порядка 100 тыс. руб. при схожей с БВС производительностью). Также они ограничены такими факторами, как наличие или отсутствие аэродромов, разрешение на полеты, метеоусловия.

Рис. 2. Цифровой ортофотоплан КемГУ, полученный различными методами ДЗЗ: (a) спутниковый снимок (спутник Канопус-В, пространственное разрешение 2 м/пикс), (b) аэрофотосъемка с пилотируемого летательного аппарата (пространственное разрешение 20 см/пикс), (c) аэрофотосъемка с БВС (пространственное разрешение 5 см/пикс)

Рис. 3. Изображение экспериментального участка и сопредельных территорий: (а) ортофотоплан и граница объекта работ; (b) спектральная карта высот объекта работ; (c) карта плоских территорий

Для проведения полноценного исследования полигона, подлежащего рекультивации, необходимо изучить видимую ситуацию на объекте работ, рельеф территории для определения объема необходимых подготовительных работ на площадках объекта, изучить существующие на участке вегетативные процессы, а также исключить вероятность наличия на объекте температурных аномалий и/или возможных источников выбросов метана, которые могут негативно сказаться на развитии высаживаемых культур [2]. Качество снимков является одним из важнейших параметров первого этапа подготовки плана по рекультивации почв угольных отвалов. На рис. 2 представлены снимки местности, полученные при помощи различных средств ДЗЗ, для исследования полигона предпочтительнее получать изображения с БВС, демонстрирующих максимальную детализацию исследуемой местности.

При принятии управленческого решения необходимо руководствоваться в первую очередь критериями точности получаемого результата, а также площади обследования, определяющей экономическую целесообразность выбора определенного метода обследования [4, 8–10]. Отметим, что наиболее эффективным техническим решением по исследованию отвалов вскрышных пород угольных месторождений Кузбасса является БВС. В случае небольшой площади объекта (до 8 га) становится возможным применение мультироторных систем с полетным временем до 30 мин, что снижает себестоимость данных работ, так как амортизация крупных промышленных БВС самолетного типа составляет порядка 50 тыс. руб. за одну взлет-посадку, а мультироторных систем – от 5 тыс. руб. При этом исключается риск получения повреждений БВС из-за посадки на твердый грунт.

Аэрофотосъемка экспериментального участка и сопредельных территорий отвалов вскрышных пород угольных месторождений Кузбасса выполнялась 20.10.2022. В результате произведенной аэрофотосъемки были получены аэрофотоснимки, которые были использованы для построения цифрового ортофотоплана и цифровой модели поверхности (рис. 3).

Заключение

Для оптимального осуществления сбора информации при проведении рекультивационных мероприятий на местах отвалов вскрышных пород угольных месторождений рекомендуется использовать аэрофотосъемку с применением БВС. Данный метод позволяет получать информацию быстро и максимально эффективно с учетом отсутствия рядом аэродромов, плохих погодных условий, неудобного расположения объектов съемки, близости государственных границ и строгих требований к периоду съемок. Изображения, полученные при помощи БВС, отличаются высоким качеством по показателям пространственного разрешения, наличия каналов для формирования псевдоцветных изображений, геометрической точности и не требуют высоких затрат для проведения исследований.