С начала 2000-х гг. аэрофотосъемка находит широкое применение в различных областях (картография, геодезия, геология, градостроительство и лесная инвентаризация, киноиндустрия, реклама и др.) [1]. Беспилотные летательные аппараты (беспилотные воздушные суда) обладают простотой в эксплуатации и управляются дистанционно, что расширяет их спектр применения в областях и территориях, недоступных для человека по разным причинам [2]. Беспилотные воздушные суда (БВС) способны получать изображения высокой четкости с точностью пространственного разрешения как минимум до сантиметров с больших площадей благодаря оснащению оборудованием (датчиками дистанционного зондирования) и соответствующим программным обеспечением (алгоритмы технологии позиционирования) [3]. Эти особенности БВС раскрывают всю широту их применения: военные операции (разведки, обнаружения цели и атаки на поле боя), гражданская авиация (мониторинг и наблюдения с воздуха, контроль лесных пожаров, инспекция инфраструктуры и др.), агрономия (выявление заболеваний растений, оценка, оптимизация использования земли и др.), киноиндустрия и шоу, транспорт и доставка, охрана окружающей среды и др. [4–7].
Широта областей совместного применения технологий дистанционного зондирования территорий и беспилотных воздушных судов определяет потенциал их использования. К таким областям относятся агрокультура, лесное хозяйство, гидрология, география, управление природными и экологическими катастрофами, транспорт и связь, научные исследования и др. [8]. Экспоненциальный рост числа научных публикаций по приложениям дистанционного зондирования территорий с помощью беспилотных воздушных судов [9] отображает рост авторитета аэросъемки, как части исследований во многих дисциплинах. Тем не менее обзорных работ современных тенденций применения дистанционного зондирования с БВС для мониторинга нарушенных земель недостаточно [10].
Целью исследования являлось изучение возможности применения технологии дистанционного зондирования Земли с применением беспилотных воздушных судов для контроля техногенно нарушенных земель Кемеровской области – Кузбасса.
Материалы и методы исследования
Отвал вскрышных пород и сопредельные территории одного из угольных месторождений Кузбасса, расположенные в Прокопьевском районе Кемеровской области в непосредственной близости от лицензионных участков 1 и 2 (рис. 1), являлись территорией исследования. Согласно [11] рассматриваемый участок находится на территориях, где должны быть расположены луга.
По данным Единого государственного реестра недвижимости на отвале, в пределах которого расположен экспериментальный участок и сопредельные территории отвалов вскрышных пород угольных месторождений Кузбасса, расположены земли, относящиеся к категории земель лесного фонда.
Рис. 1. Границы объекта работ и лицензионные участки на недропользование: 1 и 2 лицензионные участки (фото из коллекции КемГУ, дата съемки 20.10.2022): черная линия – границы участка рекультивации; синяя линия – река Черновой Нарык, желтые линии – технологические дороги, серые линии – грунтовые дороги
Хотя непосредственно сам экспериментальный участок не попадает на земли лесного фонда, но в аналогичных условиях находятся другие части отвала, которые должны быть рекультивированы до возращения земель в лесной фонд.
Для выполнения дистанционного зондирования отвала вскрышных пород угольного месторождения и сопредельных территорий использование программно-аппаратного комплекса (ПАК) в составе высокопроизводительных беспилотных воздушных судов коммерческого класса (DJI Phantom 4 Pro+, модернизированный набором Teokit, воздушное судно мультироторного типа с четырьмя электрическими бесколлекторными двигателями (рис. 2), цифровой фотокамеры, воздушного лазерного сканера (лидара), мультиспектральной камеры, радиометрического тепловизора, газоанализатора, бортового и наземного спутниковых геодезических приемников, программное обеспечение (ПО) для фотограмметрической обработки, ПО для обработки данных геодезических измерений и ПО для создания ГИС является наиболее рациональным. Точка базовой станции представляла собой заранее закоординированную точку в пространстве. Для удобства ее использования она была расположена максимально близко к точке взлета/посадки БВС, при этом расстояние точки базовой станции от крайних точек границ объекта работ не превышало 20 км. На данной точке при проведении полетов производилась запись наземным GNSS-приемником [12].
Рис. 2. Воздушное судно мультироторного типа DJI Phantom 4 Pro+ (фото из коллекции КемГУ)
Аэрофотосъемка территорий исследуемого участка и сопредельных участков техногенно нарушенных земель угольного месторождения Кемеровской области – Кузбасса выполнялась 20 октября 2022 г. Погодные условия во время проведения работ: пасмурно, ветер 3 м/с, -5°С. Мультиспектральная съемка, съемка в ИК-спектре, детектирование утечек метана исследуемого участка выполнялись 1 ноября 2022 г. Погодные условия во время проведения съемок и детектирования: пасмурно, ветер 4 м/с, -5°С. На объекте работ наблюдался неустойчивый снежный покров. Высота полета 30 м относительно рельефа местности при детектировании утечек метана и 100 м при остальных съемках. При полете огибание рельефа местности не выполнялось.
С помощью программного обеспечения UGCS выполнялась подготовка полетного задания. В программном продукте TEOBOT относительно точки базовой станции tbs_kru выполнялось уравнивание полета для получения точных центров фотографирования. Программный продукт TEOBOX 3 был использован для возможности применения смещения камеры относительно GNSS-приемника БВС.
Фотометрическую обработку данных аэрофотосъемки производили в ПО, позволяющем производить обработку снимков, полученных камерой видимого спектра, в автоматическом режиме. В результате фотограмметрической обработки получены ортофотоплан в формате GeoTiff и цифровая модель поверхности в формате GeoTiff.
Результаты исследования и их обсуждение
Работы по дистанционному зондированию Земли выполнялись специалистами КемГУ согласно утвержденной «Программе и методике проведения дистанционного зондирования экспериментального участка и сопредельных территорий отвалов вскрышных пород угольных месторождений Кузбасса», и включали в себя аэрофотосъемку, мультиспектральную съемку, воздушное лазерное сканирование, съемку в ИК-спектре, детектирование утечек метана.
Создание цифрового ортофотоплана и цифровой модели поверхности. Работы по созданию цифрового ортофотоплана и цифровой модели поверхности выполнялись в программном комплексе Agisoft Metashape Professional из цифровых аэрофотоснимков, с запасом покрывающих границы изучаемого объекта, с целью получения непрерывного ортофотоизображения местности без видимых швов и порезов. Цифровая модель поверхности создавалась в процессе построения ортофотоплана (рис. 3).
Рис. 3. Ортофотоплан и граница объекта исследований (фото из коллекции КемГУ) границы рекультивации; территория с плоским (неспланированным) рельефом
Рис. 4. Карта уклонов экспериментального участка и сопредельных территорий отвалов вскрышных пород угольных месторождений (фото из коллекции КемГУ)
Она во многом схожа с цифровой моделью рельефа, но имела более низкую точность построения. Поэтому цифровая модель поверхности была использована как модель земной поверхности при проектировании полетных заданий для последующих работ.
Крутые уклоны на участках рекультивации наиболее интересны с точки зрения исследования, поскольку их вертикальное профилирование – наиболее затратное мероприятие при рекультивации. На территории экспериментального участка и сопредельных территорий были выделены участки с крутыми уклонами (рис. 4), из которых было сформировано 9 участков, для каждого из которых были рассчитаны площадь, минимальная высота на участке, максимальная высота на участке, перепад высот и средняя высота на участке.
Карта термографической съемки. Мониторинг возгораний угля осуществляется посредством тепловизионной аэрофотосъемки с БВС. Для анализа угольных пожаров собирают значительный объем данных по результатам аэрофотосъемки в тепловом диапазоне [8, 9]. Составленная по результатам съемки в ИК-спектре карта термографической съемки (рис. 5) содержит данные абсолютной температуры поверхности экспериментального участка и сопредельных территорий отвалов вскрышных пород угольных месторождений.
Рис. 5. Карта термографической съемки (фото из коллекции КемГУ)
Рис. 6. Карта концентрации метана (фото из коллекции КемГУ)
На карте можно наблюдать локальные максимумы и минимумы температур. Температура на экспериментальном участке и сопредельных территориях отвалов вскрышных пород угольных месторождений имеет спокойный фон без выраженных максимумов, которые могли бы свидетельствовать о протекающих процессах окисления остатков угля в горной массе отвала.
Карта концентрации метана. Кузбасс является одной из крупнейших угольных территорий не только России, но и мира. Угледобыча сопровождается активными выбросами метана на территориях как угледобывающих разрезов, так и угольных отвалов [12]. Выбросы метана приводят к экологическим катастрофам, снижению качества воздуха, негативно влияют на здоровье и жизнь населения региона [13, 14]. В местах скопления метана в почве необходимо проводить мониторинг и контроль выбросов, что позволит отслеживать уровни выбросов и принимать меры для их снижения при необходимости.
Составленная по результатам детектирования утечек метана карта концентрации метана показывает наличие возможных выходов метана из угольной массы, оставшейся на экспериментальном участке и сопредельных территориях отвалов вскрышных пород угольных месторождений. Концентрация метана (рис. 6) не превышала значения 50 ppm. Возможно, полученные результаты отражают не фактическое состояние концентрации метана на экспериментальном участке и сопредельных территориях отвалов вскрышных пород угольных месторождений, а предел погрешности измерений.
Заключение
При проведении исследований техногенно нарушенных земель экспериментального участка и сопредельных территорий отвалов вскрышных пород территории угольного месторождения Кузбасса с помощью БВС были проведены аэрофотосъемка, мультиспектральная съемка, воздушное лазерное сканирование, съемка в ИК-спектре, а также детектирование утечек метана. По результатам выполняемых работ для проведения анализа и визуализации пространственных данных, разных способов сбора и обработки полученных материалов аэросъемок, картографических материалов, геодезических измерений и дополнительных данных была создана специализированная ГИС.
Полученная достоверная информация об отсутствии на объекте температурных аномалий и возможных источников выбросов метана, которые могут негативно повлиять на развитие высаживаемых культур, позволит приступить к изучению существующих на участке вегетативных процессов, определить объем необходимых подготовительных работ по подготовке площадок к биологической рекультивации техногенно нарушенных территорий.
Библиографическая ссылка
Осинцева М.А., Рада А.О., Кузнецов А.Д. ТЕХНОЛОГИИ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ С ПРИМЕНЕНИЕМ БЕСПИЛОТНЫХ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ // Успехи современного естествознания. – 2024. – № 1. – С. 74-79;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=38210 (дата обращения: 19.05.2024).