АКТУАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БЕЗПИЛОТНЫХ СИСТЕМ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ОТКРЫТЫХ ЛАНДШАФТОВ
ACTUAL POSSIBILITY OF USING UNMANNED VEHICLE SYSTEMS IN THE STUDY OF OPEN LANDSCAPES
Р. Скорупска
R. Skorupskas
Вильнюский университет (Литва, г. Вильнюс, ул. М.К. Чюрлионио, 21)
Vilnius university (Lithuania, Vilnius, M.K. Ciurlionio Str., 21)
e-mail: ricardas.skorupskas@gf.vu.lt
В статье обобщается опыт проведения исследований открытых ландшафтов, используя беспилотные летательные системы, которые в себе совмещает БЛА и разные модуля сенсоров. С их помощью, применяя разные хорологические и хронологические стратегии, появляется возможность на крупномасштабном уровне получить информацию другого качественного уровня, при этом детальнее и глубже познавая черты и характер развития ландшафта.
The article summarizes the experience of technology for conducting open landscapes studies using unmanned aerial systems that combine UAVs and various sensor modules. With their help, applying various chorological and chronological strategies, it becomes possible to obtain information of a different qualitative level on a large scale level, while understanding the features and character of the landscape development in more detail and deeper.
Последнее десятилетия относительно быстро и стремительно развивающиеся технологии, связанные с беспилотными летающими аппаратами (БЛА) или комплексно с беспилотными летающими системами (БЛС), дают реальную возможность для расширения сферы их использования, то есть для внедрения этих систем в решения задачей научного плана. Естественно, технологии такого рода лучше всего находят свое применение в науках, которые изучают пространство, исследуя территориальные единицы разного иерархического ранга, происходящие в нем явления и проявляющиеся закономерности. Собственно такой наукой в данном случае является ландшафтная география, в которой вышеупомянутые технологии имеют реально большой потенциал внедрения, относительно широкого использования и прогрессивного развития. В контексте ландшафтной географии самое большое внимание нужно уделять так называемым БЛС. Они представляют собой целостную интегрированную систему, которая подготовлена для сбора нужных данных и для решения определенных научных задач. В то же время БЛС в техническом плане является оптимизированным сочетанием беспилотного летающего аппарата и встроенного в него определенного сенсорного блока, собирающего необходимую информацию. Обсуждая БЛС, отрицать важность самого БЛА было бы неправильно, так как от типа БЛА и целого ряда его технических параметров (размах крыльев, тип двигателя, допустимый вес полезной нагрузки, средняя скорость, минимальная скорость, аэродинамические свойства) зависят характеристики полета, устойчивость к неблагоприятным метеорологическим условиям и, конечно, перечень задач, которых можно решить.
В настоящее время по техническим особенностям очень четко выделяются два типа БЛА: а) коптеры-мультикоптеры; б) самолеты фиксированного крыла. Аппараты первого типа удерживаются в воздухе при интенсивном вращении четырех, шести или восьми пропеллеров, при этом расходуя примерно в шесть раз больше энергии, чем аппараты фиксированного крыла. Поэтому продолжительность полета первого типа БЛА варьирует от 5 до 35 минут, тогда как аппараты фиксированного крыла в полете в среднем проводят от 30 до 120 минут, а нередко и больше. Продолжительность автономного полета является самой главной характеристикой, которая определяет стратегию (обширность, объемность, продолжительность, периодичность) выполнения конкретных задач ландшафтных исследований. Поэтому продолжительность полета в основном и определяет особенности использования каждого из типов БЛА. Мультикоптеры чаще всего используются для сбора информации земной поверхности в маленьких эталонах точечного типа, исследуемых на крупномасштабном уровне, а самолеты фиксированного крыла – для сбора нужного материла с более обширных территорий радиусом от места взлета до 20-30 км. С типом БЛА связан и уровень риска их эксплуатирования, особенно тогда, когда речь идет об использовании дорогостоящих сенсоров. В этом случае сочетание с БЛА фиксированного крыла может обеспечить минимальный риск повреждений, который при наличии оригинальных конструкционных решений и профессиональности оператора возможно еще уменьшить.
В контексте существующей общей системы дистанционных исследований земли БЛА, можно сказать, занимает особенно важное положение, заполняя до этого свободную нишу исследований земной поверхности. Если космические спутники и зонды собирают разноспектральную информацию с космической орбиты с относительно малым разрешением, которая позволяет обнаружить процессы глобального и регионального масштаба, обобщенно изучать тенденции и причины изменения земной поверхности, то БЛС занимает противоположную позицию вертикальной пространственной системы исследования земной поверхности. Она снизу примыкает к земной поверхности, а верхняя граница соприкасается, а чаще всего в практике перекрывается с воздушным пространством, используемым пилотируемыми самолетами. Обобщенно говоря, сфера использования БЛА, особенно при проведении исследований крупномасштабного уровня, связана с приземным слоем атмосферы от 0 до 120-150 м. Верхний рубеж использования БЛА связан с нижней границей воздушного пространства, которую занимают пилотируемые аппараты, и утвержден в правовой базе использования воздушного пространства во многих странах мира. Использование БЛС на практике показало, что исследования такого рода дают множество преимуществ. В первую очередь, маленькое расстояние до фиксируемого объекта и сравнительно малая скорость позволяют при сравнительно малых инвестициях достичь хорошего результата, а возможность летать ниже облаков позволяет увеличить почти до максимума число дней, пригодных для проведения работ. Выше официально допустимой высоты все упомянутые преимущества теряются. Что бы достичь такого же качества, требуется улучшение технических параметров сенсоров, встроенных в БЛА.
Опираясь на практику, возможно предоставить систему факторов, влияющих на качество изучения земной поверхности при использовании БЛС (рис. 1). Одна выделенная группа факторов определяется как природные лимитирующие, интегрируя такие отдельные факторы как ветреность, облачность и наличие осадков. Другая в научном плане самая главная группа представляет собой сочетание ряда факторов, выявленных на технической основе. Одни из них связаны с БЛА, другие – с используемыми сенсорами, а третьи – с особенностями земной поверхности. В целом, знание выявленных факторов и существующих между ними зависимостей позволяет избегать грубых в методологическом плане ошибок при исследовании ландшафта и при сборе необходимой информации.
Рисунок 1. Система факторов, влияющих на качество изучения земной поверхности, при использовании БЛА
Следующий, не менее важный и весьма проблематичный вопрос, строго зависящий от выше перечисленных факторов, есть объем (в пространственном плане) и периодичность (объем во временном плане) исследований. Обобщенно говоря, это можно назвать стратегией исследований ландшафта. В территориальном плане исследование открытых ландшафтов, в зависимости от цели научной работы или исследований-наблюдений другого плана, опираясь на имеющиеся технические возможности, можно реализовать тремя количественно и качественно разными способами-стратегиями, которые хорошо оправдались в ходе проведения исследований открытых ландшафтов (луговых, болотистых и распаханных). Выявленные стратегии именуется как: а) сплошной; б) линейный; в) точечный (рис. 2). Первая из них связана с сплошным сбором информации визуального или другого необходимого спектра сравнительно обширных территорий. Такой способ позволяет собрать всю информацию на необходимой территории, но это, в плане обработки материала, отнимает много временных ресурсов. Используя БЛА фиксированного крыла при хороших метеорологических условиях возможно за один раз зафиксировать до 10 квадратных километров изучаемой территории. Мультикоптеры для исполнения такого рода задач непригодны. Второй способ или стратегия собирания пространственной информации, связанный с выделением в каком-то смысле эталонной территории продольного разреза, которая характеризует все или большую часть особенностей изучаемой территории. Исследуемая такого рода территория определяется как узкая и очень длинная полоса, проведенная по характерным местам изучаемого ландшафта, которую можно именовать транссектом. Данная стратегия исследований экономит временные ресурсы при собирании и обработке данных, и тем самым не сопутствует потере качества исследований. Третий способ основан на точечном сборе информации с эталонных сравнительно маленьких, хорошо в методологическом плане обоснованных территориальных единиц. Чтобы обработать собранную в них информацию, требуется еще меньше временных ресурсов, а сбор данных в плане временных затрат остается схожим по объемам, которые связаны с длительными перелетами или переездами к следующему эталону.
Рисунок. 2. Пространственные и временные стратегии изучения земной поверхности при использовании БЛС
Во временном плане стратегия исследований связана с подборкой периодичности. А периодичность, как правило, зависит от целей и задач исследования территориальных комплексов ландшафта. Выделяются а) внутрисуточная периодичность, связанная с почасовой фиксации изучаемого места; б) внутригодовая периодичность, связанная с сезонной, помесячной фиксацией изучаемого места; в) внутривековая периодичность, связанная с погодовой или боле разреженной фиксацией изучаемого места. Необходимо заметить, что представленные стратегии – это только небольшой сегмент из более сложной системы, которая охватывает сбор, первичную обработку, детальный анализ полученного материала и изготовление конкретных тематических карт (рис. 3). При разделении системы на части, ясно выделяются техническая (I; II) и научно-аналитическая (III; IV; V) ее составляющие. Первые две части системы иллюстрируют возможные варианты сочетания БЛА и разных сенсорных блоков (оптический, термальный, гиперспектральный и др.), используя которые отдельно или в определенном комплекте, применяя вышеупомянутые стратегии, можем получить сырьевую информацию (отдельные фотографии, термальная съемка). В ходе проведения обработки полученных данных при использовании специального программного обеспечения подготавливается первичный материал (ортофотография, термография и т.д.). Следующий, так называемый научно-аналитический, этап связан с поиском наилучшего пути для решения поставленной проблемы и внедрением в этот процесс автоматизации (создание алгоритмов), которая ускоряет обработку пространственных данных. Процесс автоматизации нужен для анализа большого количества данных, полученных дистанционным способом. В процессе исследований, сравнивая данные, полученные разными способами, выявляются закономерности, которые и становится основой формирования алгоритма, который помогает быстро и эффективно достичь поставленной цели. Для решения заново поставленной задачи и получения качественно нового результата исследований ландшафта в принципе требуется создание нового алгоритма.
Рисунок 3. Теоретическая модель дистанционного фиксирования и обработки данных, полученных во время сканирования ландшафта с БЛС 6
Для этого используется другое сочетание пространственных данных, которые получены с помощью разных сенсоров. Тем самым нужно подчеркнуть, что цель исследования определяет, какого рода первичный материал должен быть получен при использовании БЛС для решения поставленной задачи, и только потом решается, по какой стратегии и с использованием каких сенсоров этот материал будет собираться. В заключении необходимо отметить, что БЛС открывает исследователям и ученым новые возможности, связанные со свободой мышления и, самое главное, свободой действий, которые проявляется возможностью в любом месте, с желаемой периодичностью собрать необходимую информацию, связанную с современным состоянием ландшафта.