Остров Фирнлея. Белый медведь на острове
Малые беспилотные летающие аппараты (БПЛА) обрели высокую популярность в качестве экспедиционного оборудования. Спектр экспедиционных задач, которые можно быстро решить с помощью штатной фотокамеры БПЛА, довольно широкий: оперативная рекогносцировка на местности, обследование опасных и труднодоступных локаций без необходимости подвергать людей риску, определение оптимальных маршрутов передвижения по пересеченной местности или в условиях торосов, заблаговременное обнаружение диких животных и иные задачи.
Здесь описываются некоторые аспекты тактики применения БПЛА в сложных условиях арктических экспедиций, основанные на приобретенном опыте, приводятся полученные результаты и разбираются нюансы фотограмметрической обработки изображений. Обзорная часть статьи демонстрирует спектр задач, которые можно решать с помощью БПЛА в арктических экспедициях, а содержательная часть посвящена определению особенностей оптимальной обработки получаемых данных.
Одной из задач экспедиции было обследование состояния сооружений на берегах, но не всегда погодные условия, состояние берега или запас времени позволяли высадиться группе для проведения работ. В таких случаях приходилось ограничиваться дистанционным осмотром с помощью квадрокоптера, запускаемого прямо с борта ледокола. Стоит отметить, что запуск квадрокоптера с судна сопряжен с существенными рисками: ошибки навигации и дрейф судна могут привести к крушению летательного аппарата и его потере.
Другой задачей, поставленной перед гидрографической группой, было уточнение координат геодезических знаков и маяков. В ряде случаев эти объекты находились на расстоянии нескольких километров от района основных работ экспедиционного отряда, поэтому крайне эффективным оказалось использование квадрокоптера для подлета к объекту, фиксирования позиции точно над ним и определения координат с помощью штатной системы позиционирования дрона.
Дроны оказались большим подспорьем для обеспечения безопасности работы экспедиционного отряда – каждая высадка начиналась с облета близлежащей территории для проверки присутствия диких зверей, наибольшую опасность из которых представляли белые медведи. Несколько раз именно наблюдение с помощью квадрокоптера позволило вовремя заметить приближение хищников. Также наблюдение с высоты помогало определить участок берега с наименьшим количеством подводных камней для безопасного подхода катера.
Результаты фотограмметрической обработки также имеют огромное значение для геолого-геофизических работ, поскольку позволяют получить цифровую модель рельефа (ЦМР) и ортофотоплан, используемые в области геофизики, геодезии, геологии, гляциологии, океанографии и других наук о Земле. Так, с помощью аэрофотосъемки удалось выявить зоны активных разломов во многих районах экспедиционных работ.
Обычно для этих целей используются спутниковые снимки, но у них недостаточное разрешение и перекрытие по сравнению со снимками с дрона. Поэтому спутниковые снимки используются для планирования работ, а снимки с дрона – для детального изучения местности.
Методы и результаты авиасъёмок
Трехмерная модель части о. Тимофеева, наложенная на спутниковый снимок.
Первичный фотоматериал был получен с использованием квадрокоптера со штатной фотокамерой на стабилизированном подвесе. В зависимости от освещенности подбирался светофильтр для обеспечения высокой контрастности снимков. Управление дроном осуществлялось в ручном режиме с помощью пульта Smart Controller, обеспечивающего повышенную дальность передачи данных благодаря усиленной антенне и высокую четкость изображения.
Обработка фотоматериалов производилась в специальном программном комплексе Agisoft Metashape, который позволяет в результате обработки фотограмметрическим методом серии снимков получать цифровую модель рельефа (ЦМР), ортофотоплан и полигональную трехмерную модель участка рельефа или отдельных объектов.
Для получения качественного результата необходимо правильное планирование полета БПЛА и ракурсов съемки. Съемка должна производиться с фиксированным фокусным расстоянием. При необходимости перед обработкой производится отбраковка снимков и выравнивание экспозиции. Эта процедура особенно важна для серии фотоснимков, полученных при переменной облачности, что может привести к неравномерности освещенности ортофотоплана.
Другой пример применения результатов фотограмметрической обработки – это остров Белуха в Карском море. В южной части острова выявлен молодой тектонический разрыв, представленный выразительными сейсмотектоническими рвами шириной от 3 до 15 м и уступами. Фото- и видеоматериал, полученный при съемке маяка на острове, позволил построить его трехмерную модель. Прозрачность воды и хорошая погода позволили восстановить батиметрию прибрежных мелководий.
Координатная привязка представленных фотоматериалов производилась с использованием штатного навигационного датчика квадрокоптера. В Арктике такая привязка может содержать большие ошибки из-за меньшей плотности спутников в арктическом регионе.
В чём помог квадрокоптер
В работе представлены три примера применения аэрофотосъемки с использованием БПЛА в Арктике и последующей обработки методом фотограмметрии в программном комплексе Agisoft Metashape.
В первом случае при съемке острова Жаннетта исключительно с уровня моря удалось построить рельеф прибрежных крутых скал и восстановить береговую линию острова без использования специализированного оборудования.
Во втором случае при обработке богатого фотоматериала с острова Тимофеева показано, что лучший результат может быть достигнут при построении модели острова по карте глубин.
Третий случай продемонстрировал, что удовлетворительный результат можно получить даже при использовании последовательности кадров, полученных при видеосъемке. Это, конечно, значительно ускоряет проведение полевых работ, но снижает качество каждого снимка, которое нельзя компенсировать увеличением общего количества фотографий.
Использование БПЛА с фотокамерой позволяет в ходе арктических экспедиций решать множество задач, сохранять объекты в виде цифровых трехмерных моделей, проводить оперативную рекогносцировку на местности, безопасно обследовать локации, определять оптимальный маршрут по пересеченной местности, заблаговременно предотвращать встречу с дикими зверями. Поэтому в современных экспедициях крайне рекомендуется применение БПЛА.
Р.А. Жостков, С.А. Тощов Публикуется в сокращении. Источник
Работа полностью опубликована в журнале «Наука и технологические разработки», 2023, Т. 102, 1, с. 4–18.
