Применение данных дистанционного зондирования для информационного обеспечения системы точного земледелия

УДК 528.8.041.5

В.Л. Быков, Л.В. Быков, М.В. Новородская, О.Н. Пущак, С.И. Шерстнева

ПРИМЕНЕНИЕ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМЫ ТОЧНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ

В статье представлен анализ современных методов дистанционного зондирования (ДЗ) Земли для получения информации о состоянии сельскохозяйственных угодий. Известно, что оперативно задача решается с использованием средств малой авиации и беспилотных летательных аппаратов. Рассмотрены варианты комплектации имеющихся летательных аппаратов современными мульти- и гиперспектральными камерами. Наиболее доступными летательными аппаратами признаны сверхлегкий самолет «Аэропракт А-22», беспилотные летательные аппараты «ЭЛЬФ ПП-45», «DJI Phantom 2» и квадрокоптер «DJI Phantom 3 Professional 2.4G». Анализ съемочных камер выполнен лишь по весу и габаритам. Для более тщательного подбора камер с учетом всех их характеристик необходимо привлечение заинтересованных специалистов в различных областях сельского хозяйства. В заключение отмечена необходимость проведения комплексных междисциплинарных исследований для внедрения элементов системы точного земледелия в условиях Омской области.

Ключевые слова: данные дистанционного зондирования, точное земледелие, мультиспектральные снимки, гиперспектральные изображения.

Введение

При интенсивном ведении сельского хозяйства широко используются данные дистанционного зондирования (ДЗ). Со времени запуска первых космических спутников ДЗ развивается теория и практика интерпретации изображений на снимках с целью определения количественных и качественных показателей продуктивности сельскохозяйственных угодий.

Наиболее востребованы материалы мульти-, гиперспектральных и радиолокационных съемок, позволяющие формализовать изображения при вычислении спектральных коэффициентов и составлении индексных карт. На таких картах отображают различные характеристики почв и растительности, позволяющие выполнить комплексный анализ состояния сельскохозяйственных угодий и спроектировать мероприятия по повышению их продуктивности.

Для достижения наивысшей детализации изображения на снимках, а также большей оперативности получения материалов съемки широко используются методы аэрофотосъемки. Миниатюризация цифровых съемочных систем обеспечивает выполнение съемки даже с беспилотных летательных аппаратов (БЛА), доступных сегодня широкому кругу пользователей.

Классификация изображений на индексных картах основана на сравнении различных показателей с эталонами, полученными путем полевых исследований на ключевых участках местности. В литературе отмечено, что при использовании такой методики необходимо тщательно учитывать множество факторов, связанных с освещенностью объекта, метеорологическими условиями наблюдения, климатическими условиями местности, технологией земледелия [1; 2].

Адаптировать методику ДЗ к местным условиям, сократить промежуток времени между наблюдением эталонных и обследуемых участков, усилить точность классификации космических снимков, автоматизировать процесс создания эталонов, а также повысить оперативность обследований можно на основе применения средств малой авиации и беспилотных летательных аппаратов. С учетом этих позиций совершенствование методики информационного обеспечения системы точного земледелия представляется актуальным.

© Быков В.Л., Быков Л.В., Новородская М.В., Пущак О.Н., Шерстнева С.И., 2016

146

У кафедры геодезии и дистанционного зондирования Омского ГАУ обширные деловые связи со многими научно-производственными центрами РФ и других стран. Сотрудники кафедры имеют опыт обработки данных ДЗ в целях картографирования территорий, а также применения легкой авиации и БЛА для аэрофотосъемки в целях топографии, мониторинга земель и инженерных изысканий. При их непосредственном участии разработаны уникальный аэрофотосъемочный комплекс «ЭЛЬФ» ПП-45 [3], методика калибровки аэросъемочной аппаратуры [4], технологии съемки и обработки изображений при использовании современного программного обеспечения (ПО) [5].

Целью публикации является анализ современного аэросъемочного оборудования, программного и методического обеспечения, пригодных для удовлетворения информационных потребностей систем точного земледелия в условиях Омской области.

Летательные аппараты В данном разделе приведены сведения лишь о тех летательных аппаратах (ЛА), которые доступны с технической и экономической точки зрения на территории г. Омска и Омской области. Кроме того, обзор ограничен рассмотрением средств малой авиации и беспилотных летательных аппаратов.

К наиболее доступным пилотируемым летательным аппаратам в настоящее время относится сверхлегкий одномоторный двухместный самолет «Аэропракт А-22» и его аналоги (рис. 1).

Рис. 1. Сверхлегкий, двухместный самолет «Аэропракт А-22»

По эксплуатационным характеристикам - это один из наиболее экономичных самолетов своего класса. Технические характеристики ЛА приведены в табл. 1. В Омске работает аэроклуб, оснащенный самолетами данного типа, способный выполнять аэросъемочные работы.

Таблица 1

Основные технические характеристики самолета «Аэропракт А-22»

Критерий Показатель

Максимальная скорость 220 км/ч

Крейсерская скорость 130 км/ч

Макс. продолжительность полёта 4 ч 30 мин

Двигатель Rotax 912, мощность 100 л.с.

Скорость сваливания (с закрылками) 55 км/ч

Макс. дальность полёта 580 км

Скороподъёмность 3 м/с

Максимальный взлётный вес 450 кг

Вес пустого ЛА 306 кг

Экипаж 2 чел.

Для самолетов «Аэропракт А-22», при непосредственном участии авторов, разработан аэрофотосъемочный комплекс, включающий:

• цифровой фотоаппарат «Nikon D-800» с набором сменных объективов;

• стабилизирующий подвес «Rottor Helper-3axis Gimbal»;

• система навигации и геодезической привязки снимков на основе ГНСС приемника «Novatel DL-V3»;

• автоматизированная система управления комплексом.

Комплекс пригоден для установки мульти- и гиперспектральных камер весом до 3 кг, имеющих дистанционное управление. Возможна автономная установка радиолокационных систем для интерферометрии территорий с целью изучения эрозии почв.

Среди беспилотных летательных аппаратов выделен БЛА самолетного типа «ЭЛЬФ ПП-45» (рис. 2).

Рис. 2. Запуск БЛА «ЭЛЬФ ПП-45» 148

«ЭЛЬФ ПП-45» - двухмоторный сверхлегкий электрический БЛА, оснащенный системами управления, навигации, телеметрии, аэросъемки. Полет осуществляется с визуальным управлением, управлением по телекамере и в автоматическом режиме с помощью автопилота. Основные технические характеристики приведены в табл. 2.

Таблица 2

Технические характеристики БЛА «ЭЛЬФ ПП-45»

Критерий Показатель

Размах крыла 2,17 м

Длина фюзеляжа 1,40 м

Взлетный вес до 5 кг

Вес полезной нагрузки до 1,5 кг

Силовая установка - электродвигатель 2x0,5 квт

Максимальная скорость полета 150 км/ч

Радиус полета до 5 км

Рабочая высота полета 50-600 м

Практический потолок 4000 м

Продолжительность полета до 2 ч

Ветер на старте до 12 м/с

Ветер максимальный 20 м/с

Температура окружающего воздуха -10...+35°С

Взлет с руки (с площадки 30*30 м) -

Посадка стандартная (в режиме планирования) на фюзеляж

БЛА «ЭЛЬФ ПП-45» отличается наличием особой фотоустановки, позволяющей выполнять синхронную съемку тремя фотоаппаратами типа «Canon S110». В принципе могут быть использованы любые малоформатные камеры, подходящие по размеру, или одна полноформатная весом до 1,0 кг. Общий вид фотоустановки показан на рис. 3. Камеры устанавливаются таким образом, чтобы центральная была ориентирована в надир, а боковые отклонены на 14.5°, это обеспечивает перекрытие всех снимков и увеличивает поле зрения системы на 80%.

Рис. 3. Фотоустановка БЛА «ЭЛЬФ ПП-45»: а - общий вид; б - поле зрения камер

При съемке сельскохозяйственных угодий на БЛА могут быть установлены муль-тиспектральная камера (в центре) и обычные фотокамеры (по краям). Таким образом, одновременно будут обеспечены создание фотопланов, привязка мультиспектральных снимков и создание индексных карт. Как вариант возможны установки трех мультиспектральных камер для получения изображений в разных диапазонах спектра; одной или нескольких гиперспектральных камер.

Среди БЛА вертолетного типа наиболее доступны квадрокоптеры «DJI Phantom 2» с камерой GoPro HERO3+ Black Edition и «DJI Phantom 3 Professional 2.4G» с камерой Sony EXMOR (рис. 4).

ír^r

Рис 4. Комплекс БЛА: а - DJI Phantom 2; б - DJI Phantom 3 Professional 2.4 G

Вместо фотокамеры типа GoPro или Sony EXMOR возможна установка гиперспектральной камеры IMEC, подходящей по габаритам и весу (рис. 5).

а б в

Рис. 5. Камеры: а - GoPro HERO3+ Black Edition; б - IMEC; в - Sony EXMOR

Достоинством квадрокоптеров является высокий уровень автоматизации полета, позволяющий управлять им практически любому человеку, не специализирующемуся в этой области.

Мультиспектральные камеры

Мультиспектральный датчик изображения представляет мозаику из оптических элементов, каждый из них воспринимает красный, зеленый или ближний инфракрасный канал, блокируя другие. В результате получают снимки в заданных зонах спектра, по которым формируются цветные спектрозональные изображения с максимальным цветовым контрастом интересующих пользователя объектов, и вычисляют индексы, характеризующие состояние почв, растительности или ландшафта в целом.

Одно из наиболее доступных решений - использование камер типа Canon PowerShot S110 (рис. 6). Выпускают как полноцветные камеры (RGB), так и спектральные, работающие в красном (RE) и инфракрасном (NIR) диапазонах.

Количество пикселей (мп) 12,1

Размер пикселя (мкм) 1,86

Диапазон выдержек (сек) 1/2000-15

Запись видео (Full HD-1920x1080) 24 кадр/с

Светочувствительность (ISO) 80-12800

Размер матрицы (мм) 7,44x5,58

Размеры (ШхВхГ) (мм) 99x59x27

Вес (г) 198

Рис. 6. Вид и характеристики фотоаппарата Canon PowerShot S110

б

а

Сочетание трех камер на борту БЛА «ЭЛЬФ ПП-45» позволяет получать информацию, необходимую для создания фотопланов и вычисления вегетационных индексов растительности. Достоинство такой комплектации - в возможности получения мультиспектральных снимков с высокой разрешающей способностью без доработки фотоплатформы БЛА.

Комплексным решением поставленной задачи является применение мультиспектраль-ной камеры Canon MultiSPEC 4C (рис. 6). Это блок датчиков, состоящий из четырех отдельных сенсоров, каждый ведет съемку в своем диапазоне. Общий затвор позволяет получать четкие, неискаженные изображения.

Рис. 7. Мультиспектральная камера Canon MultiSPEC 4C

Видеоинформация поступает из четырех не перекрывающихся между собой каналов -зеленого, красного, дальнего красного и ближнего инфракрасного. Технические характеристики камеры приведены в табл. 3.

Таблица 3

Технические характеристики мультиспектральной камеры Canon MultiSPEC 4C

Характеристика Показатель

Количество пикселей (мп) 4*1,2

Размер пикселя (мкм) 3,75

Формат снимков RAW

Разрешение пикселя на земле при Н = 100 м 10 см

Размер матрицы (мм) 4,8*3,6

К недостаткам камеры можно отнести незначительный размер матриц (1,2 мп). Бесспорное достоинство съемочной системы - наличие неперекрывающихся спектральных каналов с изображением местности. Установка такой камеры возможна на сверхлегких БЛА, в том числе и на «ЭЛЬФ ПП-45».

Более совершенным техническим решением является серия мультиспектральных камер «ADC» фирмы «Tetracam INC» (рис. 8). Выпускают камеры различных модификаций: ADC -для наземных съемок, ADC Air - для пилотируемых ЛА, ADC Lite - для БЛА, ADC Micro -миниатюрная камера для БЛА и др.

щ: Количество пикселей (мп) 3,2

Размер пикселя (мкм) 3,2

Минимальный интервал экспозиции (сек) 1,0

Фокусное расстояние (мм) 8,0

' ( Спектральная чувствительность (нм) 520-920

V Ш'' Размер матрицы (мм) 6,55*4,92

¡. - Размеры (Ш*В*Г) (мм) 122*78*41

Вес (г) 340-520

Рис. 8. Мультиспектральная камера «ADC» и ее технические характеристики

По техническим характеристикам любая из перечисленных камер может быть установлена на пилотируемые ЛА типа «Аэропракт А-22» или на БЛА «ЭЛЬФ ПП-45». Особый интерес представляет модификация «ADC Micro» с весом 90 г, это позволяет устанавливать ее даже на квадрокоптеры типа «DJI Phantom 2» или «DJI Phantom 3 Professional 2.4G».

В целом мультиспектральные камеры позволяют получать изображения, по которым вычисляют наиболее востребованные вегетационные индексы, составляют индексные карты и проектируют агротехнические мероприятия. К недостаткам можно отнести ограниченность количества вычисляемых индексов.

Гиперспектральные камеры

Гиперспектральная камера разделяет отраженный от объекта свет на узкие спектральные полосы, обрабатывает их отдельно и фиксирует спектральную характеристику каждого пикселя получаемой картинки. Такие характеристики значительно информативней обычного RGB-снимка, изображения, видимого человеческим глазом, и также снимка, получаемого при помощи мультиспектральных камер.

Один из вариантов оснащения сверхлегких пилотируемых ЛА - камерами типа «Pika» производства компании «Resonon» [6] (табл. 4).

Таблица 4

Характеристики гиперспектральных камер «Pika»

Характеристика Pika NUV Pika II Pika XC Pika NIR Pika NIR-/f

Спектральный диапазон, нм 350-800 400-900 900-1000 900-1700 900-1700

Спектральное разрешение, нм 2,5 2,1 2,5 5,5 12,5

Число спектральных каналов 184 240 240 145 64

Число пространственных каналов 1600 640 1600 320 64

Максимальная частота кадров, кадры/сек 67 145 242 180 1000

Радиометрическое разрешение, бит/пиксель 12 12 14 14 16

Вес, кг 2,1 1,3 1,9 4,7 2,7

Габариты, см 10,0*26,4x7,3 9,7x16,8x6,4 12,4x23,9x8,4 11,9x30,5x8,9 12,3x22,0x7,9

Для БЛА наиболее подходящими, с точки зрения габаритов и весовых показателей, являются гиперспектральные сенсоры компании 1МЕС, в частности камера «MQ022HG-IM-LS100-NIR» (табл. 5).

Таблица 5

Характеристики гиперспектрального сенсора «MQ022HG-IM-LS100-NГО»

Параметр Значение

Разрешение (пикселей) 2048х1088

Размер сенсора (дюйм) 2/3

Размер активной области сенсора (полос) 100

Спектральный диапазон (нм) 630-970

Бит на пиксель 8, 10

Скорость кадров (линий/сек) до 1360

Вес (г) 31

Размеры (Ш*В*Г) (мм) 26x26x31 мм

Такую камеру можно устанавливать на любой тип БЛА с системой стабилизации и определения элементов ориентирования снимков в полете.

По мнению многих авторов, анализ гиперспектральных снимков - один из эффективных и быстро развивающихся методик ДЗ. Использование этих изображений, в отличие от

других данных ДЗ, позволяет извлекать более точную и детальную информацию о местности. В ближайшем будущем гиперспектральные снимки станут эффективным инструментом научных исследований, проведения разведки полезных ископаемых и мониторинга природных ресурсов [8].

Выводы

Современные достижения в области ДЗ из космоса при использовании аэрофотосъемки и беспилотной авиации, миниатюризации цифрового съемочного и навигационного оборудования, а также разработка современного ПО позволяют вести эффективный мониторинг сельскохозяйственных угодий в целях формирования системы точного земледелия. Ключевым вопросом остается поиск приемлемого бюджетного решения.

Сотрудниками кафедры геодезии и ДЗ Омского ГАУ накоплен многолетний опыт работы в области обработки космических снимков, материалов аэрофотосъемки, разработки и внедрения БЛА в практику аэросъемки и картографирования территорий.

В результате анализа установлено: наиболее доступными летательными аппаратами являются сверхлегкий самолет «Аэропракт А-22», беспилотные летательные аппараты «ЭЛЬФ ПП-45», «DJI Phantom 2» и квадрокоптер «DJI Phantom 3 Professional 2.4G». Многолетние деловые связи между владельцами беспилотных летательных аппаратов и сотрудниками кафедры позволяют эффективно внедрять в производство элементы системы точного земледелия, разработанные учеными Омского ГАУ.

Анализ съемочных камер выполнен лишь по весу и габаритам. Для их более тщательного подбора с учетом всех характеристик необходимо привлечение заинтересованных специалистов в различных областях сельского хозяйства.

Актуальным, на наш взгляд, является организация и проведение междисциплинарных исследований в области совершенствования методики точного земледелия на основе последних достижений науки и техники.

Список литературы

1. Черепанов, А.С. Спектральные свойства растительности и вегетационные индексы / А.С. Черепанов, Е.Г. Дружинина // Геоматика - № 3. - 2009. - С. 28-32.

2. Колесникова, О.Н. Возможности ПК ENVI для обработки мультиспектральных и гиперспектральных данных / О.Н. Колесникова, А.С. Черепанов // Геоматика. - № 3. - 2009. - С. 24-27.

3. Применение материалов аэрофотосъемки с беспилотного летательного аппарата для картографического обеспечения археологических работ / Л.В. Быков [и др.] // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2013: сб. материалов IX Междунар. науч. конгр., 15-26 апреля 2013 г. - Новосибирск : СГГА. - Т. 1. - С. 139-144.

4. Пат. 2308001 Российская Федерация, МПК7 G 01 C 11/02. Способ фотограмметрической калибровки снимков / Быков Л.В. [и др.] ; заявитель и патентообладатель Л.В. Быков, Б.К. Малявский, В.Л. Быков, А.П. Макаров ; опубл. 10.10.2007, Бюл. № 28. - 2 с.

5. Пат. 223529 Российская Федерация, МПК7 G 01 C 11/30. Способ создания ортофотопланов по материалам аэровидеосъемки / Быков Л.В. [и др.] ; заявитель и патентообладатель ФГУП ФКЦ «Земля» ; опубл. 27.08.2004, Бюл. № 24. - 1 с.

6. Гиперспектральные камеры и системы // Геоматика. - 2015. - № 4 (29).- С. 76-81.

7. Шведов, А. Гиперспектральные сенсоры компании IMEC. Решения для высококачественного спектрального анализа [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www. npk-photonica.ru.

8. Журавель, Ю.Н. Особенности обработки гиперспектральных данных дистанционного зондирования при решении задач мониторинга окружающей среды / Ю.Н. Журавель, А.А. Федосеев // Компьютерная оптика. - 2013. - Т. 37, - № 4. - С. 471-476.

Быков Василий Леонидович, кандидат техн. наук, доцент, Омский ГАУ, тел. (3812)-652-672, е-mail: bvl55@yandex.ru; Быков Леонид Васильевич, кандидат техн. наук, доцент, Омский ГАУ; Новородская Марина Владимировна, инженер-лаборант, Омский ГАУ, е-mail: nvg78@yandex.ru; Пущак Оксана Николаевна, старший преподаватель, Омский ГАУ, e-mail:on.puschak@omgau.org; Шерстнева Светлана Ивановна, старший преподаватель, Омский ГАУ, е-mail:si.sherstneva@omgau.org.

SUMMARY

V.L. Bykov, L. V. Bykov, M. V. Novorodskaya, O.N. Puschak, S.I. Sherstnova

Application of remote sensing data for informational provision of precision farming

The article presents an analysis of modern methods of remote sensing to obtain information on the status of agricultural land. It is known that the problem can be solved most efficiently with the use of small aircraft and unmanned aerial vehicles. The paper discusses the configuration options available aircrafts with modern multispectral and hyperspectral cameras. The most affordable aircraft recognized ultralight aircraft Aeroprakt A-22 unmanned aerial vehicles "ELF PP-45", "DJI Phantom 2" and "3 DJI Phantom Professional 2.4G". Analysis of the survey camera is made only on the weight and dimensions. For a more careful selection of cameras with regard to their characteristics, it is necessary to attract interested specialists in various fields of agriculture. In conclusion, it noted the need for complex multi-disciplinary research for the introduction of elements of precision farming in the conditions of the Omsk region.

Keywords: remote sensing data, precision farming, multispectral imagery, hyperspectral images.

Bykov Vasiliy Leonidovich, Cand. Eng. Sci., Assoc. Prof., Omsk SAU, ph. (3812)-652-672, e-mail: bvl55@yandex.ru; Bykov Leonid Vasilevich, Cand. Eng. Sci., Assoc. Prof., Omsk SAU; Novorodskaya Marina Vladimirovna, Lab Assistant, Omsk SAU, e-mail: nvg78@yandex.ru; Puschak Oksana Nikolaevna, Senior Lecturer, Omsk SAU, e-mail: on.puschak@omgau.org; Sherstneva Svetlana Ivanovna, Senior Lecturer, Omsk SAU, e-mail: si.sherstneva@omgau.org.

УДК 502.37:622.271.45

А.Е. Некрасова, Е.Г. Бобренко, А.И. Кныш, В.И. Сологаев

РЕКУЛЬТИВАЦИЯ ПОРОДНОГО ОТВАЛА ОАО «ШАХТА «КАПИТАЛЬНАЯ»

КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Проблема оптимизации окружающей среды была и остаётся чрезвычайно важной, особенно для промышленных регионов нашей страны. Особо актуальна в настоящее время рекультивация отвалов горных пород ликвидированных шахт, которых только в Кемеровской области около 45. Проектная и рабочая документация по объекту «Рекультивация нарушенных земель» (2-й этап) ОАО «Шахта «Капитальная» ОАО УК «Кузнецк-уголь» была выполнена ООО «Кузнецкая проектная компания» на основании задания, утвержденного Министерством энергетики 11.05.2011 г. Исходя из «Акта полевого обследования нарушенных земель ОАО «Шахта «Капитальная» было предусмотрено санитарно-гигиеническое направление рекультивации. Рекультивация отвала горных пород обогатительной фабрики ОАО «Шахта «Капитальная» включала два основных этапа: технический и биологический. На техническом этапе были созданы условия для дальнейшего использования нарушенных земель, а именно обрушение нависающих массивов отвала, выполаживание откосов, формирование изоляционного слоя суглинка, нанесение илового осадка сточных вод. На этапе биологическом улучшались свойства созданного почвенного покрова. Для этого проводились работы по созданию растительного покрова на рекультивируемой территории. Для посева в норме 62 кг/га использовался состав травосмеси: люцерна пестрогибридная - 12 кг/га; кострец безостый - 25 кг/га; пырей бескорневищный - 25 кг/га; при гидропосеве в норме 70 кг/га - следующий состав: люцерна синяя - 21 кг/га; кострец безостый - 20 кг/га; овсяница луговая - 29 кг/га. На данный момент терриконик полностью разобран, вывезен, площадка выровнена и рекультивирована по правилам, в соответствии с требованиями. Рекультивация отвала горных пород обогатительной фабрики способствовала улучшению состояния окружающей среды. Так, выбросы загрязняющих веществ уменьшились по оксидам азота на 0,003459 т/год, ангидриду сернистому - на 0,861464 т/год, сероводороду 3,2131 т/год, оксиду углерода - на 121,2887 т/год, что в целом способствует улучшению экологического состояния территории.

Ключевые слова: рекультивация земель, отвалы горных пород, нарушенные земли, технический этап рекультивации, биологический этап рекультивации.

© Некрасова А.Е., Бобренко Е.Г., Кныш А.И., Сологаев В.И., 2016

154