СПОСОБ АЭРОГАММАСПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
METHOD OF AEROGAMMASPETROMETRICY OF GEOLOGICAL PURPOSE

Изобретение относится к области геофизики, геохимии и дистанционных зондирований Земли и может быть использовано для геологического картирования, поисков и разведки месторождений радиоактивных, редких, цветных и благородных металлов, а также геоэкологического мониторинга.
Известны способы гамма-спектрометрической геофизической съемки на базе вертолетов, таких как Ми-8 или самолетов АН-2, АН-3, АН-26, Cessna 208В и др. (Титаева Н.А. Ядерная геохимия // Издательство Московского университета, Москва, 2000 г., 336 стр. , УДК: 550.40, ISBN: 5-211-02564-4). Способы включают измерения потоков радиоактивного излучения с помощью приборов для регистрации и определения энергии гамма-квантов - гамма-спектрометров, установленных на воздушном судне. При этом в связи с высокими скоростями движения самолетов и вертолетов и большими высотами полета в составе авиационных гамма-спектрометров применяются значительные по объему и массе детекторы гамма-излучения в десятки и сотни литров объема. Недостатки данных способов общеизвестны (Титаева Н.А. Ядерная геохимия // Издательство Московского университета, Москва, 2000 г., 336 стр., УДК: 550.40, ISBN: 5-211-02564-4), наиболее эффективно применение традиционных аэрогаммаспектрометрических методов на территориях, характеризующихся сглаженными формами рельефа, сухим климатом, широкими ореолами рассеяния урана. В районах с плохой обнаженностью коренных горных пород, густым лесным покровом, а также в горных районах с сильно расчлененным рельефом традиционные аэрогаммаспектрометрические методы недостаточно эффективны (не
обеспечивают точного обнаружения и картирования всех аномалий, что определяет эффективность решения геологических задач, характеризуются высокими рисками для экипажа и финансовыми затратами) по следующим причинам: растительность вносит искажения в гамма-поле поверхности земли, поскольку проницаемость воздуха и биомассы растительности различна; в горных районах всегда существует опасность полетов, кроме того в этих условиях невозможно соблюдать постоянство высоты полетов, а это приводит к дополнительным погрешностям, поскольку гамма-поле затухает с высотой; в связи с высокой скоростью движения и необходимостью осреднения данных возникают как пропуски аномалий от небольших объектов, так и ложные аномалии; обычные самолеты и вертолеты, такие как Ан-2, при аэрогамммаспектрометрической съемке летают на высотах 50-75 метров, где гамма-поле уже ослаблено на величину до 25 раз и аномалии от небольших объектов уже затухли на региональном фоне; в традиционных методах невозможно произвести зависание летательного аппарата для накопления спектра гамма-излучения в точке, в горных районах съемка ведется не по регулярной сети, покрывающей всю территорию с заданным шагом между точками измерения, а по криволинейным маршрутам, проходящим по горизонталям рельефа. В связи с этим традиционный метод в первую очередь подходит для региональных работ, но не для детальных съемок и разведки полезных ископаемых в условиях сложного рельефа. Кроме того, для работы самолета или вертолета необходимы специально оборудованные взлетно-посадочные полосы, которых в непосредственной близости от места выполнения съемки может не оказаться. Использование для этих целей удаленных взлетно-посадочных полос вызывает непроизводительные затраты летного времени и тем самым ведет к значительному удорожанию аэрогаммаспектрометрических работ. В связи с этим (вышеизложенным), разработка новых иусовершенствование существующих способов аэрогаммаспектрометрической съемки геологического назначения остается актуальной задачей.
Известен способ аэрогаммаспектрометрической съемки для мониторинга радиационной обстановки, который включает установку гамма-спектрометра на беспилотный бензиновый вертолет Yamaha R1 (Yukihisa Sanada, Tatsuo Torii. Aerial radiation monitoring around the Fukushima Daiichi nuclear power plant using an unmanned helicopter. Journal of Environmental Radioactivity 139, 2015. P. 294-299). Такой способ аэрогаммаспектрометрической съемки использовался японскими специалистами при мониторинге радиационной обстановки на АЭС Фукусима. Однако этот комплекс не позволяет осуществлять аэрогаммаспектрометрическую съемку геологического назначения (т.к. примененный японскими специалистами детектор способен фиксировать только узкий спектр одного изотопа высокоэнергетического искусственного гамма-излучения).
Известен способ аэрогаммаспектрометрической съемки для оценки радиационного загрязнения, в частности зоны Чернобыльской АЭС (Забулонов Ю.Л., Буртняк В.М., Золкин И.О. Аэрогаммаспектрометрическое обследование в Чернобыльской зоне отчуждения на базе БПЛА типа октокоптер // Вопросы атомной науки и техники (ВАНТ) No5(99), 2015. С. 163-167). При осуществлении этого способа применен гамма-спектрометр, фиксирующий одну энергетическую линию гамма-излучения - цезия 137 с возможностью пересчета в единицы эквивалентной дозы, который установлен на мультироторном БПЛА. Однако данный способ невозможно использовать в сколько-нибудь сложных природно-ландшафтных условиях, для решения геологических задач и при съемке сколько-нибудь значимых по площади или удаленных площадей, поскольку он
характеризуется следующими недостатками применительно к решению геологических задач:
1) Фиксация геологически не значимого изотопа.
2) В методике съемке отсутствует этап подготовки цифровой модели местности и подготовка полетного задания в соответствии с ней (только полеты по прямым). Маршруты съемки не имеют топологически правильного характера, профили разных полетов не параллельны друг другу, поскольку точки устанавливаются визуально, в результате съемка не закрывает площадь исследований регулярной сетью измерений, как этого требует съемка геологического назначения. В связи с этим авторы пытались программно интерполировать нерегулярные данные на искомую регулярную сеть, что для кондиционной съемки геологического назначения методически недопустимо.
3) Малое время полета аппарата - десять минут полетного времени (причем в условиях ровной территории), что не позволяет выполнять геологическую съемку в реальных условиях как по экономическим, так и по методическим причинам. Также малое время полета исключает возможность зависания для более точного измерения спектра (что несущественно для технологии геоэкологического назначения, поскольку нет необходимости в важнейшей позиции геологической съемки - расчете изотопных соотношений, измеряется всего один изотоп).
4) Указано, что на результат измерений существенно повлияла неоднородность биомассы растительности, причем учесть ее влияние авторам статьи не удалось.
Известен способ аэрогаммаспектрометрической съемки, включающий измерение потока радиоактивного излучения с помощью основного и дополнительного детекторов, установленных на воздушном судне, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, дополнительное измерение производят с
помощью незаэкранированного детектора в точке, расположенной по вертикали на высоте, отличной от высоты основного детектора на фиксированном расстоянии, и определяют величину поправки за атмосферный радон по формуле (АС №854166, опубл. 10.01.2000, Бюл. №1). Способ включает измерения потоков радиоактивного излучения с помощью детекторов, установленных на воздушном судне. Для реализации этого метода используют устройство, устанавливаемое на борту воздушного судна, состоящее из блока детектирования гамма-излучения, амплитудного анализатора, вычислительного блока и регистратора. Блок детектирования состоит из основного и дополнительного детекторов, что позволяет измерить интенсивность гамма-излучения на различных расстояниях от поверхности Земли и с учетом принятой математической модели при помощи счетно-решающего устройства измерить концентрацию радионуклидов в горных породах. Однако данный способ имеет недостатки, характерные для традиционных аэрогаммаспектрометрических методов: высокая скорость полета, большая высота полета, невозможность зависания, сложность в выдерживании постоянной высоты полета, невозможность внесения поправок за биомассу растительности, что снижает эффективность съемки (т.е. точность и правильности измерений величины гамма-поля); зависимость от инфраструктуры, риск для экипажа в условиях сильно пересеченного рельефа, экономическая неэффективность при исследовании отдельных лицензионных участков в связи со значительными затратами на летные часы большой авиации и высокой стоимостью мобилизации.
Таким образом, задача состоит в разработке способа получения гамма-спектрометрических данных геологического назначения, повышении эффективности (точности и правильности измерений величины гамма-поля, расширении диапазона условий применения)
аэрогаммаспектрометрической съемки на площадях, в том числе со сложной проходимостью рельефа.
Техническим результатом изобретения является повышение точности, детальности, информативности и достоверности аэргаммаспектрометрической съемки (получение детальных данных, отражающих структуру гамма-поля, создаваемого горными породами и рудами близ поверхности земли), сокращение затрат на выполнение гамма-спектрометрической съемки.
40
Технический результат достигается тем, что производятся измерения потока радиоактивного излучения по линиям U, Th, K, а также интегральной интенсивности гамма-излучения (радиометрический канал) с помощью детектора (гамма-спектрометра), который установлен на беспилотном летательном аппарате (БПЛА), при этом съемка производится при движении БПЛА на автопилоте по предварительно подготовленному и соответствующему постоянной высоте над рельефом (от 3 метров) полетному заданию, скорость движения БПЛА может изменяться от 0 (для набора гамма-спектра с большей экспозицией) до 20 м/с, измерения гамма-поля производятся непрерывно в автоматическом режиме, и сопровождаются мультиспектральной съемкой, обеспечивающей вычисление характеристик биомассы растительности для последующего внесения соответствующей поправки в значения гамма-поля. Вместо мультиспектрального фотоаппарата можно использовать лидарный (лазерный) сканер. Также оценку биомассы растительности можно осуществлять по внешним источникам мультиспектральной информации (космические дистанционные зондирования или съемка с другого летательного аппарата), соответствующим моменту выполнения съемки.
Пространственная привязка точек измерений осуществляется средствами спутниковой навигационной системы. Данные измерений в интегральном канале («счеты») передаются по радиоканалу на наземную станцию
40
оператора вместе с данными телеметрии, в результате чего при обнаружении аномалии оператор имеет возможность на время остановить полет БПЛА («зависнуть») для накопления спектров в точке и точного расчета изотопных отношений и концентраций U, Th, K. Для повышения точности полета и пространственной привязки измерений применяется система RTK (кинематики реального времени).
Гамма-спектрометр оснащен детектором из CsI, или из NaI, или из сцинтелляционной пластмассы, или германия, или кремния.
В настоящее время нет способов аэрогаммаспектрометрической съемки геологического назначения, при которой бы использовался мультироторный БПЛА (или гамма-спектрометр был бы прикреплен к мультироторному БПЛА), при этом съемку осуществляли (полеты производили) по заранее созданному и согласованному с рельефом местности полетному заданию, измерения выполняли по энергетическим линиям всех геологически значимых изотопов, была бы реализована возможность зависания для накопления спектра, реализованы методы внесения поправки «за растительность» в данные измерений, повышена точность позиционирования БПЛА.
Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретения «новизна».
Проведенный анализ патентной и научно-технической литературы показал, что предлагаемый способ отличается не только от прототипа, но и от других решений в данной и смежных областях. Так автором не найдены способы гамма-спектрометрической съемки геологического назначения, которые включали бы предлагаемые режимы. А именно предлагаемые режимы позволяют достичь заявленный технический результат - повысить точность, правильность, информативность и достоверность съемки, сократить затраты на выполнение гамма-спектрометрической съемки. Так, применение БПЛА, на который крепится гамма-спектрометр, обеспечивает наилучшую точность
пилотирования в условиях сложного рельефа, возможность вертикально взлетать и садиться с небольших площадок, возможность складывания для переноски, небольшую собственную массу и значительную массу полезной нагрузки, что снижает затраты на мобилизацию и логистику, упрощает применение разработанного способа в удаленных от инфраструктуры районах по сравнению с традиционными аэрогаммаметодами. Кроме того, беспилотный летательный аппарат эффективно борется с ветром, что обеспечивает получение данных по геометрически правильным сетям даже в неблагоприятных погодных условиях.
40
Использованный в предлагаемом способе спектрометрический измерительный модуль (гамма-спектрометр) обеспечивает регистрацию по линиям U (по Ra), Th, K и интегральную интенсивность гамма-излучения (радиометрический режим - счет гамма-квантов, попадающих на детектор в единицу времени, интервал осреднения устанавливается оператором). Спектр пишется непрерывно и может быть разделен на части и проанализирован на этапе постобработки. Спектрометр присоединен к раме БПЛА с использованием виброразвязывающих устройств (например, резиновые кольца, эластичные прокладки и т.п.), что позволяет уменьшить вибрационные помехи и повысить точность измерений.
При выполнении съемки по предлагаемому способу используется мультироторный БПЛА, который имеет возможность по команде оператора со станции управления через радиомодем или в соответствии с полетным заданием зависнуть на точке измерений для накопления спектра, как это делается при наземной съемке (наиболее точной), где оператор останавливается на каждой точке спектрометрических измерений. Важной проблемой аэрогаммаспектрометрической съемки является необходимость длительных измерений на одной точке для точного измерения концентраций каждого изучаемого изотопа.
Классические аэрометоды не имеют такой возможности и статистическая представительность съемки обеспечивается большой массой и объемом детектора.
Предлагаемый способ включает предварительное построение цифровой модели местности и создание на ее основе полетных заданий, включающих не только угловые точки маршрутов, полет между которыми выполняется по прямой, а состоящих из большого массива точек с указанными для каждой точки высотами и режимом прохождения, что позволяет выполнять полет и измерения на постоянной высоте над рельефом даже в условиях сильно пересеченной местности, что, как было указано, является проблемой для классических АГСМ-методов.
Мультироторный БПЛА обеспечивает широкий диапазон скоростей и высот полета в зависимости от задачи и масштаба съемки. При этом скорость полета БПЛА в любом случае в разы выше скорости оператора при выполнении наземной съемки, особенно в условиях сложного рельефа, что повышает производительность по сравнению с традиционной наземной съемкой. Традиционная аэросъемка в горных районах ведется криволинейными маршрутами по горизонталям рельефа, в связи с чем, в принципе, не позволяет получать регулярные данные высокой детальности.
БПЛА также оснащен мультиспектральной камерой, позволяющей выполнять съемку в диапазонах электромагнитного спектра, обеспечивающих расчет индексов для оценки биомассы растительности. Вместо мультиспектрального фотоаппарата может быть использован лазерный (HDAR) сканер или данные спутниковой мультиспектральной съемки на соответствующий период времени. Учет биомассы растительности позволяет внести поправку за поглощение ей гамма-излучения для каждой точки измерений, что существенно повышает точность съемки по сравнению с известными методами, в которых эта
проблема принципиально не решена, и, в совокупности с низкой высотой измерений в первые метры или десятки метров, приблизить точность измерений к наземной.
Кроме того, для выполнения крупномасштабных съемок возможно применения системы RTK (кинематики реального времени), обеспечивающей точность выполнения полетного задания БПЛА в первые сантиметры в плане и по высоте.
Предлагаемый способ может быть использован при выполнении поисковых, оценочных, разведочных и научно-исследовательских геологических работ, при геологическом картировании, геоэкологическом мониторинге.
Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».
Способ осуществляется следующим образом:
1. Выполняется подготовка географически привязанной цифровой модели изучаемой местности средствами любых информационных технологий на основе картографической информации, соответствующей выполняемой аэрогаммаспектрометрической съемке по масштабу.
2. Средствами геоинформационных технологий, или специального программного обеспечения, совместимого с полетным контроллером БПЛА, осуществляется подготовка полетного задания, представляющего особой массив точек, находящихся на постоянной высоте над землей, с установленными режимами и скоростями прохождения БПЛА каждой точки. Точки полетного задания формируют регулярную сеть профилей и пикетов съемки.
3. Производится аэрогаммаспектрометрическая съемка: полетное задание загружается в полетный контроллер БПЛА и под его управлением БПЛА осуществляет взлет и движение на автопилоте.
40
Измерения, установленным на БПЛА гамма-спектрометром, производятся непрерывно в автоматическом режиме. Запись спектра излучений каждого изотопа производится постоянно. Время осреднения счетов в интегральном канале устанавливает оператор по результатам опытно-методических работ на каждом объекте в зависимости от геологической ситуации и скорости полета. Данные интегрального канала (счеты) передаются по радиоканалу на наземную станцию оператора, который имеет возможность следить за интенсивностью гамма-излучения. При обнаружении значительных изменений оператор по радиоканалу передает БПЛА команду остановиться (зависнуть) на 0.5-2 минуты, в результате чего производится накопление более статистически представительного спектра гамма-излучения в данной точке, что в дальнейшем позволяет более точно вычислить соотношения изотопов U/Th, Th/K и т.п. и более обоснованно геологически интерпретировать результаты съемки (установить природу аномалии). После завершения полетного задания БПЛА возвращается на автопилоте на точку взлета. Оператор имеет возможность в любой момент забрать управление на себя и при необходимости выполнить часть маршрута или маневр вручную.
4. Параллельно с гамма-спектрометрическим измерениями в автоматическом режиме непрерывно или через равные интервалы времени производится мультиспектральная фотографическая или лазерная (лидарная) съемка поверхности, покрывающая весь участок съемки. Мультиспектральная съемка ведется в ближнем инфракрасном, красном, при необходимости синем и "red edge" каналах электромагнитного излучения, как наиболее подходящих для вычисления биомассы растительности.
5. Мультиспектральная съемка может не производиться, если на период аэрогаммасъемки имеются мультиспектральные спутниковые или аэроданные по тем же каналам и с необходимым пространственным
разрешением (зависящим от масштаба аэрогаммаспектрометрической съемки).
6. Производится импорт измеренных данных из памяти гамма-спектрометра и их обработка, внесение обычных поправок за высоту полета и остаточный фон.
7. На основе мультиспектральных данных по известным методикам (например, NDVI - Вегетационные индексы // http://gis-lab.info/qa/vi.himl доступ на 10.05.17) вычисляется индекс биомассы растительности для каждой точки изучаемой территории. В соответствии с построенной картой распределения биомассы растительности, пропорционально биомассе в каждую точку измерений вносится поправка за разницу в прохождении гамма-излучения через растительность и воздух, что позволяет скомпенсировать влияние растительности и привести результаты измерений к большей сходимости с близповерхностными (наземными) измерениями гамма-поля.
8. Биомасса растительности также может быть напрямую оценена по результатам лазерной (лидарной) съемки (Тайга под присмотром лидара // https://scfh.ru/papers/tayga-pod-prismotrom-lidara/?sphrase_id=1151984 доступ на 10.05.2017).
9. Производится картирование распределения измеренных величин (интегральной интенсивности гамма-излучения и содержаний каждого изотопа) и их рассчитанных трансформант (изотопные соотношения).
Пример 1. Предлагаемый способ был использован при проведении аэрогаммаспектрометрической съемки геологического назначения.
На фиг. 1 (см приложение к описанию заявки) представлены результаты гамма-спектрометрической съемки (а) - предлагаемым способом и (б) - пешеходной съемки наиболее распространенным в отечественной геологической практике поисковым радиометром СРП-68, который измеряет суммарную интенсивность гамма-поля (соответствует
интегральному каналу разработанного комплекса). Из рисунков следует, что измеренная характеристика гамма-поля не имеет сколько-нибудь геологически значимых отличий, оба метода фиксируют одни и те же объекты, в том весьма четко (и с высоким сходством между наземной съемкой и предлагаемым способом) проявляются небольшие по амплитуде и площади детали геологической обстановки (площадью до нескольких десятков метров). Известно, что объекты такого размера (площадью до первых сотен квадратных метров) при традиционных аэрогаммаспектрометрических считаются условно точечными источниками излучения (Бабаянц П.С., Керцман В.М., Левин Ф.Д. Возможности высотной аэрогамма - спектрометрии при решении картировочных и поисковых задач // Современные аэрогеофизические методы и технологии, 2009, вып. 1, т. 1, с. 49-70), то есть их выделение и детально картирование, как это показано в примере 1, традиционными аэрогаммаспектромтерическими методами невозможно. Это позволяет утверждать о достижении заявленного технического результата - повышение точности, детальности, информативности данных аэрогаммаспектрометрческой съемки до достижения высокой сходимости с данными наземной (близкой к поверхности земли) съемки. При этом можно отметить, что высокоточное позиционирование БПЛА и привязка измерений с помощью технологии RTK позволила сформировать геометрически правильную сеть измерений, в то время как сеть пикетов наземной съемки, хоть и соответствует существующим инструкциям по точности привязки, все же не является абсолютно регулярной, как по причине проходимости рельефа, так и из-за привязки точек наблюдений обычным спутниковым навигатором Garmin (как это обычно и выполняется в практике геологических работ). Съемка БПЛА-комплексом выполнена за 3 часа, наземная съемка - за два рабочих дня, при том, что ландшафтные условия данного модельного участка
довольно простые (степь), пешеходная проходимость, за исключением небольших фрагментов площади (невысокие деревца), хорошая.
Таким образом, предлагаемый способ позволяют получать данные по качеству, сопоставимому с наземными съемками, со значительным повышением экономической эффективности работ.