В последнее десятилетие наблюдается бурное развитие беспилотных технологий и их проникновение в различные отрасли. Эти инновации не только автоматизируют привычные производственные операции, но и создают новые, более сложные технологические системы, повышая качество и эффективность производства и услуг. Особое внимание уделяется разработке и совершенствованию различных типов беспилотных авиационных систем (БАС), которые решают сложные и трудоемкие задачи в области мониторинга и технических операций на опасных и труднодоступных объектах. Развитие высокотехнологичных и надежных БАС, а также разнообразие функциональных полезных нагрузок вызывают большой интерес у специалистов лесного хозяйства. Эти технологии позволяют решать широкий спектр задач, таких как авиационное патрулирование в период пожаров, мониторинг качества лесохозяйственных мероприятий, выявление незаконного использования лесных ресурсов, оценка лесотаксационных характеристик и мониторинг состояния лесов с целью борьбы с вредителями и болезнями.
В зависимости от условий и специфики решаемых задач используются различные типы БВС как по своей конструкции, так и назначению. По типу взлета-посадки их делят на 3 вида – мультироторные, самолетного типа или «крыло» и VTOL, взлетающие и приземляющиеся как мультироторные, а полет выполняющие в режиме самолетного типа (рис.1).
Рисунок 1. Виды БВС по типу выполнения полета:
а) мультироторный тип; б) самолетный тип («крыло»); в) VTOL
В лесном хозяйстве особенно востребованы легкие беспилотные воздушные суда, которые имеют массу до 30 кг. Они представляют собой эффективный инструмент для выполнения различных задач прикладного значения. Большинство из этих БВС оснащены электродвигателями, что обеспечивает продолжительность полета от 30 до 50 минут для мультироторных моделей и от 3 до 4 часов для самолетных. Если требуется выполнить более длительные миссии, до 8-10 часов, то в таких случаях используются аппараты самолетного типа, такие как Геоскан 701 или Орлан 10, которые оснащены двигателями внутреннего сгорания. Указанные модели наиболее подходят для выполнения аэрофотосъемки в удаленных и труднодоступных лесных участках, а также для длительного авиационного патрулирования, например, при контроле и оценке динамики распространения лесных пожаров.
Беспилотные воздушные суда более высокого весового класса, предназначенные для переброски грузов, также весьма востребованы в лесном хозяйстве. Они позволяют организовать оперативное и эффективное обеспечение работников и специалистов лесного хозяйства необходимыми материалами, инструментами, противопожарным оборудованием и т.д. Эти мощные средства доставки грузов помогут оптимизировать работу в лесу и обеспечить быстрый доступ к необходимым ресурсам для поддержания безопасности и эффективности работы на месте.
В оснащении беспилотных воздушных судов часто используются различные виды полезной нагрузки для сбора информации. Среди них наиболее распространены видеокамеры, способные записывать видео с высоким разрешением, тепловизионные камеры, которые обеспечивают возможность детального анализа тепловых процессов на земле, и фотокамеры, позволяющие делать качественные снимки как в диапазоне естественных цветов (RGB), так и в мультиспектре. С развитием технологий миниатюризации, все чаще на БВС устанавливают лидары – лазерные сканеры, которые могут проводить точное зондирование местности с воздуха.
Лидары позволяют создавать цифровые модели рельефа, местности и структуры лесных насаждений на основе данных, полученных с воздушного лазерного сканирования. Эти цифровые модели могут быть использованы для детального анализа территории, определения высотных характеристик ландшафта и обнаружения изменений в структуре лесного полога.
Примеры полезных нагрузок представлены на рис. 2.
Рисунок 2. Образцы полезных нагрузок, используемых на БВС:
а) видео и тепловая камера; б) фотоаппарат; в) мультиспектральная камера; г) воздушный лазерный сканер
Одним из неоспоримых достоинств беспилотных авиационных систем является их высокая функциональность, которая позволяет оператору одновременно выполнять авиасъемочные работы для решения сразу нескольких задач. Такая многозадачность обеспечивается благодаря станции управления, которая позволяет контролировать и управлять сразу несколькими БВС. Более того, оператор имеет возможность формировать и изменять полетные задания для каждого беспилотника, включая корректировку их маршрутов в режиме реального времени, даже в момент их нахождения в воздушном пространстве.
Такой подход обеспечивает более высокую производительность и оперативность выполнения задач. Например, за счет возможности одновременного управления несколькими беспилотными аппаратами, оператор может охватить существенно большую территорию за короткое время. Это особенно важно в сфере мониторинга, где оперативное реагирование на изменения ситуации может быть критически важным. Также, благодаря многозадачности, беспилотные авиационные системы могут использоваться для выполнения различных задач одновременно, что повышает их эффективность и экономическую целесообразность в широком спектре задач лесного хозяйства, мониторинга окружающей среды, геодезии и многого другого.
Рисунок 3. Фрагменты программного обеспечения на станции управления БАС:
а) формирование полетного задания на площадную аэрофотосъемку; б) контроль полета БВС по данным телеметрии
Совмещение технологии оперативного видео и тепловизионного мониторинга с технологиями нейросетевого анализа данных открывает перед лесоводами широкие возможности для более эффективного и точного обнаружения интересующих явлений и объектов. Этот подход позволяет существенно повысить скорость и надежность обнаружения различных объектов и происходящих изменений. Например, при авиапатрулировании лесов в период повышенной пожарной опасности, использование интегрированных технологий значительно увеличивает оперативность и достоверность обнаружения очагов возгорания. Это в свою очередь способствует более эффективному контролю и предотвращению распространения пожаров. Использование тепловизионной съемки дает возможность не только обнаруживать и оценивать очаги открытых возгораний или срытого горения торфяников. Кроме того, она обеспечивает возможность эффективного мониторинга движения животных и поиска людей, которые могли заблудиться в лесу. Это позволяет своевременно предпринимать меры по спасению людей и охране животных, а также предотвращать негативные последствия пожаров (рис. 4). Благодаря использованию передовых технологий нейросетевого анализа данных, также открывается возможность обнаружения незаконно работающей в лесу лесозаготовительной и иной техники, что способствует более эффективному контролю за лесными ресурсами и сохранению биоразнообразия.
Рисунок 4. Фрагменты использования видео и тепловизионных камер при выполнении работ по авиапатрулированию и мониторингу живых объектов:
а) выявление задымлений и очагов возгораний; б) мониторинг миграции животных;
в) поиск людей и техники
Проведение аэрофотосъемочных работ и воздушного лазерного сканирования с помощью БВС предоставляет уникальную возможность оперативно и эффективно собирать необходимую и актуальную информацию для проведения лесотаксационных и лесоустроительных работ. Это особенно ценно в контексте управления лесными ресурсами, где точность и своевременность данных играют решающую роль. Беспилотные воздушные суда, такие как дроны, обеспечивают высокую степень мобильности и гибкость при съемке. Они могут быстро и легко дотягиваться до удаленных участков леса, где использование пилотируемой авиации экономически нецелесообразно или невозможно из-за погодных ограничений. Это позволяет проводить аэрофотосъемку даже в труднодоступных местах, что обеспечивает более полное покрытие территории лесных массивов. Более того, использование беспилотников на низких высотах позволяет избежать или минимизировать влияние погодных условий, таких как облачность или осадки. Это гарантирует высокое качество снимков и данных, что является критически важным для точного проведения лесотаксационных работ. Более того, преимущество БВС заключается в их относительной простоте и безопасности использования. Они могут быть оперативно задействованы без необходимости масштабных подготовительных мероприятий и риска для пилотов. Это делает их идеальным инструментом для выполнения разнообразных лесных задач, обеспечивая оперативное получение необходимой информации для эффективного управления лесными ресурсами.
Материалы, получаемые в результате аэрофотосъемки с беспилотных воздушных судов, отличаются сверхвысоким разрешением, что позволяет получать изображения с высокой степенью детализации и точности. После фотограмметрической обработки этих материалов можно создавать цифровые модели рельефа, которые предоставляют информацию о форме и высоте поверхности земли с достаточно высокой точностью.
Кроме того, аэрофотосъемка позволяет получать высотные модели растительности, отражающие вертикальное распределение растительного покрова. Это важно для оценки структуры лесного полога и его породного состава. Ортофотопланы, создаваемые на основе материалов аэрофотосъемки, представляют собой изображения местности, которые исправлены по геометрии и могут использоваться для создания картографического материала высокой точности. Это позволяет в деталях представить ландшафт и его изменения во времени. Высокое качество аэрофотосъемки позволяет проводить анализ таксационных характеристик насаждений, включая породный состав древостоя, высоту деревьев, а также горизонтальную и вертикальную структуру лесного полога (рис. 5). Эти данные являются важной основой для разработки таксационных описаний и картографических материалов, используемых в лесоустроительных работах и управлении лесными ресурсами.
Рисунок 5. Фрагменты материалов дистанционного зондирования Земли, полученных с помощью БВС после фотограмметрической обработки фотоснимков и облака точек воздушного лазерного сканирования:
а) цифровая модель рельефа;
б) цифровая высотная модель растительности;
в) ортофотоплан в естественных цветах (RGB диапазон);
г) мультиспектральный ортофотоплан.
Проведение аэрофотосъемки на лесных участках имеет ряд важных преимуществ и широкий спектр применений. Это не только позволяет получить полезные данные для оценки состояния лесных ресурсов, но и становится ключевым инструментом для мониторинга состояния лесного фонда. При помощи специальных программ и алгоритмов анализа, эксперты могут выявить места, подверженные различным патологиям, таким как болезни и вредители, определить масштабы и причины этих изменений. Кроме того, аэрофотосъемка после проведения санитарных рубок позволяет оценить качество и результативность выполненных работ и дать необходимые рекомендации (рис. 6). Такой подход обеспечивает не только эффективное использование ресурсов, но и способствует сохранению лесов и их экологическую устойчивость.
Рисунок 6. Фрагменты оценки лесопатологического состояния на лесных участках:
а, б) вероятный очаг появления вредителей;
в, г) оценка состояния лесного участка после проведения санитарной рубки
Учитывая, что при ведении лесного хозяйства в защитных и эксплуатационных лесах активно проводятся различные виды лесохозяйственных мероприятий по их охране, защите, использованию и воспроизводству, то применение БАС является удобным и эффективным инструментом для оценки качества и своевременности проведенных лесохозяйственных работ. Наглядным примером может служить оценка качества проведения лесосечных работ как при уходе за лесами, так и при заготовке древесины (рис. 7).
Рисунок 7. Пример оценки качества проведения лесосечных работ:
а) ортофотоплан лесосеки, оценка организации лесосеки и ее технологических элементов;
б, в) контроль состояния лесосеки после завершения лесосечных работ (оценка «неудовлетворительно»)
Разрешающая способность аэрофотосъемки играет ключевую роль в ее прикладном применении и научных исследованиях. С постоянным развитием технологий и повышением качества оборудования, в том числе беспилотных авиационных систем, повсеместно проявляется интерес к использованию аэрофотосъемки в различных сферах деятельности. Сегодняшние возможности аэрофотосъемки позволяют получать изображения с высоким разрешением, например, в лесной сфере от 3 до 5 см/пикс в RGB диапазоне и от 10 до 15 см/пикс в мультиспектральном диапазоне. Это позволяет с высокой точностью определять и привязывать объекты на карте, а также оценивать их характеристики. Улучшение качества изображений и возросшая точность аэрофотосъемки позволяют более эффективно решать разнообразные задачи, связанные с дистанционным мониторингом лесов и анализом окружающей среды.
Совершенствование беспилотных авиационных систем также играет важную роль в этом процессе. Увеличение продолжительности полета, улучшение управляемости, повышение надежности и безопасности полетов — все это будет способствовать расширению возможностей применения БАС. Более продвинутые системы автономного управления и интеграция современных сенсоров и информационно-справочных систем целевых нормативов управления лесными и другими природными ресурсами позволят получить более эффективные и многофункциональные решения.
Выводы
- Использование беспилотных авиационных систем в лесном хозяйстве обеспечивает эффективную аэрофотосъемку и мониторинг лесов, позволяет провести детальную таксацию насаждений, оценку состояния лесов и назначение лесохозяйственных мероприятий.
- Применение высокоточных материалов аэрофотосъемки и анализа данных позволяет оперативно выявлять и бороться с лесопатологическими изменениями, повышая эффективность ухода за лесами.
- Инновационные решения, такие как комбинация технологий аэрофотосъемки с искусственным интеллектом и тепловизионной съемкой, демонстрируют значительный потенциал для оптимизации лесоуправления и контроля за состоянием лесных ресурсов.
Ссылки на источники, используемые в статье, были удалены. Библиография доступна в оригинальной публикации.
Авторы статьи: Хлюстов В.К. («Российский государственный аграрный университет-МСХА имени К.А. Тимирязева», Москва, Россия), Хлюстов Д.В. (ООО «Геоскан Москва»).
Опубликовано в материалах Национальной научно-практической конференции «Циркулярная экономика для целей устойчивого развития отраслей и территорий» стр. 379-387, 2024.