Сравнительный анализ результатов картирования литорали побережья Белого моря по материалам полученным космической съемкой и аэросъемкой при помощи БПЛА "Геоскан 401".
Макаров А.В., Курков М.В., Барымова А.А.
Морское побережье — это пограничная полоса между сушей и морем, характеризующаяся распространением современных и древних береговых форм рельефа..." (По И.С.Щукину) [1]. Все компоненты морского побережья взаимосвязаны, поэтому, "...берег, в широком понимании этого слова, можно рассматривать в качестве сложной природной системы с обратными связями. Для них типично существование процессов саморегулирования и наличие реакций на внешние воздействия" [2].
Прибрежная полоса Белого моря, это зона активного перемещения камней, песка, илистых грунтов в процессе разрушения скал, переноса водой и отложения мелкодисперсного осадка. Эти абразионные и аккумулятивные процессы постоянно изменяют форму береговой линии. Наличие приливов и отливов определяет строение прибрежной полосы, которая включает в себя литораль (зона дна, покрываемая водой во время приливов), сублитораль (зона дна, которая начинается от границы максимального отлива и продолжается в глубину до условной границы распространения растительности) и супралитораль (береговая зона, которая начинается от верхней границы прилива и продолжается вверх до уровня максимального штормового заплеска) [3]. В зимнее время присутствует фактор ледового переноса грунта и камней [4]. В этих зонах располагаются особые растительные и животные сообщества, которые приспосабливаются к меняющимся условиям. В связи с этим, прибрежная полоса Белого моря служит чрезвычайно интересным полигоном для отработки методик комплексного изучения прибрежных мелководий арктических морей.
1. Особенности комплексных исследований прибрежных мелководий и береговой полосы.
Комплексные исследования арктических мелководий в настоящее время активно развиваются. Оперативное получение достоверной информации о состоянии прибрежных экосистем необходимо для рационального планирования освоения и минимизации антропогенного воздействия на экосистемы арктического шельфа при геологических изысканиях и разработке полезных ископаемых, в особенности, при добыче нефти и газа под водой, при транспортировке полезных ископаемых, прокладке коммуникаций и сооружении объектов береговой инфраструктуры.
Комплексные морские исследования в Арктике ведутся с целью создания наиболее полной картины современного состояния морского шельфа и прибрежной полосы, которую можно получить, применяя самые современные методы и оборудование. Комплексные исследования включают в себя изучение осадков на морском дне, состояние и состав толщи воды, живых организмов, состояние морских и прибрежных экосистем.
Комплексные морские исследования объединяют геофизические (сейсмоакустические и гидролокационные), биологические, гидрологические, геологические и геоморфологические методы. Важной составляющей комплексных исследований являются данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). К ним относятся, в том числе, спутниковые снимки и аэроснимки. С помощью таких снимков изучается ледовая обстановка в Арктике, загрязнения поверхности воды и берегов нефтепродуктами, изменения формы береговой линии, состояние почвы и растительного покрова, и др. Спутниковые снимки высокого разрешения, на которых различимы объекты менее 1 м. в поперечнике (то есть, меньше 1 м2 земной поверхности на пиксель матрицы съемочной аппаратуры) позволяют картировать лежбища морских млекопитающих на арктических берегах, отслеживать положение судов, получать оперативную информацию при чрезвычайных ситуациях.
2. Краткий обзор источников данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) высокого разрешения.
Оптические системы высокого разрешения установлены на низкоорбитальных спутниках (высота орбиты - от 440 до 770 км). В настоящее время для коммерческого использования доступны снимки следующих спутников (Табл. 1).
| Принадлежность спутника | Название спутника |
| Группировка DigitalGlobe (США) | QUICKBIRD |
| WORLDVIEW-1 | |
| WORLDVIEW-2 | |
| WORLDVIEW-3 | |
| Группировка GeoEye (США) | IKONOS |
| GEOEYE-1 | |
| GEOEYE-2 | |
| Группировка IRS (Индия) | CARTOSAT-2, 2B |
| Группировка PLEIADES (Франция) | PLEIADES-1A, 1B |
| Япония | ALOS-3 |
| Израиль | EROS B |
| Корея | KOMPSAT-2 |
| KOMPSAT-3 | |
| Россия | РЕСУРС-П |
В качестве примера рассмотрим характеристики двух спутниковых систем: Pleiades - группировки из двух спутников, введенных в эксплуатацию в 2012 г. и новейшего World View-3, запущенного в 2014 г.
С точки зрения изучения прибрежной полосы арктических морей наибольшее значение имеют следующие характеристики спутников.
Pleiades, как и большинство других оптических аппаратов высокого разрешения, имеют аппаратуру, снимающую в трех каналах видимого спектра - синем, зеленом, красном, в ближнем инфракрасном (это каналы мультиспектральной съемки) и панхроматическом канале, объединяющем весь видимый спектр. Особенность спутниковой съемки такова, что разрешение панхроматического канала всегда выше мультиспектральной съемки. У спутников Pleiades фактическое разрешение мультиспектральных снимков - 2,8 м, а панхроматического канала - 0,7 м. Ширина полосы съемки - 20 км. Мультиспектральные каналы в различных комбинациях позволяют анализировать состояние лесов, сельскохозяйственных угодий, антропогенных ландшафтов. Именно наличие аппаратуры, ведущей съемку в ближнем инфракрасном спектре, позволяет анализировать состояние зеленых насаждений, так как хлорофилл, содержащийся в высших растениях не поглощает инфракрасное излучение, а отражает его. Панхроматический канал, с разрешением 0,7 м позволяет составлять точные карты.
Спутник World View-3 в отличие от Pleiades и всех остальных спутников высокого разрешения ведет съемку в трех мультиспектральных режимах: VNIR (Visible and Near Infrared - видимый и ближний инфракрасный диапазон, 8 каналов), SWIR (Shortwave Infrared - средний инфракрасный диапазон. Позволяет снимать сквозь дымку, туман, смог, пыль, дым и облака - 8 каналов) и CAVIS (clouds, aerosols, vapors, ice, snow - позволяет проводить атмосферную коррекцию, 12 каналов). Разрешение снимков этого аппарата самое высокое, среди спутников гражданского назначения. Панхроматические снимки имеют разрешение 31 см, мультиспектральные - 1,24 м, SWIR - 3,72 м, CAVIS - 30 м. Ширина полосы съемки 13,1 км. Этот аппарат выполняет все задачи, которые ставятся перед спутниками высокого разрешения, но гораздо более точно и подробно. В том числе с его помощью создаются цифровые модели рельефа с точностью 1-3 м по высоте и топографические карты. Предшественник этого спутника, аппарат World View-2 имеет аппаратуру несколько меньшего разрешения. Панхроматический канал - 46 см, мультиспектральные - 1,84 м. [5].
При изучении арктических мелководий и прибрежных территорий спутниковые данные высокого разрешения позволяют различать объекты до полуметра в поперечнике, например, отдельные валуны. Такие снимки позволяют анализировать состояние прибрежной полосы водоемов, например, наличие штормовых выбросов, грубо оценивать механический состав открытого грунта (илистые, каменистые грунты), распределение растительных сообществ (приморские луга, заросли тростников, марши - приморские, засоленные торфяники, куртины галофитов - растений соленых грунтов, заросли морских трав, таких, как зостера) (Рис. 1).
Рис. 1. Фрагмент снимка аппарата WorldView-2 с ближним инфракрасным каналом, на котором обозначены участки побережья с различными грунтами и растительным сообществами
На спутниковых снимках высокого разрешения можно дистанционно выделять границы лесов и открытых пространств. Различать хвойные и лиственные породы деревьев, а также границы выделов и вывалы древостоя. Разделять болота и луговую травянистую растительность. Выходы коренных горных пород и аккумулятивные песчаные пляжи. Следы антропогенного воздействия, любые строения, дороги, тропы и колеи в грунте. Подвергнув спутниковый снимок обработке в специализированных программах можно более четко выделять объекты или их группы с помощью изменения интенсивности отображения различных спектральных каналов или, создавая из них разные комбинации. Таким образом, в прибрежной полосе морей можно выявлять скопления водорослей, на мелководьях выделять плотные заросли водных видов растений. На берегу оценивать состояние лесных насаждений, распространение заболеваний деревьев в лесах. Выявлять области с повышенным увлажнением, затопленные территории, загрязнения нефтепродуктами и оценивать площади ветровалов. Одной из главнейших задач спутниковой съемки высокого разрешения является осуществление подробного, многолетнего мониторинга, отслеживание изменений на местности по множеству параметров.
3. Сравнение методов получения и использования данных ДЗЗ со спутников и аэрофотосъемки с квадрокоптера.
В работе рассматривается использование для аэрофотосъемки квадрокоптеров фирмы Группы компаний «Геоскан» (далее – Геоскан). Модели «Геоскан 401» коптерного типа оснащены камерами Sony Cyber-shot DSC-RX1 и могут выполнять качественную аэрофотосъемку с разрешением 4 см/pix и выше. В настоящее время БПЛА такого класса, при производстве аэрофотосъемки, используются для проведения кадастровых работ, мониторинга сельскохозяйственных угодий, лесных массивов, составления карт антропогенных ландшафтов, при проектировке и строительстве, для оценки ситуации при чрезвычайных ситуациях (наводнения, пожары) и т.д. Для получения специализированной информации БПЛА оснащаются камерами, работающими в инфракрасном диапазоне.
Сравнение спутниковой съемки высокого разрешения и аэрофотосъемки с БПЛА проведено по нескольким параметрам.
a. Разрешение
Панхроматический канал спутника WorldView-3 имеет разрешение 31х31см земной поверхности на пиксель. Это, на сегодняшний день, самое высокое разрешение спутниковых снимков, доступное для гражданского коммерческого использования. Этот канал объединяет весь видимый спектр, служит для составления подробных карт и детализации мультиспектральных изображений. В качестве примера приведен панхроматический снимок аппарата WorldView-2 с пространственным разрешением 46х46 см, который использовался в работе по изучению прибрежной полосы Белого моря (Рис. 2).
Рис. 2. Часть снимка побережья Белого моря в панхроматическом канале со спутника WorldView-2. В верхней части снимка водная поверхность моря, в средней части - литораль, в нижней части - лес.
Сочетание каналов мультиспектрального диапазона, в котором присутствует инфракрасный канал, дает возможность выделять различные типы растительных сообществ, в частности, плотные заросли бурых водорослей Fucus vesiculosus и Fucus serratus на нижней границе литорали (рис. 3).
Рис. 3. Часть мультиспектрального снимка побережья Белого моря со спутника WorldView-2. В средней части снимка яркой красной полосой выделяются заросли бурых водорослей в нижней части литорали.
Проведенная аэрофотосъемка квадрокоптером «Геоскан 401» с высоты 60 м, имеет пространственное разрешение 1 см/pix при использовании геодезического приемника на борту высокого класса и базовых станций на земле можно обеспечить точность привязки до 10 см. Так как эти снимки делаются в видимом спектре и отображаются цветными, то на них хорошо различимы растительные сообщества, механический состав поверхности грунта (скалы, камни, земля и торф, песок и илистый грунт). Хорошо видны отдельные предметы, такие как древесные стволы, постройки и транспортные средства. Можно различать опоры линий электропередач и провода.
При аэрофотосъемке с БПЛА, оснащенных камерами с фиксированным фокусным расстоянием, пространственное разрешение зависит от высоты съемки. Если у спутника разрешение постоянное, так как высота съемки неизменна, то высоту полета БПЛА можно менять в пределах технических характеристик аппарата. Параметр высоты полета, при серийной аэрофотосъемке, определяется безопасностью работы и пространственным разрешением, необходимым для выполнения задачи, для которой производится аэрофотосъемка. Например, аэрофотосъемка прибрежной полосы Белого моря, выполненная в 2017 г, делалась для геоморфологического картирования литорали, геологического описания литорали и верхней сублиторали, оценки количества выбросов водорослей и картирования растительных сообществ на литорали и в верхней части сублиторали. Для выполнения этих задач съемка выполнялась с высоты 60 м. Для сравнения разрешения спутниковой съемки и съемки с БПЛА произведено пространственное совмещение части кадра панхроматической съемки спутника WorldView-2 и снимка БПЛА «Геоскан 401» (Рис. 4).
Рис. 4. Пространственное совмещение части кадра панхроматической съемки спутника WorldView-2 (монохромный снимок), с разрешением 46*46 см, и снимка БПЛА "Геоскан 401", с разрешением 1*1 см (цветной снимок).
b. Площадь охвата
Площадь кадра спутниковой съемки определяется шириной полосы съемки. Аппарат World View-3 имеет ширину полосы съемки 13,1 км, аппарат World View- 2 – 16,4 км. Причем из-за применения длиннофокусных объективов, искажения на всей площади кадра минимальные. Искажения и пространственное разрешение еще могут зависеть от угла съемки, и они минимальные при съемке в надир (строго вниз, перпендикулярно поверхности земли).
Площадь аэрофотосъемки с БПЛА определяется типом БПЛА, заданным разрешением и фокусным расстоянием объектива, а также удаленностью участка съемки от места пуска. В нашем случае использовался квадрокоптер «Геоскан 401» чьи технические характеристики изложены в Табл. 2, а внешний вид представлен на Рисунке - 5. В качестве эксперимента было отснято 2 км2 береговой линии. Площадная аэрофотосъемка с помощью квадрокоптеров, это выполнение непрерывной серии снимков при полете галсами над заданной территорией. Снимки имеют большое перекрытие (как правило продольное - Рх =70%, поперечное - Ру =50%) для исключения искажений. Дальнейшая обработка производится в специализированных программах, таких как «AgisoftPhotoScanPro». Перекрытие снимков рассчитывается автоматически, в зависимости от высоты полета. За один сеанс съемки с высоты 60 м на одном аккумуляторе, в течение 60 минут, аппарат «Геоскан 401» может выполнить около 250 снимков, которые в процессе обработки покроют площадь поверхности земли, равную 0,5 км2. При наличии нескольких заряженных аккумуляторов, оператор может отснять всю территорию, в пределах радиуса действия радиосвязи с квадрокоптером.
| Продолжительность полета | до 60 мин |
| Макс. протяженность маршрута | 15 км |
| Площадь съемки за 1 полет | до 0,5 км2 |
| Макс. допустимая скорость ветра | до 10 м/с |
| Скорость полета | 0-50 км/ч |
| Макс. взлетная масса | 9,5 кг |
| Макс. масса полезной нагрузки | 2 кг |
| Размер в сложенном виде | 71*20*19 см |
| Двигатели | электрические |
| Размер в полетном виде | 156*156*56 см |
| Мин. безопасная высота полета | 10 метров |
| Макс. высота полета | 500 метров |
| Время подготовки к взлету | 5 мин |
| Температура эксплуатации | От -20°С до +40°С (возможно расширение от -40°С до +40°С) |
| Взлет/посадка | вертикально, автоматически, с площадки 5*5 метров |
Рис. 5. Внешний вид системы "Геоскан-401".
c. Периодичность
Космические аппараты для высоко детальной съемки обращаются вокруг Земли по своим орбитам, которые имеют смещение на каждом витке для покрытия съемкой всей площади земной поверхности. Поэтому каждый спутник имеет такие характеристики, как период обращения и время повторной съемки. У аппарата World View-3 эти характеристики заданы таким образом, что спутник может сделать повторный кадр того же места на поверхности уже через 1 сутки, облетев за это время всю Землю, и отсняв всю ее поверхность с периодом обращения в 97 минут. В зависимости от наклона орбиты спутников время между повторной съемкой одной точки земной поверхности в разных широтах может различаться. Спутниковая съемка арктических регионов в оптическом спектре ограничивается временем года. Во время полярной ночи съемка не производится. Например, в окрестностях Беломорской биологической станции МГУ, где проводится аэрофотосъемка морского побережья, абсолютной темноты в течение всех суток нет даже зимой. Хотя биологическая станция находится на Северном полярном круге, зимой несколько часов в день присутствует освещение, достаточное для аэрофотосъемки. Но спутниковые снимки высокого разрешения на этот регион можно получать только в период с февраля по конец ноября. Для регионов, расположенных севернее, этот период еще меньше. Существует еще один фактор, который необходимо учитывать при работе со спутниковой съемкой. Большинство спутников предназначенных для ДЗЗ выведены на солнечно-синхронные орбиты. Это значит, что снимки одного и того же места всегда будут делаться в одно и то же время суток. Например, аппарат World View-2 пролетает над окрестностями Беломорской биологической станции МГУ всегда в дневные часы, в районе 12.40 – 13.00.
Аэрофотосъемку с помощью БПЛА можно проводить в любое время с любой периодичностью, ограничиваясь лишь условиями, обеспечивающими безопасность работы.
d. Оперативность
Срок получения спутниковых снимков на любую территорию определяется временем пролета спутника над нужным местом и оперативностью обмена информацией, между заказчиком съемки и оператором аппарата. Например, в арктических регионах, можно ожидать снимок от 1 до 4 дней в ограниченный временной интервал с жесткой привязкой к наличию облачности.
Оперативность съемки с помощью БПЛА определяется удаленностью района съемки от места базирования оператора с аппаратом и транспортной доступностью района съемки.
e. Влияние погодных условий
На возможность получения качественных спутниковых снимков влияет облачность. Спутниковые снимки имеют параметр «процент покрытия облаками», который указывается вместе с основными параметрами снимка. Чем больше процент покрытия облаками, тем меньшая площадь снимка доступна для изучения и обработки. Если над районом съемки сплошная облачность, то получение качественного снимка, возможно, откладывается на неопределенный срок, до установления ясной погоды.
Работа с БПЛА возможна как в ясную, так и в облачную погоду. Невозможна работа в дождь, туман, снегопад и сильный ветер (более 10 м/с). Так же затруднена работа при температуре ниже -40о С.
f. Спектральные характеристики
Спутниковые снимки высокого разрешения выполняются в мультиспектральном диапазоне. Основными каналами съемки, общими для всех спутников высокого разрешения являются 4 спектральных канала, это синий, зеленый, красный и ближний инфракрасный. Так же имеется панхроматический канал. Спутники последних моделей оснащаются съемочной аппаратурой, работающей в среднем и дальнем инфракрасном спектре. Диапазоны спектральных каналов могут незначительно различаться у разных моделей спутников. Особенностью, объединяющей, практически, всю орбитальную съемочную аппаратуру, является начало канала синего спектра. Он начинается с 450 Нм, а это самый конец синего спектра. Это обусловлено тем, что земная атмосфера рассеивает синий свет, и на орбиту возвращается очень мало отраженного синего света. Однако на аппаратах последних моделей, таких как World View-2 и World View-3 установлена очень чувствительная съемочная аппаратура, способная улавливать рассеянный атмосферой синий свет. Поэтому на этих аппаратах установлен экспериментальный сенсор, так называемый “Coastal”, воспринимающий фиолетовый и синий спектр, начиная с 400 Нм. Наличие этого канала позволяет различать объекты в прозрачной воде тропической зоны на глубинах в несколько десятков метров. В арктических районах холодная морская вода насыщена кислородом и богата планктоном. Большое количество взвеси делает ее малопрозрачной, поэтому синий свет, который глубже всего проникает под воду, интенсивно поглощается, а его малое количество, отраженное от подводных объектов, рассеивается атмосферой.
Пространственное разрешение спектральных каналов спутников высокого разрешения начинается от 1,24 м. Такое разрешение не позволяет в цветном изображении производить геоморфологическую и геологическую характеристику прибрежной полосы, но позволяет выделять растительные сообщества видов растений, произрастающих плотными группами, выявлять картину поверхностного стока воды в прибрежной полосе и на литорали. Для увеличения разрешения используется панхроматический канал, объединяющий весь видимый спектр, и имеющий разрешение от 31 см. С помощью процедуры слияния спектральных и панхроматического каналов, которая выполняется в специальном программном обеспечении, можно получить более детальную цветную картинку местности, которая позволит достоверно различать отдельные объекты на снимке, например, камни, размером от полуметра в поперечнике, но для геоморфологического, геологического и биогеоценологического описания этого все равно недостаточно.
Аэрофотоснимки, сделанные с помощью БПЛА, оснащенных стандартными камерами, цветные и выполнены в видимом спектре. Они подходят для детальных описаний местности, так как имеется возможность изменения пространственного разрешения в широких пределах. На этих снимках хорошо различимы все растительные сообщества, даже таких видов растений, которые произрастают небольшими группами, как, например, некоторые виды галофильной растительности на литорали. Цветные аэрофотоснимки позволяют давать характеристику механического состава грунта (илы, песок, гравий, камни, валуны и скалы). Также БПЛА могут оснащаться и мультиспектральными камерами, качество снимков будет лучше спутниковых за счет высокого разрешения и отсутствия или малого влияния атмосферных искажений.
g. Точность отображения мелководий и глубина
В арктических морях мультиспектральные спутниковые снимки высокого разрешения позволяют наблюдать крупные скопления морской растительности на глубине до 1 м. Во время отлива можно достоверно различать такие объекты, как заросли морской травы зостеры (Zostera marina), границы пояса бурой водоросли фукуса (Fucus vesiculosus, Fucus serratus), верхнюю границу зарослей бурой водоросли ламинарии (Laminaria saccharina). Объекты на глубинах больше 1 м в арктических морях не различимы из-за поглощения света водой и рассеивания синего спектра в атмосфере.
В отличие от спутников БПЛА летает в десятках метров от поверхности земли. Поэтому влияние атмосферы на качество снимка отсутствует. На снимках с БПЛА можно различать объекты на глубине, куда проникает видимый свет. Из-за большого количества взвеси вода в арктических морях обладает прозрачностью на расстоянии всего нескольких метров. Летом в прибрежной полосе Белого моря видимость под водой ограничивается 7-10 м. Но и такая видимость позволяет достоверно различать объекты на глубине до 5-6 м (рис.6).
Рис. 6. Некоторые подводные объекты, хорошо различимые на снимке БПЛА "Геоскан 401", сделанном с высоты 50 м во время отлива.
Различимые объекты:
1 - элементы рельефа, такие как валунный пояс у нижней границы литорали, покрытый зарослями бурой водоросли фукус (Fucus vesiculosus, Fucus serratus), глубина 0 – 1 м;
2 - отдельные камни и каменистые гряды, глубина 0 – 1,5 м;
3 - песчаное дно, глубина 1 – 3 м;
4 - скопления нитчатых водорослей (Cladophora sp., Rhizocloniumsp. и др.), глубина 1 – 2 м;
5 - заросли бурой водоросли хорды (Chorda filum), глубина 0,5 – 1,5 м;
6 - скопления бурой водоросли ламинарии (Laminaria saccharina), глубина 3 – 5 м;
7 - заросли морской травы зостеры (Zostera marina), глубина 1 – 3 м.
h. Возможность отслеживания изменений. Мониторинг.
Спутниковые снимки высокого разрешения традиционно используются для отслеживания изменений на поверхности Земли как в природных ландшафтах, так и в антропогенных. Мониторинг природных сообществ прибрежной полосы, изменения контура береговой линии, изменения площади лежбищ морских млекопитающих в Арктике, оценка воздействия на прибрежную полосу строительства трубопроводов и береговой инфраструктуры при разведке, добыче и транспортировке полезных ископаемых. Все эти данные возможно получать с помощью спутниковых снимков оперативно и постоянно на всей площади арктического побережья, учитывая погодные условия и график пролета спутников над объектом мониторинга. При этом задачи, решаемые при помощи спутников, не должны выходить за рамки возможностей дешифрирования снимка с разрешением от 31 см.
Мониторинг с помощью БПЛА «Геоскан» может осуществляться на очень подробном уровне. Например, отслеживание изменения береговой линии может быть осуществлено на уровне наблюдений за перемещениями отдельных камней и других небольших объектов. Однако, площадь, охваченная мониторингом, ограничивается радиусом действия БПЛА и мобильностью группы обеспечения полетов. Мониторинг отдаленных объектов с помощью БПЛА возможен только при условии доставки на место работы оператора с аппаратом. Ежегодная аэрофотосъемка объекта мониторинга может быть осуществлена в одно и то же время, и с той же точки, так как маршрут и координаты точек съемки сохраняются с помощью программного обеспечения БПЛА.
i. Векторизация данных и возможность применения в ГИС
Мультиспектральные спутниковые снимки предоставляются пользователю в виде набора файлов в формате GEOTIFF. Каждый файл содержит географически привязанный снимок, выполненный в одном из спектральных каналов. Так же в наборе присутствуют текстовые файлы с различной информацией, в том числе, информацией о дате, времени съемки и получения оператором каждого кадра, географические координаты углов отснятого полигона на поверхности Земли в системе координат UTM WGS-84, угол наклона камеры спутника, а также оговоренные с заказчиком данные первичной обработки снимка. Точность привязки снимка от 3 м и более. Все эти данные позволяют работать со снимком в специализированном программном обеспечении для создания ортофотоплана с применением цифровой модели местности и последующего дешифрирования, комбинирования спектральных каналов, составления мозаик снимков и векторизации растровых изображений. Подготовленные в специализированном программном обеспечении растровые изображения, их фрагменты и векторные данные в дальнейшем используются в качестве слоев в геоинформационных системах (ГИС) для создания подробных карт местности, 3D - моделей, проведения тематического и математического анализа объектов местности. Комбинации спектральных каналов позволяют визуально выделять различные классы объектов, что облегчает их векторизацию.
Аэрофотосъемка при помощи БПЛА «Геоскан 401» была выполнена в надир, полученные снимки были в видимом спектре–RGB формата RAW и географической привязкой центров фотографирования с точностью до 10 см в системе координат WGS-84. Эти снимки в виде географически привязанного растрового изображения могут использоваться в геоинформационных системах в качестве отдельного слоя для векторизации и анализа данных.
j. Программное обеспечение и аппаратура
При работе с прибрежными районами можно встретиться с крутыми и высокими обрывистыми склонами, отвесными скалами. Некоторые арктические острова имеют отвесные обрывистые берега высотой сотни метров. Чтобы избежать искажений, связанных с рельефом, существует процедура ортофотокоррекции, когда спутниковое изображение накладывается на цифровую модель рельефа (ЦМР). Существует международная база данных с ЦМР всей Земли, откуда можно получить данные на необходимый участок местности и осуществить обработку снимка. Так же для построения локальной карты рельефа местности высокого разрешения существует процедура стереосъемки, когда со спутника получают два последовательных снимка одного и того же полигона, выполненные под разными углами. Совмещая эти кадры, получают трехмерное изображение местности, которое можно использовать для создания локальной цифровой модели рельефа и получения карты высот. После ортофотокоррекции спутниковый снимок готов для дешифрирования и дальнейшей обработки. Для работы со спутниковыми снимками в настоящее время наиболее популярны пакеты программ ERDAS IMAGINE и ScanEx IMAGE Processor. Это профессиональные лицензированные программы полного цикла обработки данных дистанционного зондирования Земли. Спутниковые снимки, подготовленные и обработанные в этих программах, используются в геоинформационных и навигационных системах. Для обработки спутниковых снимков необходимы современные компьютеры с большой оперативной памятью и высокой тактовой частотой работы процессора, так как снимки имеют большой объем.
БПЛА фирмы Геоскан в стандартной комплектации оснащаются камерами Sony Cyber-shot DSC-RX1 с центральной проекцией. Камеры могут устанавливаться как в надир, так и в перспективу в зависимости от поставленных задач. Обработка данных аэросъемки осуществлялась в специализированном программном обеспечении Agisoft Photoscan, при помощи которой были получены: цифровые модели местности и рельефа, ортофотопланы и текстурированная 3 D модель береговой линии (Рис. 7, 8).
Рис. 7. Фрагмент ортофотоплана прибрежной полосы, снятой во время отлива.
Рис. 8. Фрагмент текстурированной 3D модели прибрежной полосы, снятой во время отлива.
В дальнейшем карта высот и ортофотоплан загружались в ГИС в качестве отдельных слоев для обработки, измерения расстояний, площадей и пр. Для работы с программой Agisoft Photoscan требуется высокая частота процессора и большая оперативная память, так как одновременно обрабатывается большой массив аэрофотоснимков.
Для проведения аэрофотосъемки при помощи БПЛА «Геоскан 401» использовалась наземная станция управления (НСУ) с предустановленной программой управления и проектировки АФС - «GeoScan Planner», также в состав НСУ входит радиомодем для контроля и управления БПЛА. Данное оборудование и ПО позволяет оператору БПЛА подготавливать проект с заданными параметрами аэрофотосъемки и проводить аэрофотосъемку в автоматизированном режиме с контролем телеметрии и возможностью изменений параметров в процессе, также данный продукт позволяет в последствии просматривать лог файлы и анализировать проделанную работу.
4. Перспективы.
Необходимость получения и постоянного обновления подробных карт морских побережий в Арктике требует постоянных затрат на получение и обработку спутниковой съемки высокого разрешения. Объекты мониторинга могут располагаться в отдаленных регионах, но они имеют постоянную дислокацию. Это облегчает возможность применения аэрофотосъемки с помощью БПЛА. Для геоморфологического, геологического, геоботанического описания морских побережий и узкой прибрежной полосы с литоралью необходима аэрофотосъемка очень высокого разрешения. Описание верхней сублиторали до глубины нескольких метров необходимо при комплексных исследованиях. Такие описания с помощью дистанционных методов возможны только на основе аэрофотоснимков, выполненных с помощью БПЛА. Имея в своем распоряжении стандартный комплект, в который входит БПЛА, несколько дополнительных аккумуляторов, НСУ, компьютер для обработки данных, необходимое программное обеспечение и средства доставки мобильной группы обеспечения полетов, можно в течение летнего сезона подготовить к анализу аэрофотосъемку очень высокого разрешения на сотни километров морского побережья. Либо обеспечивать постоянный, независимый от наличия облачности мониторинг прибрежной полосы в радиусе действия мобильной группы обеспечения полетов.
Перспективы применения БПЛА для аэрофотосъемки связаны с развитием программного обеспечения для обработки и дешифрирования отснятого материала, возможностью применения специализированной съемочной аппаратуры, работающей в различных диапазонах, в том числе инфракрасных.
5. Выводы.
При осуществлении комплексных исследований прибрежной полосы морей современными методами назрела необходимость применения аэрофотосъемки с помощью БПЛА, в частности хорошо себя зарекомендовал комплекс «Геоскан 401». Уже сейчас выявлены возможности, которые предоставляет только этот метод. Например, возможность картирования объектов на прибрежных мелководьях до глубины 5-6 м.
Совместное применение спутниковой съемки и аэрофотосъемки значительно расширяет возможности обоих методов. Например, при дешифрировании природных сообществ на литорали, с помощью аэрофотосъемки можно оперативно и точно выявить и векторизовать, практически, все объекты размером в несколько сантиметров в поперечнике на многокилометровой полосе берега. Высокое разрешение аэрофотоснимков позволяет очень точно векторизовать эталонные полигоны для автоматической классификации спутникового снимка и других методов его математической обработки.
1. Щукин И.С. Четырехъязычный энциклопедический словарь терминов по физической географии. М.: Сов. Энциклопедия, 1980. 704 с.
2. Игнатов Е.И. Береговые морфосистемы. Смоленск: Маджента. 2004. 362 с.
3. Бурковский И.В. Морская биогеоценология. Организация сообществ и экосистем. М.: Т-во научных изданий КМК. 2006. 285 с.
4. Романенко Ф. А., Репкина Т. Ю., Ефимова Л. Е., Булочникова А. С. Динамика ледового покрова и особенности ледового переноса осадочного материала на приливных осушках Кандалакшского залива Белого моря // Океанология. 2012. Т. 52. № 5. С. 768–779.
5. © Компания «Совзонд», «Космическая съемка Земли высокого и сверхвысокого разрешения», 2017. [В Интернете]. Available: https://sovzond.ru/products/spatial-data/satellites/#sat-425. [Дата обращения: 11 Ноябрь 2017].
6. © 2018 Agisoft. [В Интернете]. Available: https://www.agisoft.com/buy/online-store/. [Дата обращения: 14 марта 2018].