+7 (495) 12-52-082    +7 (968) 091-58-04     info@GeoPoligon.ru

С ВЫСОТЫ ПОЛЕТА

БЕСПИЛОТНЫЕ АВИАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ — УЖЕ НЕ НОВШЕСТВО В СОВРЕМЕННОЙ ЖИЗНИ. СЕГОДНЯ ОНИ АКТИВНО ПРИМЕНЯЮТСЯ В КАРТОГРАФИИ, ГЕОДЕЗИИ И ДРУГИХ ОБЛАСТЯХ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ШИРОКОГО КРУГА ЗАДАЧ. ПЕРСПЕКТИВНО ПРИМЕНЕНИЕ ПОДОБНЫХ АППАРАТОВ И В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Прошли те времена, когда для аэрофотосъемки достаточно было просто поднять фотоаппарат в воздух. Современные задачи диктуют достаточно жесткие требования как к качеству получаемого фотоматериала, так и к скорости его обработки. Поэтому существующие беспилотники представляют собой не просто летательные аппараты, а целый комплекс аппаратных и программных средств. В то же время сами устройства должны быть просты в эксплуатации и обслуживании.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Беспилотники отличаются своими техническими характеристиками. Например, один БЛА самолетного типа способен провести в полете только один час, а другой — 2,5 часа. Устанавливаемые на борт фотоаппараты могут иметь разрешение от 16 Мп до 24 Мп, сменные объективы и быть модифицированы для съемки в инфракрасном диапазоне.

Для каждого снимка регистрируется информация о координатах центра фотографирования, причем их точность может достигать нескольких сантиметров — при использовании геодезического GNSS-приемника. После завершения полета полученные данные в автоматическом режиме обрабатываются с помощью специального программного обеспечения, затем из них формируются ортофотопланы, трехмерные модели местности и так далее. Производительность БЛА различна. При полете на высоте порядка 500 м за час можно собрать материал с площади примерно 900 га. Пространственное разрешение при этом составляет примерно 15 см/пикс. Если требуется более высокое качество снимка, то можно летать на меньшей высоте, но стоит помнить, что производительность при этом будет несколько ниже.

8 1

С помощью беспилотников можно добыть ценную и полезную для ведения сельского хозяйства информацию. После обработки исходных фотографий, снятых БЛА, получают три базовых типа данных: ортофотоплан, цифровую модель местности (ЦММ) и карту высот, а также карты вегетационных индексов. Первая база данных — проекция точной трехмерной модели на заданную плоскость. Как видно из этого определения, разделение ортофотоплана и ЦММ на разные типы данных достаточно условно. Более того, в процессе фотограмметрической обработки исходных снимков эти сведения получают одновременно.

ЧТО ТАКОЕ NDVI?

Наиболее актуален сегодня вопрос определения вегетационных индексов. Это некоторая величина, связанная с характеристиками растительности, получаемая в результате математических операций с разными спектральными каналами. Один из самых известных вегетационных индексов — NDVI, или Normalized Difference Vegetation Index.

Он определяется через коэффициенты спектральной яркости для красной и инфракрасной областей спектра по следующей формуле: NDVI = (NIR – RED) / (NIR + RED), где NIR — коэффициент для ближней ИК-области спектра, RED — для красной области. Выбор именно этих участков определяется, в первую очередь, оптическими свойствами хлорофилла. В диапазоне длин волн 600–700 нм, то есть в зоне видимого красного, он имеет выраженный максимум поглощения. По этой же причине все содержащие хлорофилл части растений имеют зеленый цвет. В области ближнего ИК-излучения растительность обычно обладает высоким коэффициентом отражения. В совокупности эти два факта означают, что можно судить о концентрации хлорофилла в каком-либо объекте, сравнивая его отражательные характеристики в двух указанных диапазонах. Формула в виде нормализованной разности удобна для расчета компьютерными средствами, поскольку множество значений функции имеет конечные значения. При визуализации в ГИС-картах вегетационные индексы отображаются в оттенках серого или раскрашиваются по палитре для наглядности. Например, в одной ГИС палитра для NDVI выбрана таким образом, что открытая почва отображается в оттенках коричневого, а растительность — зеленого. Альтернативная палитра обладает повышенной контрастностью и окрашивает индексную карту насыщенными цветами от красного до зеленого.

Данные для расчета NDVI можно получить из нескольких источников: спутниковой съемки, наземных датчиков, а также фотографирования с БЛА. Большая часть современных беспилотных комплексов может быть оснащена камерой для съемки в видимом и инфракрасном диапазонах, с помощью которой есть возможность получать набор данных для NDVI за один полет.

КАРТА ПОЛЕЙ

Предположим, что была произведена аэрофотосъемка сельхозугодий и в результате обработки создана карта NDVI, на которой отображены поля с озимыми зерновыми. По их общему виду можно сделать вывод о текущем состоянии, а также обнаружить проблемные участки. При разрешении 30 см/пикс. хорошо читаются технологические проходы и колеи. Если требуется максимальная детализация, то с помощью современных беспилотных комплексов можно осуществлять съемку с разрешением вплоть до 5–10 см/пк. По картам вегетационных индексов можно сравнивать поля, засеянные одинаковыми культурами, но имеющие различия в ряде параметров: сроки посадки, предшественники, сорта, применяемая агротехника и другие. Например, на картах хорошо видны участки угнетенной из-за повышенной влажности растительности, которая помимо негативного влияния на развитие культур может стать причиной для обхода участка поля при внесении удобрений. Хотя на момент съемки почва имеет растительный покров и нормальную влажность, на снимках несложно заметить отставание в вегетации. Также легко угадывается траектория машины, удобрявшей поле.

При наблюдении за вегетационными индексами нужно помнить о том, что сорная растительность также вносит вклад в отражательную способность поля. Например, если сорняки закрывают междурядья, то в среднем по полю значение NDVI получается завышенным. Однако при достаточном разрешении, которое легко достижимо при съемке с беспилотных аппаратов, но недоступно при спутниковом наблюдении, очаги сорняков достаточно просто обнаружить. Кроме того, для оценки засоренности можно проводить отдельные полеты на небольшой высоте.

1. NDVI 2.

                  Карта вегетационного индекса NDVI                Участки с повышенной влажностью (вымочки)

Рассмотренные неоднородности развития растений — примеры негативного воздействия явных факторов, которые можно однозначно определить на поле визуально. Гораздо больший интерес представляют неоднородности, вызванные неявными параметрами: кислотностью, уплотненностью почвы, содержанием элементов питания и другими. С помощью карт NDVI их тоже можно обнаружить, однако для выяснения причин их появления необходимо проводить агрохимический анализ. Впрочем, достаточно осуществлять обследование не равномерно по всему полю, а по нескольким зонам с близким значением общего плодородия. Подобный метод АХО имеет особенный смысл, если для полей созданы электронные карты и на сельхозпредприятии применяется техника для дифференцированного внесения удобрений.

ЭЛЕКТРОННАЯ ТОЧНОСТЬ

Рассмотренный вариант применения БЛА в растениеводстве является достаточно наукоемким и требует наличия современной техники, в частности разбрасывателей и опрыскивателей. В то же время экономически значимый эффект от использования беспилотников можно получить, всего лишь уточнив площади посевов. Актуальное значение фактически обрабатываемой площади позволит наиболее верно рассчитать затраты на семена, удобрения и средства защиты, а при уборке урожая — точнее определить урожайность. Работы по уточнению фактически обрабатываемых площадей показывают, что расхождение заявленной и обрабатываемой территории составляет порядка 2–5 процентов даже в том случае, если цифровые карты полей созданы не более пяти лет назад — по космоснимкам либо объездом на тракторе или квадроцикле. Если сравнивать площади, определенные по результатам аэрофотосъемки, и из бумажных планов или кадастровых документов, то разница может достигать 20 процентов. Как следствие, расчет затрат на покупку семян и пестицидов будет содержать ту же погрешность.
Современный уровень развития информационных технологий достаточно высок, и повсеместное использование электронных карт полей — вопрос времени. При их составлении не просто уточняются реальные границы и площади земельных участков — все полученные данные являются обязательными при внедрении современных систем управления агропредприятием, которые предполагают учет состояния территорий, севооборота, урожайности по отдельным полям, проведенных агротехнических мероприятий и тому подобного.

3. 0 4 
Очаги сорной растительности                         Водная эрозия почв, фрагмент реконструированной
                                                                                              3D-модели

Существует несколько способов построения границ полей разной степени точности и трудоемкости, и картография на основе аэрофотосъемки с БЛА — один из наиболее точных и быстрых. Для современных беспилотных аппаратов это стандартная задача. Предприятия, уже имеющие цифровые карты полей, могут применять актуальный и детализированный ортофотоплан с БЛА в качестве подложки или одного из тайловых слоев.

АНАЛИЗ ВЫСОТ

Важным для ведения сельского хозяйства является использование цифровых моделей местности и карт высот. Исследования воздействия микрорельефа поля на урожайность проводились еще в советские времена, и было установлено, что один из основных эффектов — разная способность к накоплению влаги в зависимости от уклона. То есть от рельефа напрямую зависит, как будут усвоены выпадающие осадки: вода либо впитается в почву, либо стечет с наклонной поверхности, либо образует вымочку в случае переувлажнения. Применение БЛА позволяет получать карты высот с разрешением от 10 см/пикс., в то время как общедоступная карта SRTM имеет разрешение лишь 90 м/пикс. По детализированным картам высот можно осуществлять различные измерения и моделирование процессов, например рассчитать направления поверхностного стока.