Дистанционные средства мониторинга природных ресурсов

 

.2 Авиационные  методы мониторинга природных  ресурсов

 

Авиационные методы мониторинга осуществляют с самолетов, вертолетов и других летательных аппаратов (включая парящие воздушные шары и т. п.), не поднимающихся на космические высоты (в основном из пределов тропосферы). В эту подсистему включены: авиационные средства (самолеты-лаборатории и вертолеты); суда-лаборатории, буйковые станции, наземные передвижные лаборатории, на этих носителях установлена измерительная аппаратура, передающая получаемую информацию на пункт приема информации.

Для выполнения специальных задач, в частности для аэрофотосъемки, беспилотный летательный аппарат (БПЛА) должен рассматриваться в совокупности с его приборным оснащением и полезной нагрузкой, для чего введен термин беспилотная авиационная система (БАС).

БАС, помимо БПЛА, состоит из бортового комплекса управления, полезной нагрузки и наземной станции управления.

.Бортовой комплекс:

·Интегрированная навигационная система;

·Приемник спутниковой навигационной системы;

2.Автопилот. Задачи автопилота:

·пилотирование:

·автоматический полет по заданному маршруту,

·автоматический взлет и заход на посадку,

·поддержание заданной высоты и скорости полета, стабилизация углов ориентации,

·принудительная посадка в случае отказа двигателя или прочих серьезных неполадок.

·программное управление бортовыми системами и полезной нагрузкой, например: стабилизация видеокамеры и синхронизация по времени и координатам срабатывания затвора фотоаппарата, выпуск парашюта.

·накопитель полетной информации.

Беспилотный летательный аппарат (БПЛА или БЛА) - в общем случае это летательный аппарат без экипажа на борту. Понятие летательный аппарат включает в себя большое число типов, у каждого из которых есть свой беспилотный аналог. В прессе, когда речь идет о резком всплеске интереса к беспилотникам, и в данном материале под определение БПЛА попадает более узкое понятие. А именно: летательный аппарат без экипажа на борту, использующий аэродинамический принцип создания подъемной силы с помощью фиксированного или вращающегося крыла (БПЛА самолетного и вертолетного типа), оснащенный двигателем и имеющий полезную нагрузку и продолжительность полета, достаточные для выполнения специальных задач.

Для еще более точного определения тех БПЛА, которые будут рассматриваться ниже, необходимо подробнее остановиться на такой важной характеристике как способ управления БПЛА.

Существует следующие способы:

Ручное управление оператором (или дистанционное пилотирование) с дистанционного пульта управления в пределах оптической наблюдаемости или по видовой информации, поступающей с видеокамеры переднего обзора. При таком управлении оператор прежде всего решает задачу пилотирования: поддержание нужного курса, высоты и т.д.

Автоматическое управление обеспечивает возможность полностью автономного полета БЛА по заданной траектории на заданной высоте с заданной скоростью и со стабилизацией углов ориентации. Автоматическое управление осуществляется с помощью бортовых программных устройств.

Полуавтоматическое управление (или дистанционное управление) - полет осуществляется автоматически без вмешательства человека с помощью автопилота по первоначально заданным параметрам, но при этом оператор может вносить изменения в маршрут в интерактивном режиме. Таким образом, оператор имеет возможность влиять на результат функционирования, не отвлекаясь на задачи пилотирования.

Ручное управление может быть одним из режимов для БПЛА, а может быть единственным способом управления. БПЛА, лишенные каких-либо средств автоматического управления полётом - радиоуправляемые авиамодели - не могут рассматриваться в качестве платформы для выполнения серьезных целевых задач.

Последние два способа в настоящее время являются наиболее востребованными со стороны эксплуатантов беспилотных систем, т.к. предъявляют наименьшие требования к подготовке персонала и обеспечивают безопасную и эффективную эксплуатацию систем беспилотных летательных аппаратов. Полностью автоматическое управление может быть оптимальным решением для задач аэрофотосъемки заданного участка, когда нужно снимать на большом удалении от места базирования вне контакта с наземной станцией. В то же время, поскольку за полет отвечает лицо, осуществляющее запуск, то возможность влиять на полет с наземной станции может помочь избежать внештатных ситуаций.

Предпосылками применения БПЛА в качестве нового фотограмметрического инструмента являются недостатки двух традиционных способов получения данных ДЗЗ с помощью космических спутников (космическая съемка) и воздушных пилотируемых аппаратов (аэрофотосъемка). Данные спутниковой съемки позволяют получить снимки с максимальным общедоступным разрешением 0,5 м, что недостаточно для крупномасштабного картирования. Кроме того, не всегда удается подобрать безоблачные снимки из архива. В случае съемки под заказ теряется оперативность получения данных. В отношении компактных участков операторы и дистрибьюторы зачастую не проявляют гибкой ценовой политики.

Традиционная аэрофотосъемка, которая проводится с помощью самолетов (Ту-134, Ан-2, Ан-30, Ил-18, Cesna, L-410) или вертолетов (Ми-8Т, Ка-26, AS-350) требует высоких экономических затрат на обслуживание и заправку, что приводит к повышению стоимости конечной продукции.

Применение стандартных авиационных комплексов нерентабельно в следующих случаях:

Съемка небольших объектов и малых по площади территорий. В этом случае экономические и временные затраты на организацию работ, приходящиеся на единицу отснятой площади, существенно превосходят аналогичные показатели при съемке больших площадей (тем более для объектов, значительно удаленных от аэродрома);

)При необходимости проведения  регулярной съемки в целях  мониторинга протяженных объектов: трубопроводы, ЛЭП, транспортные магистрали.

Таким образом, плюсами применения БПЛА являются:

. Рентабельность.

. Возможность съемки с  небольших высот и вблизи объектов. Получение снимков высокого разрешения.

. Оперативность получения  снимков.

. Возможность применения  в зонах чрезвычайных ситуаций  без риска для жизни и здоровья  пилотов.

Стоит отметить, что технология аэрофотосъемки с БПЛА в значительной степени отработана. В настоящее время большая часть существующих и эксплуатируемых БПЛА предназначены для воздушной разведки и наблюдения, которые осуществляются с помощью фото- и видеосъемки.

Российские эксплуатанты БПЛА предпочитают закупать отечественные модели, поскольку данная техника требует высокого уровня тех. поддержки (тестирование перед покупкой, обучение работе с БПЛА персонала) и оперативного сервиса (ремонт, зап. части). Кроме того, ввоз импортных БПЛА сопряжен с таможенными хлопотами и получением разрешений (техника потенциально может быть использована в военных целях).

Функции наземного пункта управления:

слежение за полетом;

прием данных;

передача команд управления

 

2.3 Компьютерные  методы обработки данных

 

Целью обработки данных дистанционного зондирования (ДЗ) является получение снимков или изображений с требуемыми радиометрическими и геометрическими характеристиками. Рассмотрим основные этапы обработки данных.Радиометрическая точность обеспечивается системами внутренней и внешней калибровки. Информация, необходимая для окончательной калибровки данных, должна содержаться в структуре передаваемого на землю сигнала и учитываться при последующей обработке. Наземная система обработки данных предназначена для извлечения полезной информации из мультиспектральных данных ДЗ и передачи ее потребителям. Система обработки является промежуточным звеном между датчиком ДЗ и пользователем. Поэтому ее характеристики во многом зависят как от характера данных, так и в значительной степени от требований потребителей информации ДЗ.

На первом этапе, после приема спутниковых данных, записи их на магнитный носитель и выполнения необходимых декодирующих и корректирующих операций происходит преобразование данных (с учетом калибровок), переданных с космических аппаратов, непосредственно в изображение или космический снимок, а также преобразование их в форматы, удобные для последующих видов обработки.

На втором этапе проводят радиометрические и геометрические преобразования (коррекцию) для исправления радиометрических и геометрических искажений, вызванных нестабильностью работы космического аппарата (КА) и датчика, а также географическую привязку изображения с наложением на него сетки координат, изменение масштаба изображения и представление изображения в необходимой географической проекции (геокодирование). Первый и второй этапы обработки в настоящее время могут быть выполнены на борту космических аппаратов.

Третий этап - тематическая обработка - включает как цифровой анализ с применением статистических методов обработки (кластерный анализ, методы выделения признаков и классификацию для количественных оценок и т. п.), так и визуальное дешифрирование и интерпретацию. Тематическую обработку целесообразно проводить в интерактивном или полностью автоматизированном режиме. Для этих целей разработаны различные виды программного обеспечения тематической обработки с использованием специализированной компьютерной техники, в основном зарубежного производства.

Радиометрические преобразования используются для перевода необработанных мультиспектральных данных в радиометрически корректное и совместимое множество измерений. Часто эти преобразования используются для коррекции определенных типов искажений в системе сбора данных, таких как некомпенсированная нестабильность электронных устройств. Иногда вводится поправка на изменения параметров среды во время зондирования (состояние атмосферы, изменение освещенности). Радиометрические преобразования используются также для абсолютной калибровки данных, т.е. для преобразования интенсивности изображения, измеренной датчиком, в значение измеряемых физических параметров (перевод цвета изображения в значения содержания хлорофилла). С помощью геометрических преобразований изменяют геометрию изображения либо корректируют геометрические искажения, вносимые аппаратурой Искажения возникают, в результате ограниченности разрешения каждой системы, а также вследствие дефектов или погрешностей в системе регистрации данных. Геометрические искажения могут быть устранены или существенно уменьшены с помощью соответствующей обработки, если имеются данные, характеризующие положение датчика в пространстве в момент съемки и геометрию подстилающей поверхности. Совмещение и наложение данных - это термины, которыми обозначаются процессы геометрического выравнивания одного множества данных относительно другого. Заметим, что существует большое разнообразие данных, которые можно совместить или наложить друг на друга, например, распределение данных дистанционного зондирования океана в виде изображения или снимка можно наложить на данные о подводной топографии, о контактных подспутниковых измерениях, о метеорологических параметрах и т.п. Масштабирование, преобразование проекций, исправление систематических искажений - процедуры, необходимые для получения изображения в нужном масштабе или географической проекции и для устранения различных искажений, возникших из-за нестабильности платформы космических аппаратов. Представление данных - один из важных видов обработки и анализа данных. Формы представления данных в значительной степени зависят от характера приложений и от используемой процедуры обработки.

Сжатие и архивация данных является наиболее важным элементом обработки, так как в процедуре ДЗ приходится обрабатывать огромные потоки данных и хранить обработанную информацию. Путем уменьшения формата или объема данных в коммуникационных системах, возможно понизить требования к передаче, хранению и обработке данных, что в конечном итоге приводит к снижению стоимости системы обработки в целом.

Под улучшением изображений в широком смысле понимают процедуры улучшения любой разновидности данных, представленных в виде изображения, а в узком - процедуры, улучшающие визуальное восприятие данных, представленных в виде изображения. Все процедуры улучшения изображений могут быть полезны безотносительно того, действительно ли данные дистанционного зондирования должны быть визуализированы. Другие операции предназначены для уменьшения различных видов аппаратурных шумов и тем самым могут быть использованы для улучшения последующего классификационного анализа.

Результаты, полученные после обработки и анализа данных дистанционного зондирования, представляются конечным потребителям в определенном, строго оговоренном виде и формате (таблицы, массивы данных, графики, схемы, карты). Причем пользователи делятся на множество категорий - от так называемых продвинутых пользователей, которые смогут потреблять продукты с минимальной обработкой или без обработки вообще, до абсолютно неподготовленных, которым нужны конечные продукты дистанционного зондирования в виде таблиц, карт или графиков.

На сегодня в системах обработки данных стали стандартом рабочие станции и персональные компьютеры с высокоскоростными процессорами и накопителями большой емкости, что предъявляет соответствующие требования к процедурам обработки данных. В настоящее время разработано множество пакетов прикладных программ различного уровня для обработки данных дистанционного зондирования и изображений, начиная от распространяемых бесплатно и кончая дорогими высокопрофессиональными.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Экологическая ситуация в любом городе и сельскохозяйственном районе может кардинально измениться не только за продолжительное время, но часто и за считанные часы, так как интенсивность выбросов предприятиями отходов в атмосферу или водоем, рекреационная нагрузка на лесопарк, количество и тип пестицида, который использован для обработки посевов, интенсивность попадания животноводческих стоков в реку и т.д. иногда катастрофически увеличивается. Поэтому необходимо вести регулярное наблюдение за состоянием экосистем и их элементов. Такие постоянные наблюдения за происходящими в экосистемах процессами называются экологическим мониторингом.