Опыт внедрения ДЗЗ с космических и беспилотных летательных аппаратов с созданием локальных ГИС для организации сельскохозяйственной деятельности, мониторинга состояния территории и посевов и землеустройства

Т.Н. Ковалева 
кандидат экономических наук, доцент по специальности «Землеустройство, кадастр, мониторинг земель» 
ФГБОУ ВО «Государственный университет по землеустройству» 
ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт фитопатологии» 

Аннотация. Рассмотрен практический опыт внедрения современных методов дистанционного зондирования земли (ДЗЗ) и создания геоинформационной системы (ГИС) для организации территории сельскохозяйственного предприятий, мониторинга состояния посевов, хозяйственной деятельности

Ключевые слова: дистанционные методы зондирования земли (ДЗЗ), геоинформационные системы (ГИС), организация территории, мониторинг состояния посевов, землеустройство, беспилотные летательные аппараты (БПЛА), космические снимки, спутниковая съемка

В 2014-2017 годы для территории земель агрохолдинга Московской области разрабатывалась и внедрялась система оперативного мониторинга за территорией сельскохозяйственного предприятия. Основной задачей, поставленной руководством организации было оптимизация производственных процессов на основании современных средств дистанционного зондирования территории и геоинформационных систем и имеющихся научно-производственных рекомендаций [1-13].

Вся сельскохозяйственная техника агрохолдинга снабжена системами геопозиционирования, что позволяет отследить ее нахождение в любой промежуток времени. При обработке полей данные с сельскохозяйственной техники позволяют оперативно уточнить границы и площадь обрабатываемых полей. Эта информация совместно с официальными границами территории агрохолдинга были первоначальными при создании геоинформационной системы (ГИС) предприятия (рис. 1).

Следующим шагом в развитии предприятия стало понимание необходимости оперативных данных дистанционного зондирования земли для уточнения состояния посевов, прогнозирования урожая.

Рисунок 1. – Локальная ГИС земель агрохолдинга

Для сельскохозяйственных предприятий при внедрении современных технологий критическим является вопрос их стоимости. В связи с этим, первичное получение данных дистанционного зондирования было основано на открытых источниках данных с космическими снимками территории. Проблемой их использования стали большие временные разрывы в обновлении информации.

При консультировании в Россельбанке, выяснилось, что специалистами данной кредитной организации проводится оценка состояния посевов и прогнозирования урожайности предприятия на основе оперативно предоставляемой ей многоспектральной космической съемке с расчетом вегетационных индексов. Россельхозбанк своим клиентом позволяет безвозмездно использовать имеющихся у них базу космических снимков посевов. Но разрешение снимков из этой базы недостаточно для решения задач сельскохозяйственного предприятия (рис. 2).

В связи с этим, нами был приобретен доступ к данным более высокого разрешения, получаемых с космического аппарата QuickBird по программе мониторинга сельскохозяйственных посевов. Обновление предоставляемых данных происходило с частотой 1 снимок в 4-6 дней. При этом главной проблемой при использовании данной информации являлись метеоусловия на территории мониторинга.

В 2016 году количество осадков в Московской области превысило среднегодовые нормы. Количество безоблачных дней в период с мая по август было порядка 10-15. В результате за весь вегетационный период была получена только одна съемочная мозаика с облачностью снимков менее 20%. В связи с этим, было принято решение отказаться от перспективного применения ДЗЗ с космических аппаратов для целей мониторинга посевов в сельхозпредприятии.

Аэрофотосъемка с летательных аппаратов была исключена из рассмотрения в связи с ее высокой стоимостью.

Рисунок 2. – Пример космического снимка сельскохозяйственных территорий с вычисленным вегетационным индексом из системы Россельхозбанка

Следующим шагом была съемка территории с собственных беспилотников типа квадрокоптеров и самолетов. После тестирования обоих типов устройств, от съемки полей с целью их мониторинга с помощью квадрокоптеров отказались в связи с низкой производительностью и неэффективностью при съемке больших территорий данных летательных аппаратов.

В настоящее время, на предприятии эффективно применяется съемка территории с беспилотного летательного аппарата самолетного типа Геоскан 201 Агро, оснащенного мультиспектральной камерой на базе Sony Alpha A5000 с объективом 20 мм и системой геопозиционирования.

Планирование полета осуществляется в GeoScan Planner. Фотограмметрическая обработка данных с летательного аппарата производится в программе Agisoft PhotoScan Pro. Создание карт с вегетационным индексом и их анализа осуществляется с помощью программного обеспечения ГИС Спутник Агро.

При практическом применении беспилотных летательных аппаратов нами выявлены следующие недостатки их использования:

•        нестабильный запуск, — в некоторых случаях запустить не удаётся, и приходится снова выполнять подготовку полёта, заменять или заряжать аккумуляторы, так как при запуске БПЛА расходуется больше энергии аккумуляторов, чем при полёте, для запуска требуются почти идеальные условия, — отсутствие ветра или слабый ветер, «правильная» натяжка пускового механизма, отсутствие высоких преград на расстоянии до 300м;

•        иногда беспилотник «не долетает» до места посадки от 100 до 300 метров. С чем это связано, — пока точно неизвестно. Возможно — сырость программного обеспечения, точность бортовых приборов или чувствительность к изменению метеоусловий;

•        несмотря на заявленную возможность выполнения съёмки в «плохих» метеоусловиях, — на практике полученный материал использовать невозможно и необходимо выполнять повторные полёты;

•        неизвестно что с точностью выходных данных, — насколько пригодны материалы съёмки для реального проектирования и возможно ли их использование с минимальной корректурой «в поле». 

Работа при съемке требует определенных навыков исполнителя, от этого зависит успех запуска и качество съемки. Бывают отказы оборудования. При скорости ветра 15 м/с - работать невозможно, но за весь период таких дней в их практике было не много. При скорости ветра 10 м/с - проблемы с разворотом и выходом на маршрут. Иногда приходится переснимать. Для обработки и последующего применения данных с БПЛА требуются компьютеры с высокой производительностью. Полевая обработка данных практически невозможна.

В целом, использование БПЛА для аэросъемки и для получения материалов картографической точности показывает экономическую эффективность и является оперативным.

Использование БПЛА в качестве аэросъемочной платформы имеет большие перспективы при съемке небольших по протяженности площадных объектов и при съемке линейных объектов. Данные с БПЛА позволяют получать качественные картографические материалы (пространственные данные) при следующих условиях:

•        выполнении определенных (вполне посильных) требований к съемочной аппаратуре и процессу съемки (гарантия достаточности перекрытий);

•        строгой фотограмметрической обработке. Точность при этом возрастает в десятки раз и может составлять около GSD, как и для обычной аэросъемки и космических снимков.

•        Рекомендации предназначены как для пользователей, эксплуатирующих БПЛА, так и для конструкторов, устанавливающих оборудование на беспилотники, и состоят в следующем.

•        использовать на БПЛА калиброванные камеры;

•        производить съемку с выдержкой не длиннее 1/250 с;

•        использовать объективы с фиксированным фокусным расстоянием. Если это невозможно, следует фиксировать увеличение (Zoom);

•        съемка должна производиться с фокусировкой на бесконечность и с отключенным режимом автофокусировки;

•        проектировать съемку с увеличенными перекрытиями (80% вдоль, 40% поперек маршрута);

•        желательно использовать камеры с центральным затвором;

•        желательно использовать двухдиапазонные GPS приемники на борту и дифференциальный режим измерений;

•        желательно использование на борту IMU, пусть и не имеющего высокой точности. 

Таким образом, для условий Московской области, с метеоусловиями в вегетационный период, не позволяющими получить качественную космическую съемку в интересующий период времени, беспилотные летательные аппараты самолетного типа с повышенным временем полета являются наиболее применимыми для оперативного мониторинга территории и сельскохозяйственных посевов как технически, так и экономически. А наличие высокопроизводительной компьютерной техники и соблюдение выше указанных рекомендаций, позволяет получать качественные картографические материалы с минимальными погрешностями в измерениях и точностью, достаточной для целей сельскохозяйственных предприятий.
 

Список литературы

1. Лисецкий Ф.Н. Использование космического мониторинга для изучения элементов водного баланса в целях адаптивного землеустройства агроландшафтов / Ф.Н. Лисецкий, Т.Н. Ковалева // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Естественные науки. 2011. Т. 17. № 21. С. 108-118.

2. Ковалева Т.Н. Анализ противоэрозионного обустройства агроландшафтов Приволжской возвышенности по материалам космического мониторинга / Т.Н. Ковалева, Ф.Н. Лисецкий //Аграрный научный журнал. 2012. № 3. С. 11-15.

3. Ковалева Т.Н. Землеустройство агроландшафтов Приволжской возвышенности с применением современных программных средств и данных космического мониторинга/ Т.Н. Ковалева, Ф.Н. Лисецкий // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Естественные науки. 2012. Т. 19. № 9.С. 166-172.

4. Ковалева Т.Н. Информационное обеспечение землеустройства данными космического мониторинга земли как основа стабильного социально-экономического развития АПК / Т.Н. Ковалева // Проблемы и перспективы инновационного развития мирового сельского хозяйства Под редакцией Сухановой И.Ф., Муравьевой М.В.. 2015. С. 97-100.

5. Ковалева Т.Н. Статистическая обработка данных полевых исследований в землеустроительном проектировании / Т.Н. Ковалева // Роль молодых ученых в реализации национального проекта "Развитие АПК" материалы Научно-практической конференции молодых ученых Приволжского федерального округа. 2007. С. 105-107.

6. Ковалева Т.Н. Геоинформационные системы и картографирование данных экономических и социальных исследований в землеустройстве / Т.Н. Ковалева // Известия Российского экономического университета им. Г.В. Плеханова. 2012. № 1 (6). С. 52-62.

7. Ковалева Т.Н. ГИС-технологии и их применение в сельском хозяйстве / Т.Н. Ковалева // Вавиловские чтения-2003 Материалы межрегиональной научной конференции молодых ученых и специалистов системы АПК Приволжского федерального округа. 2003. С. 14-16.

8. Ковалева, Т.Н. Технология экологической адаптации агроландшафтов для производства сельскохозяйственной продукции премиум-класса «Organic/Bio/Eco» / Т.Н. Ковалева // Шестой Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций: в 2 ч., - Саратов: Саратовский ГАУ, 2011. Ч. 2. – С. 106-107.

9. Ковалева Т.Н. Геоинформационные системы и картографирование данных экономических и социальных исследований в землеустройстве / Т.Н. Ковалева // Научные труды Вольного экономического общества России. 2012. Т. 164. С. 282-292.

10.Крюкова Н.А. Эколого-ландшафтное землеустройство и методы егопроведения в условиях деградации земель. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата экономических наук по специальности: 25.00.26 - Землеустройство, кадастр и мониторинг земель / Крюкова Н.А.– Воронеж, 2007. – 22 с.

11.Туктаров Б.И. Использование ГИС-технологий при эколого-ландшафтнойорганизации территории в условиях Приволжской возвышенности / Б.И. Туктаров, Т.Н. Ковалева // Молодежная аграрная наука: состояние, проблемы и перспективы развития сборник научных трудов. ФГОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет, Всероссийский совет молодых ученых и специалистов аграрных образовательных и научных организаций Южного федерального округа; ответственный за выпуск А.Ю. Крыловский. 2007. С. 598-601.