Обзор международной практики применения батиметрических систем

По данной теме исследования выполнены работы по изучению возможности использования современных геоинформационных технологий при проведении геодезических/ топографических изысканий, оценки рельефа дна водохранилищ, территорий ГТС с использованием специализированных БПЛА, дронов – эхолотов и ДЗЗ.

При выполнении обследований гидротехнических сооружений (ГТС) и дна прилегающих к ним акваторий, используется оборудование, позволяющее получить информацию о состоянии обследованных объектов различными независимыми способами:

• многолучевой эхолот (МЛЭ);
• гидролокаторы бокового обзора (ГБО);
• гидролокаторы кругового обзора (ГКО);
• телеуправляемые подводные аппараты (ТПА).

Выполнение гидрографической съемки с МЛЭ необходимы для получения данных о пространственной конфигурации обследуемых объектов, с помощью этих данных мы получаем массивы данных в формате «облака точек». На основе облака точек создаются цифровые модели (ЦМ), по которым будут построены батиметрические карты, продольные и поперечные профили дна акваторий и обследованных конструкций.

При выполнении съемки в режиме ГБО получаются гидроакустические изображения горизонтальных, наклонных и вертикальных поверхностей и конструкций, на которых фиксировалось полутоновое изображение обследуемых сооружений и участков дна. Анализ полутонового гидроакустического изображения содержит информацию об отражающих свойствах обследованных поверхностях, наличии углублений и выпуклостей на поверхностях и наличии различных элементов, выступающих из поверхностей.

Выполнение подводной фото-видеосъемки с использованием ТПА обеспечивает получение визуальной информации о состоянии поверхностей, их элементов, состоянии обнаруженных объектов, дефектов и особенностей конструкций.

Различные виды дефектов, элементов и особенностей конструкций и объектов при различных видах съемки фиксируются с разной степенью детализации в зависимости от условий. Анализ совокупных данных, полученных при разных видах съемки, позволяет определить реальное состояние обследуемых объектов [249].

На рисунке 1 приведен пример внешнего вида элементов ГТС и описание характерных особенностей, выявленных при выполнении работ.

Рисунок 1 - Пример визуализация рельефа дна на основе полученных данных в формате «облака точек»

Анализ международной практики применения батиметрических съемок водоемов в США показал, что применяются несколько методов, включая многолучевые и однолучевые съемки, акустический доплеровский измеритель течения, профилировщики дна и автономные подводные аппараты [249]. Батиметрическая съемка применяется для многих различных видов исследований, включая наводнения, заилованность водохранилищ, утечки, исследования качества воды, деформация плотин, а также заполнение водой водохранилищ и прудов. Батиметрические исследования позволяют измерять глубину водоема, а также наносить на карту подводные объекты водоема. 

Для батиметрических исследований используются несколько методов: – Многолучевая съемка с помощью многолучевого эхолота. Эхолот монтируется на судне и посылает широкий спектр лучей по «полосе» дна водоема. Ширина акустического освещения полосы обзора непосредственно пропорциональна глубине водоема. Вычисления отметок глубин в ширине полосы обзора выполняется на основании эхосигналов. Полученные и обработанные данные можно просматривать в режиме реального времени на судне во время съемки. Многолучевая съемка обычно проводится на более крупных водоемах, на рисунке 2 показаны результаты батиметрических работ на водохранилище МакФарлейн.

Рисунок 2 - Результаты батиметрической съемки водохранилища МакФарлейн

В практике гидрографических съемок в Украине наиболее отработанным и часто используемым методом является метод локальных промеров. Он основан на проведении серии точечных измерений глубины по заданным профилям, число и ориентация которых диктуется формой и размером водного объекта. Замер глубин производят от поверхности воды, а горизонтальные координаты точки замера привязывают к ближайшему пункту местных геодезических сетей. Детальность, точность этого метода определяется количеством профилей и заданных вдоль них промерочных точек. В процессе выполнения съемки водных объектов используются принципиально различные способы проведения съемочных замеров, такие как:

• механический (с помощью лотов, измерительных реек);
• гидроакустический (площадная гидролокация и точечные промеры глубины эхолотами со встроенными GPS-приемниками, облегчающими привязку);
• оптический (фотографирование дна с летательных аппаратов, лазерное сканирование).

Чаще их применяют по отдельности, но для получения особо важной и достоверной информации, проводятся комплексные съемки, объединяющие в программе исследования сразу двумя или более методами [250]. В зависимости от площади водного объекта используются беспилотные летательные аппараты, небольшие суда и катера, надувные и обычные лодки.

С развитием техники и технологий в сфере гидрографических работ, процесс выполнения батиметрических работ с использованием гидроакустических гидрографических систем находят широкое применение. В первую очередь это связано с оптимизацией количества работников и затрачиваемого времени на работы. Из гидроакустических приборов также применяются однолучевые, многолучевые батиметрические системы.

Оценка рельефа дна водохранилищ, территорий ГТС с использованием специализированных БПЛА

Когда речь заходит об инновационных беспилотных аппаратах, то в подавляющей части подобных случаев ввиду имеются наиболее известные и получившие широкое распространение беспилотные летательные аппараты (как раз и называемые в разговорной речи «беспилотниками» или «дронами» (от англ. «drone» – трутень) – различные квадро-гекса-, мультикоптеры (или просто коптеры) – БЛА, БПЛА) [251].

Как видим, разные БПЛА могут иметь разную степень автономности – от управления оператором дистанционно до полностью автоматических, и различаться по конструктивно, по целевому назначению и большому числу других параметров. Процесс управления БПЛА так же может различаться: это может быть или эпизодическая (порционная) подача команд, или непрерывная (в этом случае БПЛА получают название дистанционно-пилотируемых летательных аппаратов (ДПЛА) [252]. Все указанные особенности относятся и к другим типам и видам беспилотных аппаратов (БПА). Среди них известны телетанки (ТТ) – танки без экипажа, управляемые на расстоянии, а в последнее время – беспилотные автомобили – транспортные средства, оборудованные системой автоматического управления, которые могут передвигаться без участия человека. Главное преимущество БПА перед пилотируемыми (при равной эффективности выполнения поставленных задач) – значительно меньшая стоимость создания и эксплуатации [253]. Значительно меньше на слуху беспилотные водные аппараты (беспилотные плавательные аппараты – надводные и подводные, водные беспилотники, морские дроны [254] (БПВА)

Благодаря этому БПВА в настоящее время получили достаточно широкое распространение и применение, а эта технология активно используются в сфере картографии и геоинформатики. Если специфика применения новых технологий в производстве традиционных топографо-геодезических работ на суше определена [255], в т. ч. и с использованием БПЛА [256], то применительно к подобным работам в водной среде здесь остается еще много нерешенных вопросов. Однако, необходимо учитывать, что оборудование, приборная база и инструменты БПВА за достаточно длительный период времени претерпели не просто большие, а поистине революционные изменения. Пройден путь от использования целой команды геодезистов с громоздкими эхолотами и лазерными сканерами, крепящимися на лодки и осуществлявшими съемку, до компактных БПВА с комплектом надежного оборудования, которые могут перемещаться и управляться в ряде случаев всего лишь одним человеком. Основные направления исследований, в решении которых целесообразно применение БПВА в гидрологическом картографировании и моделировании – это гидрография и гидрометрия, предупреждение и ликвидация последствий опасных гидрологических явлений, широкий круг водно-экологических проблем [257]. Причем перечень решаемых с использованием водных беспилотников задач напрямую зависит от оборудования, которым они оснащаются. 

При рассмотрении комплектации БПВА «Apache 6 USV Norbit IWBMS» от компании «ПРИН», позиционируемого как беспилотный дрон для выполнения специализированных работ на внутренних водоемах и морском мелководье выявлено, что перечень его оснащения может быть разнообразным: многолучевой эхолот, однолучевой эхолот, гидролокатор бокового обзора, профилограф скорости течения, лазерный сканер, донный профилограф и другое оборудование [258].

Изучение возможности использования ДЗЗ для разделения водных и наземных геосистем

Для исследования водоемов, в особенности прибрежных экотонных зон, существует необходимость точного выделения действительных границ береговой линии. Экотонная зона между сушей и водой зачастую занята водной растительностью, и это усложняет выделение границ объектов [259]. 

Для разделения поверхности водосборного бассейна на типы по данным ДЗЗ можно выделить три известных способа: визуальное дешифрирование, кластеризация снимка, классификация на основе индексных изображений.

1. Выделение границ объектов, используя визуальное дешифрирование космических снимков. Наиболее простой способ, не требующий специализированого программного обеспечения и квалификации оператора. Вместе с тем он отличается низкой точностью результатов и при больших размерах объектов достаточно трудоемкий.
2.  Использование алгоритмов кластеризации снимка. Возможны два алгоритма классификации, «без обучения» (ISODATA) и «с обучением» (метод минимального расстояния, метод максимального правдоподобия, метод спектральной корреляции SAM и др.). Результаты сохраняются в виде тематических изображений, классы которых соотносят с группами объектов на земной поверхности. Применение данного способа позволяет получать результаты с высокой степенью автоматизации. К недостаткам следует отнести неконтролируемость результатов при использовании классификации без обучения, а также выбор подходящих параметров при использовании классификации с обучением.
3. Применение индексных изображений, получаемых путем обработки многоспектральных космических снимков. Наиболее популярными являются: нормализованный вегетационный индекс (NDVI); почвенный вегетационный индекс (SAVI); нормализованный разностный водный индекс (NDWI) и др. На основании значений пикселей индексных изображений производится классификация объектов. Данный способ достаточно удобен и наиболее распространен. К тому же некоторые продукты ДЗЗ поставляются с рассчитанными значениями NDVI. Но данный способ не позволяет контролировать классификацию, а также неэффективен при выделении экотонных зон между водной поверхностью и сушей.

Приведенные выше методики имеют существенные ограничения для исследования прибрежной экотоной зоны. Это подтолкнуло к поиску возможностей для повышения качества исследований. В результате была разработана методика, позволяющая повысить эффективность определения береговой линии водоемов и границ зон распространения воздушно-водной растительности. 

[Источники]