Цифровая модель «Карбонового полигона в Краснодарском крае» на базе ЮО ИО РАН (г. Геленджик)


Digital model of the «Carbon test site in Krasnodar region» on the base of SBIO RAS (Gelendzhik)

 Куклев С.Б., Кременецкий В.В., Крыленко В.В., Руднев В.И.

Sergey B. Kuklev, Vyacheslav V. Kremenetskiy, Vyacheslav V. Krylenko,

Valeriy I. Rudnev

Институт океанологии имени П.П. Ширшова РАН (Москва, Россия) 

Shirshov Institute of Oceanology RAS (Moscow, Russia)
 

УДК 551.465

В рамках создания «Карбонового полигона в Краснодарском крае» выполнены аэрофотосъемка опытного участка на массиве Туапхат (участок 6 Га ЮО ИО РАН) и батиметрическая съемка прилегающей к нему акватории. По результатам съемок разработаны цифровые модели рельефа (ЦМР) береговой и морской составляющих полигона. В статье приведены методики проведения работ и графическое представление разработанных ЦМР.

Ключевые слова: карбоновый полигон; аэрофотосъемка; батиметрическая съемка; цифровая модель рельефа

An aerophotography of the experimental area on the Tuaphat massif (area of 6 ha, SBIO RAS) and a bathymetric survey of the adjacent water area have been made within the framework of the “Carbon test site in Krasnodar Region” development. Digital relief models (DRM) of the test site onshore and offshore components were developed based on the survey results. The article presents the methods of work and graphical representation of the developed DRM.

Keywords: Carbon test site; aerophotography; bathymetric survey; digital relief models

Введение

Особенностью «Карбонового полигона в Краснодарском крае», создаваемого на базе ЮО ИО РАН, является наличие у него морской и береговой составляющих. Для выполнения планируемых многолетних мониторинговых исследований на карбоновом полигоне необходимо создание базовой картографической основы берегового участка (участок 6 га ЮО ИО РАН на массиве Туапхат) и батиметрической основы прилегающей к нему морской акватории. Картографическая основа береговой составляющей должна включать в себя данные по наземному рельефу, морской составляющей – данные глубин акватории полигона.

С целью создания цифровой модели рельефа (ЦМР) полигона выполнены аэрофото- и батиметрическая съемка береговой и морской составляющих. На основе обработки полученных первичных данных построены цифровые модели высот, глубин, высот растительности, ортофотоплан (в статье приводится графическое представление результатов). ЦМР в дальнейшем будет использована для визуализации результатов тематических исследований, систематизации данных дистанционного зондирования, а также как расчетные основы математических моделей атмосферных и морских процессов территории полигона.

Методика аэрофотосъемки береговой составляющей полигона

В сентябре 2021 г. проведены работы по аэрофотосъемке исследуемой территории массива Туапхат, включающей всю площадь карбонового полигона (6 га) и прилегающую к нему территорию в полосе шириной 100 м. Целью съемки было составление детального ортофотоплана и построение ЦМР на основе фотограмметрической обработки полученных цифровых снимков.

Для изучения состояния и динамики рельефа и растительного покрова морских берегов сотрудниками ЮО ИО РАН отработана технология аэрофотосъемки с беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с последующей фотограмметрической обработкой полученных высокодетальных цифровых снимков (Крыленко и др., 2020). Для съемки используется интеллектуальная камера, установленная на квадрокоптере Fantom 4Pro. Это современный профессиональный БПЛА обладающий эффективной системой стабилизации, благодаря которой можно удерживать летающий аппарат в точке с погрешностью 0,5 м по высоте и 1 м по горизонтали (что необходимо при изучении растительности). Этот аппарат способен на автономные полеты по заранее заданным координатам, с автоматическим возвратом на точку старта и автопосадку в случае потери сигнала управления или в других нештатных ситуациях, что необходимо при съемке сложного рельефа с обеспечением требуемых параметров.

Для равнинных участков, как правило, выполняется плановая съемка: объектив камеры направлен вертикально вниз. Для нешироких линейных природных объектов (к примеру, участок береговой линии с пляжем) съемка производится в один пролет с обеспечением продольного перекрытия между соседними фотоснимками 60%. Если требуется провести аэрофотосъёмку обширного по ширине участка, то фотографирование заданной площади производят серией параллельных маршрутов, имеющих поперечное перекрытие. При такой фотосъёмке стандартное значение перекрытия составляет 30%. При съемке природных объектов, имеющих рельеф с большими перепадами высот (в нашем случае), в дополнение к плановой аэрофотосъемке выполняется перспективная (с наклоном оптической оси) аэрофотосъемка. Для повышения точности результатов, до начала аэрофотосъёмки производится размещение и определение геодезических координат наземных реперов для последующей планово-высотной «привязки» снимков.

Перед началом аэрофотосъёмки для пространственной привязки было произведено размещение наземных реперов, распределенных по всей площади. При размещении реперов учитывались конфигурация и рельеф участка, схема траектории пролета БПЛА, наличие и состояние растительного покрова, вероятность антропогенного воздействия. На рыхлом грунте реперы (круги красного цвета диаметром 22 см) закреплялись на уровне грунта. На скалах, по возможности, отметки делались на пологих ровных участках коренных пород. Определение точных координат наземных реперов производилось с помощью оборудования спутниковой системы позиционирования фирмы Leica Geosystems (использующего сигналы навигационных спутников GPS и ГЛОНАСС) в режиме быстрой статики.

Планирование миссий (полетных заданий) производилось с использованием ресурса https://flylitchi.com/hub (рис. 1). После подготовки проекты миссий экспортировались в память пульта управления БПЛА. Обеспечение точного выполнения параметров полета реализовывалось с помощью программного обеспечения (ПО) «Litchi». Автоматическая фотосъемка велась с интервалом в 2 с. Крейсерская скорость полета составляла 30 км/час, высота полета над местностью не превышала 100 м. В течение полета производился контроль установленных параметров.

Рис. 1. Планирование миссии (полетного задания) с использованием ресурса https://flylitchi.com/hub

Общая площадь, покрытая съемкой, составила около 40 га. Для обеспечения сплошной съемки с требуемым для фотограмметрической обработки перекрытием были выполнены полеты общей протяженностью 15,5 км. В результате аэрофотосъемки были получены более 500 снимков, распределенных по маршрутам съемки с 30% поперечным и 60% продольным перекрытием. Для формата фотографий выбран максимальный размер 5472×3648 пикселей (соотношение сторон 3:2). За счет работы навигационного комплекса БПЛА для каждого из снимков были получены параметры внешнего ориентирования. Проведена первичная обработка, заключавшаяся в удалении некачественных или дублирующихся изображений.

Методика батиметрической съемки морской составляющей полигона

Батиметрическая съемка выполнялась по методике, отработанной в ЮО ИО РАН (Евсюков и др., 2013), в том числе и на других участках Черного моря (Руднев и др., 2020). Для проведения промеров акватории полигона был использован мобильный комплекс, состоящий из картплоттера «Humminbird 898cx SI Combo» и двухлучевого сонара «Dual Beam PLUS™», установленных на мотолодке «Кайман 300». Два излучателя сонара с частотами 50 кГц и 200 кГц обеспечивают измерение глубин в диапазоне от 1,5 до 450 м. Точность позиционирования модуля GPS «AS-GR50» в установившемся режиме составляет ±2,5 м. Результаты промеров записывались на SD-карту. Одновременно с цифровыми данными о глубине и положении также записывалась эхограмма с гидролокатора бокового обзора, что при камеральной обработке позволило увеличить информативность полученных материалов.

Расстояние между галсами варьировалось в зависимости от масштаба изменчивости глубин исследуемой акватории. В центральной части бухты шаг промерной сетки составил 25 м. В мористой части бухты шаг был увеличен до 50 м, на расстоянии 300 м от берега промеры проводились через 100 м. С целью повышения точности измерений выполнялись галсы поперечные и продольные относительно линии берега (изобат). Для определения рельефа дна в приурезовой части моря выполнены вдольбереговые профили измерений с минимально возможными глубинами, определяемые параметрами мотолодки и заглублением излучателя сонара (~0,5 м). Всего выполнено 38 продольных и 90 поперечных галсов, а также 2 вдольбереговых профиля. Их суммарная протяженность составила 65,5 км. Схема промерных галсов представлена на рис. 2.

Рис. 2. Планирование миссии (полетного задания) с использованием ресурса https://flylitchi.com/hub

Методика и результаты обработки данных измерений 

Для обработки полученных аэрофотоснимков использовалось программное обеспечение Agisoft Metashape, позволяющее создавать 3D модели объектов на основе цифровых фотографий методами цифровой фотограмметрии (ЦФ). На первом этапе обработки Agisoft Metashape находит общие точки фотографий («связующие точки») и по ним определяет параметры камер: положение, ориентацию, внутреннюю геометрию (фокусное расстояние, параметры дисторсии и т.п.). Далее, на основе рассчитанных положений камер и используемых фотографий, произведено построение плотного облака точек (точек фотограмметрической обработки – ТФО). Полученное облако ТФО (рис. 3) использовано для построения цифровой модели местности (ЦММ), необходимой для определения параметров растительного покрова. На базе плотного поля точек были построены полигональные модели поверхности. На основе цифровых фотографий и ЦММ произведено построение ортофотоплана с пространственным разрешением 0,05 м.

Самой сложной и трудоемкой операцией стало построение цифровой модели рельефа. Наличие плотной растительности, в том числе кустарниково-древесной, не позволяло идентифицировать реальный уровень поверхности земли (рис. 4). Классификация полученного плотного поля ТФО с целью выделения класса точек «земля» производилась при помощи программного пакета Terra Scan (Terra Solid, Финляндия) на платформе Micro Station V8 (Bentley Systems, США). Фильтрация облака точек (определение ложных отражений) – осуществлялась по итерационному принципу с использованием стандартных инструментов указанного программного пакета классификации «low points», «air points», «isolated points», «below surface». После автоматической классификации был проведен контроль для выявления и устранения ошибок классификации. Контроль проводился методами оценки плотности покрытия классифицированными точками, профилирования облака точек, визуального анализа 3D модели, построенной по точкам земли с ручным удалением ложных отражений. Точки, классифицированные как «земля», были сохранены в виде отдельного файла для построения ЦМР и дальнейшей обработки и анализа в программах SAGA и Golden Software Surfer.

Рис. 3. Плотное облако точек и положение точек съемки (скрин из Agisoft Metashape)

Необходимость построения карт высот растительного покрова обусловила использование регулярных ЦМР. Использован шаг сетки 0,2х0,2 м, позволяющий выявить строение микроформ рельефа и отдельные куртины растительности. Использование меньшего шага сетки было невозможно ввиду наличия разрывов в исходном поле точек под растительным покровом. Вычитанием из значений высот поверхности (с растительностью) значений высот рельефа строилась разностная ЦМ, отражающая величину высоты растительности. Использование перечисленных инструментов позволило свести к минимуму возможность ошибок. В целом, оцениваемая точность в плане составляет от 0,2 м в центральной части участка, но несколько ниже у краев отснятой территории (до 0,5 м).

При определении высот имеется системная погрешность, связанная с наличием участков сплошного растительного покрова, где фотограмметрическим методом получить достоверные отметки коренной поверхности невозможно. Соответственно, на участках с плотной растительностью ЦМР строится по среднему уровню поверхности. Поскольку непосредственно в пределах карбонового полигона растительный покров присутствует фрагментарно, на точности измерений большей части территории данная погрешность не сказалась. На прилегающих участках, покрытых сплошным растительным покровом (дубово-грабовое редколесье и посадки сосен), точность определения высоты поверхности земли ниже. В целом, оцениваемая точность по вертикали составляет от 0,2 м на открытой местности, 0,4 м на участках с фрагментарным растительным покровом. Под сплошными древесными насаждениями, расположенными вне карбонового полигона, точность определения высоты колеблется от 0,2 м вблизи открытых участков до 0,8 м в глубине лесного массива.

Рис. 4. Цифровая модель местности (скрин из Agisoft Metashape)

На рисунках ниже приведены карты рельефа (рис. 5), карты высот растительного покрова (рис. 6), ортофотоплан (рис. 7). Все карты подготовлены в масштабе 1:5000 в системе координат WGS84, широко применяемой для визуализации данных дистанционного зондирования. Использована прямоугольная универсальная проекция Меркатора (UTM, 37N). Выбор данной проекции обусловлен удобством проведения измерений. В качестве подложки на рисунках использован космический снимок с сервиса Яндекс-карты, точность плановой привязки которого неизвестна.

Обработка цифровых данных батиметрической съемки выполнялась специализированными программами в несколько этапов.

Этап 1. Корректировка данных измерений с помощью программы Reefmaster. Программа позволяет в полуавтоматическом режиме убрать явные ошибки измерений, «сбойные» точки, что позволяет значительно повысить достоверность результатов измерений, особенно на мелководье.

Этап 2. Фильтрация точек по визуальным параметрам. На этом этапе удаляются все повторяющиеся данные, возникающие при сбое измерений, недопустимом отклонении от курса, крена катера и от воздействия других непредсказуемых факторов.

Этап 3. Осреднение полученных данных в интервале 1 сек. при частоте посыла сигнала 20 Гц и записи 3 раза в сек.

Этап 4. Разработка ЦМР, построение батиметрической карты полигона с использованием программы Golden Software Surfer.

Рис. 5. Карта высот района карбонового полигона 

Рис. 6. Карта высот растительности района карбонового полигона

Рис. 7. Ортофотоплан района карбонового полигона

Всего для построения регулярной сетки было использовано 32368 точек иррегулярной сетки (с учетом береговой линии). По полученным данным построена батиметрическая карта полигона в масштабе 1 : 5 000 (универсальная поперечная проекция Меркатора, зона 37 N). Схема рельефа дна исследуемой акватории представлена на рис. 8.

Рис. 8. Схема рельефа дна акватории карбонового полигона

Заключение

По результатам аэрофотосъемки и батиметрических измерений разработаны ЦМР береговой и морской составляющих «Карбонового полигона в Краснодарском крае» на базе ЮО ИО РАН. Полученные модели в дальнейшем будут использованы для решения широкого круга задач карбоновых исследований: геолого-геоморфологических, биогеографических и геоэкологических, моделирования переноса парниковых газов в атмосферном воздухе, процессов их поглощения, трансформации, выбросов в морской среде.

Работа выполнена в рамках государственного задания ИО РАН «Исследование потоков климатически активных газов в прибрежных водах северо-восточной части Черного моря и береговой зоне суши».

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.

Список литературы

1. Евсюков Ю.Д., Руднев В.И., Куклев С.Б. Рельеф дна Голубой бухты (СВ Черного моря) после катастрофического наводнения в долине реки Ашамба // Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2013. №2 (32). С. 109–120.
2. Крыленко М.В., Крыленко В.В. Особенности выполнения высокоточной съемки рельефа абразионного берега с помощью БПЛА // Бюллетень науки и практики. 2020. Т. 6. №2. С. 10–19. DOI: https://doi.org/10.33619/2414-2948/51/01  
3. Руднев В.И., Дивинский Б.В., Косьян Р.Д. Изменения топографии прибрежной зоны Бакальской косы с 2018 по 2019 годы // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2020. №1. С.22-35. DOI: https://doi.org/22449/2413-5577-2020-1-22-35 

Статья поступила в редакцию 09.11.2021
После доработки 10.12.2021
Статья принята к публикации 17.12.2021

Об авторах

Куклев Сергей Борисович − Sergey B. Kuklev

кандидат географических наук
директор Южного отделения Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН,  Геленджик, Россия (Southern Branch of the Shirshov Institute of Oceanology RAS, Gelendzhik, Russia) 

kuklev@ocean.ru

https://orcid.org/0000-0003-4494-9878

Кременецкий Вячеслав Вячеславович − Vyacheslav V. Kremenetskiy

кандидат физико-математических наук
заместитель директора по научной работе Физического направления ФГБУН «Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН», Москва, Россия (Shirshov Institute of Oceanology RAS, Moscow, Russia)

sk@ocean.ru

https://orcid.org/0000-0003-3313-5908

Крыленко Вячеслав Владимирович − Vyacheslav V. Krylenko

кандидат географических наук
старший научный сотрудник, Южное отделение Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН,  Геленджик, Россия (Southern Branch of the Shirshov Institute of Oceanology RAS, Gelendzhik, Russia); Лаборатория экологии 

krylenko.slava@gmail.com

https://orcid.org/0000-0001-8898-8479

Руднев Валерий Иванович − Valeriy I. Rudnev

младший научный сотрудник, Южное отделение Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН,  Геленджик, Россия (Southern Branch of the Shirshov Institute of Oceanology RAS, Gelendzhik, Russia); Лаборатория литодинамики и геологии

evsgeol@rambler.ru

https://orcid.org/0000-0003-2805-1478 

Корреспондентский адрес: Россия, 353467, Краснодарский край, г. Геленджик, ул. Просторная, д. 1-г, ЮО ИОРАН. Телефон (861) 41-280-89.

ССЫЛКА:

Куклев С.Б., Кременецкий В.В., Крыленко В.В., Руднев В.И. Цифровая модель «Карбонового полигона в Краснодарском крае» на базе ЮО ИО РАН (г. Геленджик) // Экология гидросферы. 2022. №1 (7). С. 18–28. URL: http://hydrosphere-ecology.ru/281

DOI – https://doi.org/10.33624/2587-9367-2022-1(7)-18-28

EDN – EYZMJT

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

Уважаемые коллеги! Если Вы хотите получить версию статьи в формате PDF, пожалуйста, напишите в редакцию, и мы ее вам с удовольствием пришлем бесплатно. 
Адрес - info@hydrosphere-ecology.ru

Digital model of the “Carbon test site in Krasnodar region”

on the base of SBIO RAS (Gelendzhik)

Sergey B. Kuklev, Vyacheslav V. Kremenetskiy, Vyacheslav V. Krylenko, Valeriy I. Rudnev

Shirshov Institute of Oceanology RAS (Moscow, Russia)

An aerophotography of the experimental area on the Tuaphat massif (area of 6 ha, SBIO RAS) and a bathymetric survey of the adjacent water area have been made within the framework of the “Carbon test site in Krasnodar Region” development. Digital relief models (DRM) of the test site onshore and offshore components were developed based on the survey results. The article presents the methods of work and graphical representation of the developed DRM.

Keywords: Carbon test site; aerophotography; bathymetric survey; digital relief models.

References

1. Evsyukov Yu.D., Rudnev V.I., Kuklev S.B. Bottom relief of the Blue Bay (the NE Black Sea) after catastrophic flood in Ashamba river glen. Geology and Mineral Resources of World Ocean. 2013. №2 (32). P. 109–120. (in Russ.)
2. Krylenko M., Krylenko V. Features of Performing High-precision Survey of the Abrasion Coast Relief by UAV. Bulletin of Science and Practice. V.6 (2). P. 10–19. DOI: https://doi.org/10.33619/2414-2948/51/01  (in Russ.)
3. Rudnev V.I., Divinskiy B.V., Kosyan, R.D. Changes in topo- graphy of the coastal zone of the Bakalskaya Spit from 2018 to 2019. Ecological Safety of Coastal and Shelf Zones of Sea. V.1. P. 22–35. DOI: https://doi.org/10.22449/2413-5577-2020-1-22-35  (in Russ.)

Author

Kuklev Sergey B.

P.P. Shirshov Institute of Oceanology RAS, Moscow, Russia

kuklev@ocean.ru

https://orcid.org/0000-0003-4494-9878

Kremenetskiy Vyacheslav V. 

P.P. Shirshov Institute of Oceanology RAS, Moscow, Russia

sk@ocean.ru

https://orcid.org/0000-0003-3313-5908

Krylenko Vyacheslav V. 

P.P. Shirshov Institute of Oceanology RAS, Moscow, Russia

krylenko.slava@gmail.com

https://orcid.org/0000-0001-8898-8479

Rudnev Valeriy I. 

P.P. Shirshov Institute of Oceanology RAS, Moscow, Russia

evsgeol@rambler.ru

https://orcid.org/0000-0003-2805-1478 

ARTICLE LINK:

Kuklev S.B., Kremenetskiy V.V., Krylenko V.V., Rudnev V.I. Digital model of the «Carbon test site in Krasnodar region» on the base of SBIO RAS (Gelendzhik). Hydrosphere Ecology. 2022. №1 (7). P. 18–28. URL: http://hydrosphere-ecology.ru/281

DOI – https://doi.org/10.33624/2587-9367-2022-1(7)-18-28

EDN – EYZMJT

When reprinting a link to the site is required

Dear colleagues! If you want to receive the version of the article in PDF format, write to the editor, please and we send it to you with pleasure for free. 
Address - info@hydrosphere-ecology.ru

На ГЛАВНУЮ

К разделу ПУБЛИКАЦИИ