Мониторинг постселевых изменений русла с применением БПЛА

Исследования, направленные на совершенствование методики мониторинга опасных природных явлений для оценки динамики и рисков пространственно-временных изменений морфометрических параметров ландшафта, являются актуальными и соответствуют проблематике совершенствования методов комплексного мониторинга опасных русловых и склоновых процессов в горной и высокогорной зонах.

На сегодняшний день опыт показывает, что наземные исследования в горах не могут обеспечить должный уровень точности оценки пространственно-временных изменений морфометрических параметров объектов мониторинга. Авиационные исследования требуют значительных затрат и в последние годы стали крайне затруднительны. Появление общедоступных ресурсов спутниковой информации облегчило ситуацию (Воскресенский, 2018), однако даже при наличии снимков необходимого разрешения и периодичности точно оценить количественные изме- нения в рельефе наблюдаемых территорий невозможно. В связи с этим использование материалов, полученных с применением БПЛА (Атутова, 2018; Балтакова, 2018; Бляхарский, 2019) и соответствующего программного обеспечения (ПО), является наиболее подходящим вариантом исследования потенциально опасных зон ландшафта в горных и высокогорных районах.

Регулярные высокоточные съемки рельефа с использованием специализированного оборудования, привязанные к определенной системе координат, позволяют создавать детализированные цифровые модели местности. Такие модели дают возможность проводить сравнительный анализ и точно оценивать изменения ландшафта во времени. В частности, программный комплекс Agisoft Metashape Professional позволяет создавать геопривязанные ортофотопланы с минимальными искажениями, точно отражающие морфометрические характеристики объекта (Докукин, 2021; Ерофеев, 2018; Коновалова, 2010).

Представленное исследование демонстрирует возможности использования разновременных съёмок с БПЛА в оценке последствий селепроявлений в русле реки. Результаты представлены на примере количественной оценки изменений параметров прирусловой зоны р. Нальчик при накоплении наносов, а также выносе грунта.

Методы

Исследование проводилось на участке русла р. Нальчик в районе н. п. Хасанья, в пригороде г. Нальчика Кабардино-Балкарской Республики до и после прохождения мощного селевого потока низкой плотности (1100—1500 кг/м3) (Виноградов, 2008), вызванного продолжительными интенсивными ливневыми осадками. Цель работы заключалась в количественной оценке морфометрических параметров селевого русла и прилегающей территории до и после события с использованием визуальных дешифровочных признаков ортофотопланов.

С помощью беспилотного летательного аппарата DJI Mavic Air 2 были получены снимки, по которым оценивалась динамика изучаемого процесса. Съемка производилась дважды — 29 мая, до прохождения селя, и 1 июля, на следующий день после схода потока, по одинаковому маршруту, примерно в 12 часов дня. Высота полетов — 60—70 м в соответствии нормативно-техническими документами: в части использования БПЛА для мониторинга отдельно расположенных объектов — ГОСТ Р 70611—2022; в части картографической обработки результатов — ГОСТ Р 70174—2022. Площадь покрытия территории аэрофотосъёмкой составила 302 тыс. м². Для обработки материалов съемок использовано программное обеспечение Agisoft Metashape Professional. В качестве исходных данных использовалось плотное облако точек. Его классификация выполнялась в автоматическом режиме. Полученные цифровые модели рельефа (ЦММ) представлены в растровом формате, где высота каждой точки задаётся в пикселях. Следующий этап, камеральный, включал обработку полученных исходных фотоматериалов по методам фототриангуляции и полугло-бального метода отождествления соответствующих точек. Для этого проекта было построено облако из более чем 104 млн точек, которые были использованы для создания цифровой модели местности и ортофотопланов обследуемой территории с целью определения количественных характеристик морфометрических параметров объекта до и после события или через определенный промежуток времени. На построенных ортофотопланах путём визуального дешифрирования аэрофотоснимков были выбраны два сектора (полигона) русла реки с наиболее выраженными ландшафтными изменениями, предполагающими возможность возникновения чрезвычайных ситуаций. На основе полученных данных на каждом из выбранных участков определялся объем унесенного грунта (в случае разрушения автодороги) и объем отложений наносов в русле. Базовой плоскостью, выше и ниже которой рассчитывается объем в программе, определена аппроксимирующая плоскость ЦММ, которая вычислялась путём аппроксимации значений высот ячеек моделей, которые находятся в области построения 10

аппроксимирующих плоскостей. Область аппроксимации рассчитывалась автоматически и зависела от величины максимальной разницы значений высот смежных ячеек моделей, разграниченных линией, к которой применялся инструмент. Аппроксимирующая плоскость рассчитывалась на основе нарисованных вершин полигона на уровне, заданном по точкам местности в прирусловой зоне, не подвергшимся воздействию селевого потока.

Использование БПЛА «любительского» класса сопряжено с определенными трудностями, связанными с техническими ограничениями оборудования и программного обеспечения. Например, камера БПЛА DJI MavicAir 2 подвержена значительной дисторсии, что снижает качество снимков и ограничивает область использования для создания стереопар. Кроме того, растительность и тени на снимках могут создавать помехи при обработке данных, приводя к неточностям в определении рельефа и, как следствие, к погрешностям в расчетах (Биличенко, 2018; Останин, 2019). В данной работе программная обработка данных в части минимизации искажений проводилась с использованием специализированной фотограмметрической программы Agisoft Metashape Professional методом трансформирования снимков, т. е. фотографического цифрового преобразования. Оно устраняет искажения, вызванные рельефом местности и углами наклона, путем приведения их к заданному масштабу и фильтрации, т. е. устранения помех или шумов, присутствующих на изображениях, а также замены значений яркости каждой точки другим значением, менее искажённым, с использованием линейных сглаживающих фильтров, которые уменьшают «резкие» переходы уровней яркости. Такая обработка, даже с учетом помех в виде растительности и теней, дает погрешность в диапазоне 1.5—4 %. Для исследований, подобных приводимым в статье, по нашему мнению, эти значения можно считать приемлемыми, а точность достаточной.

Результаты и обсуждение

Ниже на рис. 1 показан общий ортофотоплан русла р. Нальчик после прохождения наносоводного селя, включающий в себя оба участка (полигона), для которых проводились расчеты.

Участок разрушения автодороги (полигон 1). В месте разрушения дороги пространство ниже аппроксимирующей плоскости, согласно расчетам, до селя составляло 17.8 тыс. м³, а после — 22.1 тыс. м³. Это означает, что селевой поток размыл и унес 4.3 тыс. м³ грунта, что и привело к повреждению дорожного полотна (рис. 2).

Участок, прилегающий к автодорожному мосту ниже по течению реки (полигон 2). В зоне выше моста до прохождения селевого потока объем отложений ниже базовой плоскости составлял 11.6 тыс. м³. После прохождения потока этот объем уменьшился до 7 тыс. м³. Таким образом, на участке отложилось 4.6 тыс. м³ материала, принесенного селевым потоком, выше текущего уровня воды (рис. 3).

Таким образом, путем проведения разновременной съемки и последующего геоморфометрического моделирования на основе полученных данных, опера-

Рис. 1. Общий вид ортотрансформированного плана русла р. Нальчик после прохождения селя:

1 — полигон, участок разрушения автодороги; 2 — полигон, участок отложения наносов

Fig. 1. General view of the ortho-transformed plan of the Nalchik riverbed after the mudflow:

1 — polygon, area of road destruction; 2 — polygon, area of sediment deposition

83.3 м

Рис. 2. Участок автодороги, прилегающий к руслу р. Нальчик, разрушенный наносоводным селем

Fig. 2. Section of the highway adjacent to the Nalchik riverbed, destroyed by a mudflow

Рис. 3. Наносы в русле р. Нальчик на территории, прилегающей к автодорожному мосту

Fig. 3. Sediments in the Nalchik riverbed in the area adjacent to the highway bridge

тивно и с высоким уровнем достоверности получены сведения о трансформации русла реки Нальчик после прохождения по нему наносоводного селя.

Выводы

В рамках ведения мониторинга селеносного русла р. Нальчик на основе материалов разновременных обследований в данной работе были реализованы методы и алгоритмы получения, обработки и комплексного использования данных ближнего дистанционного зондирования Земли с помощью БПЛА и соответствующего ПО. В результате обработки данных созданы ортофотопланы и цифровые модели исследуемых сегментов русла до и после пропуска им селевого потока. Определены объемы: денудации прируслового участка, включающего в себя фрагмент разрушенной селем автодороги протяженностью более 70 метров, который составил порядка 4.3 тыс. м³; а также объем селевых отложений в русле на участке, прилегающем к автодорожному мосту выше по течению реки, который составил порядка 4.6 тыс. м³. В будущем переносы грунта и горных пород подобного объема могут повлиять на гидрологический режим района исследований: изменение русла р. Нальчик, её паводковый режим.

Результаты исследования демонстрируют высокую эффективность применения БПЛА и специализированного ПО для оперативной и точной оценки изменений природных объектов во времени и пространстве. Получаемые количественные данные о морфометрических параметрах потенциально опасных природных процессов способствуют повышению эффективности оценки рисков их возникновения, разработки оперативных мероприятий и проектирования защитных сооружений. В целом использование описанной методики представляется наиболее удачным на сегодняшний день инструментом для ведения оперативного и комплексного мониторинга локальных участков горных территорий, подверженных негативным природным явлениям.