Для оценки состояния природно-технической системы, функционирующей в сложных климатических условиях, используется комплекс показателей, которые выявляются в результате различных обследований. Предлагается технология аэровизуального наблюдения и мониторинг технического состояния трубопроводов и развития опасных природных процессов с использованием дрона для обеспечения безопасности и минимизации риска возникновения чрезвычайных ситуаций в условиях криолитозоны. Проанализированы особенности использования квадрокоптеров для мониторинга линейных объектов, расположенных в труднодоступных районах, преимущества и недостатки предложенного метода и возможности их устранения.
В настоящее время особое внимание уделяется вопросам изучения взаимодействия технической системы с окружающей природной средой. В результате такого взаимодействия образуются сложные природно-технические системы (ПТС), которым уделено серьезное внимание в работах ряда ученых: Н.Ф. Реймерса, А.Л. Ревзона, А.В. Садова, Р.О. Самсонова, А.П. Камышева, И.И. Мазура, С.Г. Павлова, Б.Н. Семенякина и др., [5]. Магистральные трубопроводы, проложенные в регионах холодного климата, также рассматриваются как сложные природно-технические системы, их защищенность рассматривается как важнейший показатель по критериям риска, так как нарушение их работы влияет на состояние безопасности целого региона [2]. Для своевременного обнаружения опасных участков, несколько раз в год проводится оценка состояния ПТС функционирующей в сложных климатических условиях, используется комплекс показателей, которые выявляются в результате различных обследований. Одним из таких является геотехнический мониторинг, который позволяет не только оценивать, но и прогнозировать состояние ПТС. На подготовительном этапе при помощи аэро- и космосъемки решаются следующие основные задачи:
– выявление участков с нарушением технического состояния объекта, например: разрывы, трещины, коррозийные зон, повреждение гидро– и теплоизоляции и прочее;
– наблюдение и контроль за состоянием природной среды на всей протяженности трассы магистрального трубопровода (состояние опасных геологических процессов, зон подтоплений, коррозионно-опасных сред, промерзающих и оттаивающих грунтов и др.);
– анализ участков с подводным переходом магистрального трубопровода;
– ранжирование участков по степени опасности, выделение участков для первоочередного диагностического исследования.
Для повышения надёжности решения задач диагностики объектов целесообразно проводить их одновременное наблюдение с помощью нескольких видов съёмки, использующих специфические свойства излучений различными длинами волн и применяемых для мониторинга магистральных трубопроводов [4].
Аэровизуальное обследование является важным средством дистанционного мониторинга протяженных линейных природно-технических систем. Оно относительно недорогое, покрывает всю изучаемую территорию и производится в короткие сроки, что позволяет, используя минимальное количество опорных наземных данных, осуществлять оперативный контроль состояния объектов и давать ценные данные для прогноза их взаимодействия с окружающей средой на огромных территориях с весьма разнообразными ландшафтными условиями. При обследовании используется фотокамера, фиксирующая время получения снимка с точностью до секунды. Для привязки фотоснимков к трассе магистрального газопровода в течение всего облета используется приёмник GPS, позволяющий с точностью не менее 30 м фиксировать координаты точек съёмки во время полета путём записи трека с частотой записи не менее 1 точки в секунду. Непрерывная видеосъемка коридора трассы магистрального трубопровода шириной 300 м выполняется видеокамерой, с разрешением 1920*1080 мегапикселей или выше.
Метод аэровизуального обследования применялся и ранее, но на сегодняшний день технология проведения аэровизуального обследования более усовершенствована:
- уменьшено количество специалистов при проведении полевых работ; если раньше требовалось 4-5 специалистов непосредственно на борту, то сейчас достаточно одного, без учета пилота;
- съемка производится над линейным объектом (точность полета в зависимости от GPS трека пилота), что позволяет полностью снять охранную зону объекта;
- использованное изменение угла съемки позволило улучшить точность привязки фото-видеоматериалов [3].
В последнее время беспилотные летательные аппараты (дроны) все чаще применяются в различных сферах деятельности человека. Дроны-квадрокоптеры – это летательные аппараты с четырьмя несущими винтами. Они производятся из высококачественных материалов (чаще всего из углеродного волокна), комплектуются различными модулями: модуль GPS, разнообразные контроллеры полета, компас, некоторые модели оборудованы сенсорами и другими приборами. В основном большая часть квадрокоптеров приобретается и используется для фото и видеосъемки с воздуха, для этого их оборудуют специальными карданными подвесками для стабилизации камеры. Такие аппараты комплектуются различными камерами от GoPro до дорогостоящих камер стоимостью в несколько тысяч долларов. При необходимости квадрокоптер способен зависать на определенной высоте. За счет нескольких роторов квадрокоптер летит не только горизонтально над протяженными объектами, но и вокруг объекта, что позволяет получить более детальную информацию об объекте. Это дает возможность по полученным материалам построить объемные модели объекта, которые более точны по сравнению с материалами полученными в ходе съемки с самолета или вертолета. Дроны могут быстро совершать облет больших и труднодоступных районов.
Традиционные методы картографирования, такие как аэрофотосьемка, затратные, а космические снимки, имеющиеся в свободном доступе, недостаточного разрешения для проведения детального мониторинга ПТС, поэтому очевидны преимущества использования дронов: большее разрешение; возможность различных видов съёмки – перспективной и панорамной; съемка на различной высоте, причем малая высота дает возможность не учитывать облачность.
Построенные 3D модели используются для тематического дешифрирования. За счет более точной привязки (погрешность не более 10 метров в высоту).
Первичная обработка снимков, т.е. обработка полученных данных с использованием специализированного программного обеспечения включает в себя: построение разреженного облака точек; уточнение координат камер; построение плотного облака точек; построение модели местности; экспорт ортофотоплана и карты высот.
Ортофотоплан необходим в качестве основы для тематического дешифрирования объектов. Для этого используется обучающая выборка из необходимых для дешифрирования объектов. Обучающая выборка состоит из эталонных объектов, [5]. Полученная на основе этих данных аналитическая информация и разработанные рекомендации могут предоставляться в максимально сжатые сроки. По предложенной методике были проведены работы по мониторингу опасных геологических процессов на участках трассы магистрального нефте- и газопровода, проложенных в криолитозоне.
Отмечаются следующие недостатки применения квадрокоптера для мониторинга:
сильно ограниченна прямая дальность полета, до 3 км, в зависимости от модели; время полета ограничено емкостью батареи и моделью квадрокоптера; в зависимости от модели небольшая грузоподъемность, поэтому они могут быть оборудованы только 1 видом съемочного или измерительного прибора; невозможность проводить обследования при плохих погодных условиях; частая замена расходных комплектующих (роторы, батареи и лопасти); отсутствие автоматических функции безаварийного применения, предотвращающих неконтролируемое падение беспилотных летательных аппаратов с высоты на землю.
Заключение: использование дронов для проведения детального мониторинга ПТС имеет очевидные преимущества перед традиционными видами аэровизуального обследования, но при этом необходима дальнейшая модернизация аппаратных средств, программного обеспечения и технологий обработки и анализа данных для улучшения точности аэрофото- и видеосъемки и сокращения времени обработки данных.