Оперативний моніторинг пожеж в екосистемах авіаційними пілотованими засобами

Размещено на http://allbest.ru

Оперативний моніторинг пожеж в екосистемах авіаційними пілотованими засобами

Гурник Анатолій Васильович старший викладач кафедри авіації та авіаційного пошуку і рятування, Інститут державного управління та наукових досліджень з цивільного захисту

Литовченко Анастасія Олександрівна викладач кафедри авіації та авіаційного пошуку і рятування, Інститут державного управління та наукових досліджень з цивільного захисту

Хижняк Володимир Віталійович кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, завідувач кафедри авіації та авіаційного пошуку і рятування, Інститут державного управління в сфері цивільного захисту

Шевченко Віктор Леонтійович доцент кафедри авіації та авіаційного пошуку і рятування, Інститут державного управління в сфері цивільного захисту, кандидат військових наук, доцент

Ядченко Дмитро Миколайович старший викладач кафедри авіації та авіаційного пошуку і рятування, Інститут державного управління та наукових досліджень з цивільного захисту

Анотація. Авіаційні системи повітряного моніторингу дають змогу організувати на обмежених територіях оперативні багаторазові та регулярні спостереження, що особливо необхідно при контролі швидкоплинних процесів природних та техногенних катастроф (при розлитті нафтопродуктів на морській поверхні, повенях і підтопленнях, масштабних лісових пожежах, землетрусах тощо).

Авіаційні засоби можуть швидко досягти практично будь-якого заданого району чи регіону України, у тому числі й важкодоступних для наземних засобів і провести необхідні спостереження, відео- і аерофотозйомку. Адже фактор часу є вкрай важливим при плануванні й проведенні заходів щодо захисту населення й територій від надзвичайних ситуацій, а також забезпечення пожежної безпеки.

Це досягається в першу чергу проведенням спостереження (аерофотозйомки) та використання даних авіаційних комплексів дистанційного зондування Землі, узгоджені за своїми можливостями з завданнями, що вирішуються. Крім того, дистанційне зондування Землі з повітряного судна (літака, вертольота, безпілотного літального апарату) дозволяє більш оперативно оптимізувати умови зйомки по висоті, напрямку, кутам освітлення тощо [1].

Для проведення моніторингу територій та повітряного спостереження в Україні використовуються літаки і вертольоти з відповідним корисним спорядженням - аерофотокамери, телевізійні, інфрачервоні камери спостереження з різними можливостями, ретранслятори, системи дистанційного зондування природного середовища тощо.

В роботі запропоновано варіант модернізації і оснащення літака Ан-30 сучасними цифровими фотокамерами та авіаційними комплексами дистанційного зондування землі, що дає змогу виконувати оперативний моніторинг ознак природних та техногенних катастроф на території України у повному обсязі і з високою якістю.

Ключові слова: авіаційний комплекс, літальний апарат, пожежі в екосистемах, повітряний моніторинг, прогнозування надзвичайних ситуацій.

Gurnyk Anatoliy Vasyliovych senior lecturer of the Department of Aviation and Aviation Search and Rescue, Institute of Public Administration and Scientific Research on Civil Defense

Lytovchenko Anastasiya Oleksandrivna lecturer at the Department of Aviation and Aviation Search and Rescue, Institute of Public Administration and Scientific Research on Civil Protection

Khizhnyak Volodymyr Vitaliyovych candidate of technical sciences, senior researcher, head of the Department of Aviation and Aviation Search and Rescue, Institute of State Administration in the Field of Civil Protection

Shevchenko Viktor Leontiyovych associate professor of the Department of Aviation and Aviation Search and Rescue, Institute of Public Administration in the Field of Civil Defense, Candidate of Military Sciences, associate professor

Yadchenko Dmytro Mykolayovych is a senior lecturer at the Department of Aviation and Aviation Search and Rescue, Institute of Public Administration and Scientific Research on Civil Protection

OPERATIONAL MONITORING OF FIRES IN ECOSYSTEMS BY MANNED AIRCRAFT

моніторинг природна техногенна катастрофа обладнання літак зондування земля

Постановка проблеми. Залежно від призначення пілотовані повітряні судна для виконання завдань моніторингу поділяються на дві основні групи: спеціальні і багатоцільові.

Спеціальним повітряним судном для виконання широкого кола завдань повітряного моніторингу і прогнозування надзвичайних ситуацій в Україні, а також проведення аерофотозйомки та дистанційного зондування землі є турбогвинтовий літак Ан-30 - єдиний у світі спеціальний літак- аерофотознімальник такого рівня [2, 3].

Штатний авіаційний комплекс моніторингу і аерофотозйомки спеціального літака Ан-30 складається з аерофотоапаратів типу АФА-41/10, АФА-41/20, АФА-42/20, АФА-54/50фк з дистанційним управлінням від командного приладу, з оптичною компенсацією зсуву зображення, які призначені для денного повітряного фотографування маршрутів та площ з метою аерофоторозвідки, моніторингу лісу, а також ведення автоматичного фотоконтролю результатів водяних скидів на пожежу (таблиця 1).

Таблиця 1

Технічні характеристики штатних фотокамер літака Ан-30

Крім того, аерофотоапарати призначені для виконання бортового перспективного повітряного фотографування.

Великий діапазон висот фотографування і розмаїття аерофотоапаратів, що використовуються, дає змогу одержувати аерофотознімки для топографічних карт всіх масштабів, а також матеріали документування наслідків надзвичайних ситуацій та інформації щодо прогнозу їх виникнення та розвитку.

Однак штатний авіаційний комплекс моніторингу і аерофотозйомки спеціального літака Ан-30 на сьогодні і фізично і морально застарілий, не дає змоги виконувати оперативний моніторинг ознак природних та техногенних катастроф на території України у повному обсязі і з високою якістю.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Серед сучасних цифрових аерофотокамер, які встановлюються на повітряні судна (спеціальні і багатоцільові) за їх можливостями можна виділити, як приклад, такі:

1. Повітряний лазерний сканер LiteMapper 5600 - є новою високоточною системою повітряного лазерного сканування для обстеження лінійних протяжних об'єктів, таких як дороги, лісосмуги, трубопроводи, лінії електропередач [4].

2. Цифрова аерофотокамера Rollei Metric AIC Pro Series - нова широкоформатна метрична 135-мегапіксельная камера (~10K x 13,5K mpx), що має чотири сенсорні головки з новою оптикою RolleiMetric Pro. Оптичні сенсори мають фіксовані фокусні відстані 35, 47, 60, 72 і 100 мм, вихідні дані представлені у форматах RGB і IR [5].

3. Цифрова аерофотознімальна камера великого формату VEXCEL UltraCam-X. Можливості камери дозволяють отримувати кадри з дозволом 136 мрх із інтервалом 1,35 сек., при одержанні стереопар на великомасштабні формати, що особливо зручно на великоурбанізованих територіях (великі індустріальні міста, мегаполіси) [6].

4. Тепловізійна інфрачервона система TermoVision A40 - є доступним за ціною, точним і заснованим на використанні мікропроцесора ("інтелектуальним") засобом отримання інфрачервоних зображень і вимірювання температури об'єктів (контроль технологічних процесів в промисловості, контроль небезпечних об'єктів) [7].

5. Повітряний лазерний сканер Leica ALS-50-II забезпечує отримування даних поверхні з високою точністю просторових координат (10-13 см). Можливість зйомки як з малих (200 м) так і великих висот (6000 м) надає широкий спектр застосування цього обладнання.

6. Цифрова аерофотознімальна камера RCD 30 - є середньоформатною цифровою фотокамерою, яка розроблена для фотограметричних додатків. Камера виконує зйомку в кадровому режимі, використовується для великомасштабного топографічного картографування площадних і лінійних об'єктів, створення цифрових карт і планів [8].

Формулювання мети досліджень. Метою роботи є обґрунтування модернізації і обладнання літака Ан-30 сучасними цифровими фотокамерами та авіаційними комплексами дистанційного зондування землі, що дасть змогу виконувати оперативний моніторинг ознак природних та техногенних катастроф на території України у повному обсязі і з високою якістю.

Методи дослідження. В роботі застосовано сукупність загальнонаукових і спеціальних методів, зокрема: методи експертного оцінювання, метод аналізу ієрархій, методи системного аналізу, методи структурно-функціонального моделювання, методи імітаційного моделювання, методи дослідження операцій.

Виклад основного матеріалу. На сьогодні існує значна кількість сучасного авіаційного аеро-фото обладнання для проведення моніторингу територій та повітряного спостереження шляхом аерофотозйомки та зондування природного середовища, зокрема авіаційний комплекс дистанційного зондування Землі типу АКДЗ-30, розроблений Центром радіофізичного зондування Землі ім. А.І. Калмикова (м. Харків) [10,11,12].

Дослідний зразок АКДЗ-30 у 2013-2014 роках проходив випробування на літаку Ан-30 у Спеціальному авіаційному загоні Оперативно-рятувальної служби ДСНС. У 2004 році льотні екіпажі авіації ДСНС згідно з вимогами постанови Кабінету Міністрів України від 25.11.1996 року № 1415 і на підставі протоколу Міжвідомчої Координаційної ради від 22.06.2004 р. № 2 виконували аерознімальні роботи за Програмою пошуку і знешкодження залишків хімічної зброї, затопленої у виключній (морській) економічній зоні, територіальному морі і внутрішніх водах України.

Результати випробувань дослідного зразку АКДЗ-30 зазначили, що комплекс дає змогу вирішувати широкий спектр практичних завдань з оперативного моніторингу виявлення природних та техногенних катастроф, у тому числі - великомасштабних пожеж в екосистемах України.

Комплекс АКДЗ-30 орієнтовано на вирішення широкого кола наукових і практичних завдань, перш за все на оперативне виявлення провісників та моніторинг проявів різноманітних природних і техногенних катастроф, критичних ситуацій (таких як водопілля, розлиття на водній поверхні нафтопродуктів, льодові затори, великомасштабні пожежі тощо), а також пошук проявів корисних копалин, виявлення суден-порушників кордонів морських економічних і промислових зон тощо.

До складу апаратних засобів АКДЗ-30 входять:

- двохчастотна радіолокаційна система, що складається з радіолокатора бокового огляду (далі - РБО) з реальною апертурою антени, РБО 8-мм діапазону та радіолокатора з синтезуванням апертури антени (далі - РСА), РСА 23-см діапазону;

- скануючий радіометр інфрачервоного діапазону;

- трасовий багатоканальний спектрометр оптичного діапазону;

- цифрові аерофотокамера та відеокамера;

- система бортової обробки, накопичування, інтерпретації, а також відображення інформації;

- навігаційний приймач системи GPS і засоби глобального позиціонування.

Основні параметри систем дистанційного зондування авіаційного комплексу АКДЗ-30 наведені в таблицях 2 - 4.

Таблиця 2

Основні параметри радіолокаційної системи авіаційного комплексу дистанційного зондування АКДЗ-30

*Примітка. У таблиці використовуються такі скорочення:

ВВ - випромінюється та приймається вертикальна поляризація;

ГГ - випромінюється та приймається горизонтальна поляризація;

ГВ - випромінюється горизонтальна, а приймається вертикальна поляризація;

ВГ - випромінюється вертикальна, приймається горизонтальна поляризація.

Таблиця 3

Основні характеристики аерофотоапаратів, що використовуються в складі комплексу дистанційного зондування АКДЗ-30

Таблиця 4

Основні характеристики сканеру інфрачервоного діапазону "Малахіт-1"

Особливістю радіолокаційної системи комплексу АКДЗ-30 є синхронне використання РБО 8-мм діапазону та РСА 23-см діапазону, які мають досить близькі за потенціалом та просторовим розрізненням характеристики, що значно розширює інформаційні можливості всієї системи [1, 12, 13, 14].

При цьому РБО 8-мм діапазону використовує тільки вертикальну поляризацію сигналів, що випромінюються та приймаються, а РСА 23-см діапазону - може використовувати будь-які комбінації поляризації.

Інформація обох радіолокаторів обробляється безпосередньо на борту літака в реальному часі, проводиться накопичення, візуалізація зображень та перезапис інформації на бортовий комп'ютер для оперативної інтерпретації даних, що особливо важливо під час моніторингу швидкоплинних катастрофічних процесів, якими є лісові і ландшафтні пожежі.

На рисунку 1 наведено структурну схему системи дистанційного зондування комплексу АКДЗ-30.

Рис. 1 Структурна схема систем дистанційного зондування АКДЗ-30

Крім цього можливе додаткове обладнання комплексу РСА 215-см діапазону замість РСА 23-см діапазону. Цей варіант обладнання орієнтований в першу чергу на використання над територією з сухим ґрунтом, де повною мірою можливо використати ефект під поверхневого зондування ультракороткохвильовим радаром.

Аерокосмічним агентством "Магеллан" (м.Дніпро) розроблено і проведено випробування авіаційного тепловізорного комплексу ТАВР-М, який також можна встановити на літаку Ан-30 [15, 16]. Комплекс дає змогу вести обстеження житлових та промислових районів, окремих інженерних споруд, магістральних і місцевих шляхопроводів, контролювати морську економічну зону методом дистанційного зондування землі вдень та вночі в простих метеорологічних умовах.

Авіаційний тепловізорний комплекс ТАВР-М містить у собі спеціалізовану авіаційну лабораторію і складається з оптико-електронної системи дистанційного зондування земної поверхні, скануючого і фотоприймального обладнання, блоку обробки сигналів, системи формування зображення, комп'ютерної станції, системи управління і реєстрації, системи супутникової навігації, програмних засобів обробки і розшифровки інформації.

Принцип дії комплексу:

- при переміщенні літального апарату проводиться прийом теплового випромінювання об'єктів, перевід його в електричні сигнали і формування теплових зображень;

- комп'ютер на літаку проводить запис теплових зображень і їх дешифрування в режимі реального часу;

- результати зберігаються на магнітно-оптичних носіях.

При цьому комплекс вирішує такі завдання:

- теплове картографування житлових, промислових районів та окремих інженерних споруд (АЕС, мости, греблі, дамби, нафтосховища тощо);

- пошук підземних каньйонів, карстових пустот, тріщин, прихованих фундаментів, занедбаних інженерних споруд;

- картографування територій для прогнозу нафтових та газових родовищ з побудовою вертикальних та горизонтальних проекцій передбачуваних нафтових та газових родовищ;

- пошук лінз прісної води та геотермальних джерел, фільтраційних процесів в зрошувальних каналах;

- обслідування магістральних та місцевих шляхопроводів (нафта, газ, водопроводи тощо) з метою отримання інформації про стан труб та ізоляції;

- контроль морської економічної зони, пошук судів, що здійснюють скидання нафтопродуктів та баластних вод в акваторіях морів;

- оновлення архітектурних планів міських та сільських територій (створення комп'ютерних баз даних);

- обслідування лавинних та зсувних територій;

- виявлення замаскованих об'єктів вночі з великих висот польоту повітряного судна;

- виявлення заболочених територій і солончаків.

Таблиця 5

Технологічні характеристики комплексу ТАВР-М

Зважаючи на технологічні характеристики (таблиця 5) комплекс має переваги, зокрема:

- висока роздільна здатність обладнання дає змогу проводити аерофотознімальні роботи із значних висот польоту;

- визначення координат цілей з великою точністю (до 2 метрів) при використанні комплексу з системою супутникової навігації типу GPS;

- можливість установки на літаку Ан-30;

- комплекс обслуговується лише одним оператором.

Висновки. Важливим аспектом забезпечення сталого розвитку нашої держави є моніторинг довкілля, який повинен бути підтриманий на державному рівні. Такий моніторинг дасть змогу мати актуальну інформацію про стан навколишнього середовища України, оперативно реагувати на його зміну і прогнозувати його стан на майбутнє.

Важливим джерелом інформації про стан екосистем є дані аерокосмічного спостереження та прогнозування. Для удосконалення можливостей пілотованої авіаційної компоненти системи аерокосмічного спостереження та прогнозування доцільно оснастити штатний літак АН-30 авіації ДСНС [1, 17]:

- авіаційним комплексом дистанційного зондування Землі АКДЗ-30;

- авіаційним тепловізорним комплексом ТАВР-М;

- цифровими аерофотокамерами типу Rollei Metric AIC Pro Series, VEXCEL UltraCam-X, RCD 30.

- тепловізійною інфрачервоною системою типу TermoVision A40.

З урахуванням штатного авіаційного комплексу моніторингу і аерофотозйомки спеціального літака Ан-30 це забезпечує можливості оперативного моніторингу виявлення природних та техногенних катастроф, у тому числі великомасштабних лісових/ландшафтних пожеж та повеней.

Література:

1. Обґрунтування вимог до перспективних та модернізованих літальних апаратів для авіаційного забезпечення виконання завдань ДСНС, визначення їх необхідного складу, типажу та розміщення по регіонах України : Звіт про науково-дослідну роботу / УкрНДІЦЗ. Київ, 2015. 215 с.

2. Аерофотознімальний літак Ан-30. //Авіація і космонавтика. -2003. -№ 8 -С.36-37.

3. Якубович Н. В. Фоторозвідник і картограф: Про літак Ан-30. // Крила Батьківщини. - 1997. - № 9. - С. 1-4.

4. Blair, J.B., D. L. Rabine, M. A. Hofton, 1999. The Laser Vegetation Imaging Sensor: a medium-ltitude, digitisation-only, airborne laser altimeter for mapping vegetation and topography. ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 54, pp. 115-122.

5. KEMPER, G. (2010): Neue luftgestutzte Sensoren und Plattformen fur verschiedenste Aufgaben in der Fernerkundung. 3 Landertagung der DGPF, OVG und SGPBF, Wien.

6. UltraCamX is manufactured by Vexcel Imaging GmbH, Graz, Austria. This company is 100% owned by Microsoft Corp. since May 2006 and contributes to the Virtual. citeseerx.ist.psu.edu > viewdoc > download.

7. Specifications subject to change. © Copyright 2005, FLIR Systems, Inc. All rights reserved. I053005PL www.flirthermography.com/A40Mdata.

8. GC accepts no liability for damages due to failure to comply with the operating manual. Introduction. ALS 2 combines unique scan features with robust scanning. www.gc.dental > downloads > manual > MAN_Aadva_Lab_Scanner_2_en.

9. The Leica RCD30 is the first medium. For installation in Leica PAV80 for RCD. 492,5 mm / 314 mm / 10 kg cameras in Leica PAV100 gyro-stabilised mount. www.nik.com.tr > Leica RCD30

10. Цимбал, В.М, Авіаційний комплекс дистанційного зондування АКДЗ-30 - засіб моніторингу природного середовища та попередження природних катастроф [Текст] / В.М. Цимбал, В.І. Лялько, В.І. Волошин // Екологія і природокористування, 2003. - Вип. 6.

11. Застосування безпілотних авіаційних систем у сфері цивільного захисту : колективна монографія / Д. В. Бондар та ін. Київ : ІДУНДЦЗ, 2022. 312 с.

12. Хижняк В.В., Обґрунтування можливих варіантів створення полігонної системи траєкторних вимірювань на базі приймачів сигналів супутникових навігаційних систем / Хижняк В.В. // Радіоелектронні і комп'ютерні системи, наук.-техн. журнал, Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, - Х: № 4(4), - 2003 р. С.176-182.

13. Козуб А.М. Аналіз засобів збору інформації для геоінформаційних систем / А.М. Козуб, Н. О. Суворова // Системи озброєння і військова техніка. -Х.: ХУПС - 2011 -Вип. Яв 3 (27). - с. 42-47.

14. Козуб А.М. Оптимізація комплекту засобів оптико-електронного спостереження аерокосмічного моніторингу лісових масивів /А. М. Козуб, Н. О. Суворова //Авиационно-космическая техника и технология. - Х.: ХАІ - 2012 - Вип.

15. Білобородов О.О. Вплив динамічних характеристик об'єктів контролю на просторово-часові вимоги до результатів геоінформаційного забезпечення / О. О. Білобородов // Управління розвитком складних систем. - 2012. - № 12. - С. 141-143.

16. Білобородов О.О. Оцінювання просторово-часових можливостей космічних систем дистанційного зондування Землі / О. О. Білобородов, Г. В. Рибалка // Системи обробки інформації. - 2012 - Яв 2 (109). - С. 11-15.

17. Багатоспектральні методи дистанційного зондування Землі в задачах природокористування: моногр. ; за ред. В.І. Лялько, М.О. Попова. - К. : Наук. думка, 2016. - 360 с.

Размещено на Allbest.ru