Drony wielozadaniowe

Zanim w lesie wybuchnie pożar, pojawiają się sygnały ostrzegawcze. Nie wszystkie możemy dostrzec z ziemi własnymi oczami. Pewne zjawiska są lepiej widoczne z lotu ptaka, zwłaszcza takiego, który rejestruje promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie 400-1000 nm (bliska podczerwień) lub wyższym (podczerwień termalna), podczas gdy ludzie widzą tylko zakres od 400 do 700 nm. Dzięki wyposażonym w odpowiednią kamerę Bezzałogowym Statkom Powietrznym (BSP), czyli popularnym dronom, można zauważyć nie tylko pierwsze niepozorne smugi dymu, lecz także sprawdzić, w których miejscach lasu roślinność jest przesuszona. Małe bezzałogowe statki powietrzne to urządzenia bardzo przydatne do prowadzenia innowacyjnych badań naukowych, zwłaszcza jeśli działają w komplecie z odpowiednim sprzętem optycznym i oprogramowaniem. Naukowcy z SGGW mają wiele pomysłów na ich praktyczne zastosowanie w rolnictwie, leśnictwie, ochronie środowiska i budownictwie.

Zobaczyć niewidzialne

Drony najczęściej używane są do fotografowania niewielkich obszarów.  Montując do nich kamerę rejestrującą promieniowanie w paśmie podczerwieni termalnej, można na przykład monitorować zwierzęta – sprawdzać ich liczebność. Z kolei zwykłą kamerą rejestrującą pasmo widzialne da się zarejestrować wyrządzone przez nie szkody na polach uprawnych. Jeśli jednak do tego samego dronu podłączymy kamerę rejestrująca pasma w zakresie bliskiej podczerwieni lub wspomnianej wcześniej podczerwieni termalnej, otrzymamy obrazy, których nie jesteśmy w stanie zaobserwować gołym okiem.

Za pomocą drona można na przykład wyznaczać mapę wskaźnika opisującego stan zdrowotny roślin - NDVI (Normalised Differential Vegetation Index) - na obszarach trudnodostępnych takich jak bagna i mokradła. Zastosowanie kamery termalnej, wielo- lub hiperspektralnej umożliwia dostrzeżenie niepokojących sygnałów znacznie wcześniej niż będą one widoczne gołym okiem. Daje to szansę na odpowiednio szybkie podjęcie działań mających na celu ochronę danego terenu (np. siedlisk chronionych, roślin i zwierząt) przed niekorzystnymi zmianami. W tego typu badaniach nowoczesny sprzęt to jednak za mało.

Za pomocą kamery termalnej możemy odczytać temperaturę powierzchniową roślin. Wiadomo, że w przypadku ich przesuszenia temperatura będzie wyższa, temperatury niskie świadczą o niezaburzonych procesach życiowych. Dane uzyskane z nowoczesnych urządzeń trzeba jeszcze właściwie odczytać. Z tego powodu naukowcy z Wydziału Budownictwa i Inżynierii Środowiska SGGW prowadzą badania mające na celu znalezienie zależności między stanem ekologicznym roślin a temperaturą zarejestrowaną przez urządzenia umieszczone na dronie. Dr hab.  Jarosław Chormański, prof. ndzw SGGW z zespołem prowadzi projekty badawcze mające m.in. na celu tworzenie algorytmów i systemów opisujących tę relację przestrzennie. Obliczanie NDVI, czyli znormalizowanego wskaźnika kondycji roślin, może zostać zastosowane także w rolnictwie i leśnictwie. Na tej podstawie można utworzyć bardzo dokładne ortofotomapy pozwalające ocenić przestrzenną zmienność wysokości plonów, efektywności nawożenia, stan leśnej roślinności, a także prowadzić monitoring przeciwpożarowy. Odpowiednio oprzyrządowane drony mogą znaleźć także zastosowanie w budownictwie, np. do kolekcji danych dla BIM, sprawdzania dokładności wykonania projektu lub oceny termicznej budynku. „Zdjęcia z dronów są znacznie dokładniejsze przestrzennie niż te wykonywane z samolotów. Kluczowy jest tu przede wszystkim niski pułap lotu, co przekłada się na lepszą rozdzielczość przestrzenną obrazów. Samolot poza tym, że musi latać wyżej, jest też znacznie droższy i wymaga dużo więcej działań logistycznych, takich jak np. uzyskanie pozwolenia na korzystanie z lotniska. Przewaga dronów dotyczy przede wszystkim badań prowadzonych na stosunkowo niewielkich obszarach, prowadzonych przez dłuższy czas w tym samym miejscu lub wymagających wysokiej, centymetrowej dokładności uzyskiwanego obrazu” – mówi dr hab. Jarosław Chormański. Naukowcom z SGGW dzięki dronom udało się już zrealizować kilka ciekawych projektów. Największy z nich to projekt HABITARS, w którym z wykorzystaniem BSP prowadzone są badania ekosystemów nad Biebrzą, Uroczyskach Drawskich i w Lasach Janowskich. Dobrym przykładem wykorzystania dronów są  projekty HIWET oraz InterWetEco, poświęcone obliczaniu parowania. Drony wykorzystywane są do oceny jakości wody w starorzeczach Biebrzy, badania przebiegu linii brzegowej Biebrzy, monitoringu zasięgu podtopień w Kampinoskim Parku Narodowym. Znaczna część tych prac wykonana jest przy użyciu dronu wyposażonego w kamerę na podczerwień termalną lub rejestrującą zakres bliskiej podczerwieni. Bez tego narzędzia przeprowadzenie prac badawczych byłoby bardzo trudne lub wręcz niemożliwe. Monitorowany teren położony jest w obszarze Natura 2000, czyli tam gdzie często wstęp człowieka jest niepożądany. Jednak nawet pomijając kwestię ochrony przyrody, często obejście rzeki dookoła jest fizycznie niemożliwe lub czasochłonne.

W najbliższym czasie pracownicy naukowi Wydziału Budownictwa i Inżynierii Środowiska przy użyciu dronów będą sprawdzać poziom zabezpieczenia góry śmieciowej w Mościskach, która obecnie jest niemal w całości zrekultywowana. Pomiary mające na celu wykrycie ewentualnych ulatniających się gazów zaplanowane są na porę zimową.

Żelazne ptaki pilnują lasu

Drony znajdują coraz więcej praktycznych zastosowań w pracy leśników. Naukowcy z wydziału Leśnego SGGW prowadzą wiele prac badawczych mających na celu stworzenie funkcjonalnych narzędzi przydatnych do liczenia i obserwacji zwierząt, aktualizacji leśnej mapy numerycznej czy badania zdrowotności lasu, chociażby pod kątem owadów atakujących drzewa. Przy użyciu dronów w dosyć łatwy sposób możemy określić zasięg żerującego i niszczącego drzewostany szkodnika np. chrząszcza majowego. Dzięki temu dokładnie wiemy, gdzie i kiedy wykonać zabiegi zwalczające potencjalnego, szkodliwego owada. W tego typu przypadkach drony są niezastąpionym narzędziem do pracy. Mają one zdecydowanie niższy niż samoloty pułap lotu, inną specyfikę lotu. Dzięki temu możemy zarejestrować to, czego nie jesteśmy w stanie dostrzec ani z ziemi, ani z załogowego statku powietrznego. Mam nadzieję, że za 5-10 lat drony będą podstawowym narzędziem pracy leśników. Pozwoli im zaoszczędzić wiele czasu m.in. przy aktualizacji leśnej mapy numerycznej. Obecnie jest to stosunkowo nowa i droga technologia, ale z upływem czasu ta sytuacja na pewno będzie się zmieniała. Poza tym trzeba te narzędzia dopracować oraz zintegrować z innymi systemami. Nawet najlepsze drony z najnowocześniejszymi przyrządami optycznymi wymagają odpowiedniego oprogramowania, umiejętności odpowiedniego przetwarzania i odczytywania zebranych obrazów. Obecnie na naszym wydziale powstaje kilka prac magisterskich i doktorskich na temat praktycznego wykorzystania dronów w pracy leśnika – mówi mgr inż. Paweł Szymański z Samodzielnego Zakładu Geomatyki i Gospodarki Przestrzennej Wydziału Leśnego SGGW.

Opracowała: Anna Ziółkowska