W ostatnich latach obserwujemy intensywny wzrost użyteczności różnego typu bezzałogowych statków powietrznych (BSP) jako narzędzi do obrazowania, monitoringu i pomiarów teledetekcyjnych z niskiego pułapu. Obszar ten jest wybitnie zdominowany przez drony, jednakże istnieją zastosowania, w których przewagę wykazać może balon. GeoBalon.
Aerostat na uwięzi jest przykładem alternatywnej platformy służącej do wynoszenia na zadany pułap urządzeń do obserwacji lub obrazowania. Możliwość szybkiego wyniesienia i umocowania w preferowanej lokalizacji stanowić może nową jakość w monitoringu obszarów wrażliwych i obszarów przygranicznych, określaniu stanu sanitarnego upraw rolnych, pomiarach dobowych zmian wilgotności lub temperatury różnego typu obiektów naziemnych, czy też obserwacji klęsk żywiołowych. Zastosowania można rozszerzyć na wiele innych obszarów, jak np. monitorowanie ruchu obiektów, czy badanie stężenia pyłów w powietrzu.
W odróżnieniu od dronów, aerostat na uwięzi nie wymaga napędu ani zasilania, dzięki czemu może pozostać w powietrzu przez właściwie dowolny czas (z wyłączeniem ekstremalnych warunków pogodowych), co umożliwia prowadzenie obserwacji wieloczasowych.
We współpracy z Instytutem Podstawowych Problemów Techniki PAN, oraz firmą ADAPTRONICA Sp. z o.o. opracowaliśmy wszechstronny system obrazowania teledetekcyjnego z wykorzystaniem ultralekkiego aerostatu na uwięzi. Aerostat tego typu pozwala wznieść się na wysokość ok. 300 metrów z maksymalnym obciążeniem 8 kg, co pozwala na wynoszenie szerokiego spektrum urządzeń obrazujących wraz z wszelkimi peryferiami i zasilaniem.
Kamera wielospektralna MicaSense Altum
MicaSense Altum to innowacyjny sensor który jest połączeniem kamery multispektralnej i termowizyjnej w jednej niewielkiej obudowie. Unikalne rozwiązanie 2w1 w postaci ultra-kompaktowej kamery umożliwia równoczesną rejestrację obrazu w pięciu kanałach: Blue, Green, Red, Red Edge, Near infrared (NIR) oraz kanał termalny (FLIR). Sensory pracują w pełni synchronicznym trybie. Pięć obiektywów o wysokiej rozdzielczości w pozwoli uzyskać szczegółowe obrazy z 4 cm pikselem terenowym (100m AGL), a także dokładne cyfrowe modele powierzchni terenu. Dołączony w zestawie panel oraz sensor kalibracyjny pozwala na precyzyjne skalibrowanie kamery, co umożliwia szczegółowe porównanie danych z nalotów wykonanych w różnych warunkach oświetleniowych.
Kamera Altum otwiera nowe możliwości dla zaawansowanych badań w dziedzinie rolnictwa i leśnictwa. Wysoka rozdzielczość przestrzenna oraz obrazowanie termalne pozwalają na obliczanie precyzyjnych wskaźników, prowadzenie szczegółowego monitoringu roślin/upraw i wykonywanie zaawansowanych analiz środowiskowych.
System obrazowania GeoBalon
System obrazowania GeoBalon to nie tylko kamera wielospektralna. Zawiera on szereg innych peryferiów gwarantujących pozyskanie jak najlepszych zobrazowań, takich jak:
- bezpieczne zasilanie bateryjne,
- ramię żyroskopowe stabilizujące horyzontalną pozycję kamery,
- sensor kalibracyjny,
- system pozycjonowania GPS z niezależną anteną,
- system sterowania i komunikacji WiFi z kamerą, zapewniający również ciągły przesył pozyskanych danych do stanowiska operatora.
Zastosowania w rolnictwie
Urządzenie jest dedykowane zastosowaniom rolniczym. Zakres bliskiej podczerwieni NIR pozwala na opracowanie map wskaźników wegetacji NDVI. Wysoce użyteczny jest także zakres spektralny z pogranicza czerwieni/podczerwieni, tzw. kanał Red Edge, pozwalający na obliczenie wskaźnika wegetacji NDRE. Światło z tego zakresu znacznie głębiej penetruje strukturę liścia niż w zakresie czerwieni. Mimo, że oba wskaźniki oblicza się w podobny sposób, NDRE jest użyteczniejszy w aspekcie całego sezonu uprawnego, gdyż obliczenia NDVI bywają nieprecyzyjne dla maksymalnej ilości chlorofilu zgromadzonego przez rośliny. Obrazowanie w bliskiej podczerwieni umożliwia również różnicowanie gatunków, wykrywanie chwastów, weryfikację stanu roślin, czy też wystąpienia szkodników.
Przy wynikowej rozdzielczości ok. 4-5 cm/piksel mapy wskaźników są bardzo szczegółowe, co pozwala na łatwą identyfikację nawet niewielkiej pojedynczej rośliny, zaś w przypadku większych krzewów i drzew, wręcz szczegółową analizę w ich obrębie. Potwierdza się tym samym bardzo duży potencjał tego narzędzia w badaniach agrarnych oraz środowiskowych.
Stosunkowo duży obszar rejestracji oraz wysoka rozdzielczość mogą predestynować GeoBalon do dziedzin takich jak np. sadownictwo i leśnictwo, gdzie prócz obrazu kondycji całego areału, zyskuje się możliwość inspekcji pojedynczego drzewa. Potwierdzają to szczegółowe mapy wskaźników wegetacji opracowane na podstawie pozyskanych danych.
Testy operacyjne
W 2022 roku przeprowadziliśmy szereg testów operacyjnych naszego systemu obrazowania na pokładzie aerostatu MoniKite opracowanego przez firmę Adaptronica. Wszystkie zakończyły się sukcesem potwierdzając jego skuteczność i wydajność (więcej…).
Monitoring termiczny dużych areałów
Poszerzając zakres obrazowania o wycinek spektrum termalnego uzyskujemy narzędzie pozwalające zmierzyć oraz zwizualizować warunki termiczne na stosunkowo dużym obszarze. Względnie stabilna pozycja aerostatu i możliwość jego kilkugodzinnego wzniosu to kluczowy atut umożliwiający pomiary wieloczasowe. Przykłady zastosowań można mnożyć:
Infrastruktura przemysłowa: monitoring terenów zakładów i kombinatów przemysłowych, elektrowni, rafinerii i innych dużych obiektów. Wykrywanie przecieków ciepła, przegrzewających się urządzeń, awarii instalacji itp., co pozwala szybko reagować na potencjalne zagrożenia i minimalizować ryzyko pożaru lub uszkodzenia sprzętu.
Energetyka: monitoring linii przesyłowych, transformatorów, stacji rozdzielczych i innych urządzeń związanych z przesyłem energii elektrycznej. Dzięki temu można wykrywać przeciążenia, zwarcia czy uszkodzenia sieci.
Fotowoltaika: inspekcje paneli na farmach fotowoltaicznych. Kamery termalne mogą wykrywać obszary o niższej wydajności, spowodowane uszkodzeniami, zanieczyszczeniami, blokowaniem światła lub innymi problemami. Dzięki temu można identyfikować uszkodzone panele, minimalizując straty wydajności i zwiększając efektywność systemu fotowoltaicznego.
Ochrona przeciwpożarowa: kamery termalne są skutecznym narzędziem do wykrywania i monitorowania pożarów na dużych obszarach, takich jak lasy, tereny wiejskie czy obszary przemysłowe. Mogą one szybko zlokalizować miejsca ognia nawet w przypadku ukrytych ognisk lub pożarów niewidocznych dla ludzkiego oka. Pozwala to na szybką reakcję i skoordynowane działania przeciwpożarowe.
Składowiska odpadów górniczych i przemysłowych: ciepło generowane przez te odpady może wskazywać na procesy dynamiczne zachodzące w składowisku. Przestrzenne monitorowanie emisji ciepła pozwala na wykrycie potencjalnych zagrożeń, takich jak samozapłon, a także na kontrolowanie procesów rewitalizacji, czy też degradacji odpadów.
Nocny monitoring video FLIR
Stabilna pozycja na stałej wysokości nad danym obszarem otwiera dla aerostatu szerokie pole zastosowań w monitoringu obronnym, ochronie granic lub obiektów szczególnie wrażliwych. Ponadto, posiada on jeszcze jedną istotną cechę, z którą dronom trudno konkurować — statek tego typu nie emituje żadnych dźwięków, będąc praktycznie bezszelestnym (przy założeniu, że lina uwięzi nie będzie emitować dźwięków w wyniku kontaktu z pokrywą roślinną).
Bazując na tym fakcie, opracowaliśmy koncepcję systemu nocnej obserwacji operacyjnej, z wykorzystaniem urządzeń obrazujących w termalnym zakresie promieniowania elektromagnetycznego zainstalowanych na aerostacie.
W kontrze do typowych kamer teledetekcyjnych rejestrujących pojedyncze obrazy, podstawą tego systemu jest kamera wideo rejestrująca obraz w zakresie podczerwieni termalnej (FLIR) wraz z funkcjonalnością ciągłego przesyłu obrazu do konsoli operatora. Kluczową cechą systemu obrazowania jest jego montaż na sterowanym, żyroskopowym ramieniu obrotowo-wychyłowym (tzw. gimbal) zapewniającym pełne pole obserwacji terenu pod statkiem.
Ponieważ system obserwacji FLIR dedykowany jest do pracy w nocy, konstrukcja aerostatu powinna być zoptymalizowana do tego zadania. Kluczowym wymogiem jest opracowanie jego powłoki z materiału o barwie czarnej oraz matowej powierzchni, minimalizującej potencjalne refleksy światła. Nie ma tu właściwie żadnych ograniczeń technologicznych, gdyż do wykonania powłoki statku użyć można folii polipropylenowej zabarwionej na dowolny kolor. Podobne własności powinna mieć również lina uwięzi aerostatu.
Po prawidłowym umieszczeniu aerostatu na zadanej pozycji nie jest wymagana żadna interwencja w jego dalsze działanie, dlatego obsługa systemu wizyjnego jest jednoosobowa. Operator ma stały podgląd obrazu z kamery. Jego zadaniem jest obserwacja terenu operacji razem z ciągłą inspekcją i weryfikacją obiektów, które mogą ukazać się w polu widzenia kamery termalnej (np. dzikie zwierzęta). Kamera jest wyposażona w obiektyw zmiennoogniskowy ułatwiający to zadanie.
GEOSYSTEMS Polska Sp. z o.o. jest członkiem konsorcjum, które realizuje projekt pt. Aerostaty adaptacyjne, rozpięte na strukturze wsporczej SDT (Self Deployable Tensegrity), jako platformy do celów wielo-tematycznego monitoringu powierzchni Ziemi (Aero-SDT), w ramach programu TANGO IV, zarządzanego przez NCBiR, TANGO-IV-C/0001/2019-00.
Partnerzy: Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN | Adaptronica Sp. z o.o.