Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,570

МЕТОДИКА СБОРА И ПРЕДСТАВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ ВИДЕОСЪЁМКИ ПОВЕРХНОСТИ ДНА С ПОМОЩЬЮ НЕОБИТАЕМОГО ПОДВОДНОГО БУКСИРУЕМОГО АППАРАТА «ВИДЕОМОДУЛЬ»

Пронин А.А. 1
1 Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
Рассмотрен вопрос сбора и представления материалов подводной видеосъёмки дна при океанологических исследованиях с помощью необитаемых подводных буксируемых аппаратов. Предложено деление вспомогательных данных, необходимых для камеральной обработки видеоматериалов, на смысловые «блоки», в зависимости от их значимости для интерпретации данных. Выделены «блоки» абсолютно необходимых и желательных данных, обосновано их разделение в разных районах Российской Арктики. Описана реализация такого подхода при получении данных для целей количественного учета пространственного распределения бентоса в арктических экосистемах. Приведены примеры использования данной методики в экспедиционных исследованиях 2015–2017 годов в 63, 66 и 69 рейсах научно-исследовательского судна «Академик Мстислав Келдыш» в морях – Карском, Лаптевых и Восточно-Сибирском, с помощью необитаемого подводного буксируемого аппарата «Видеомодуль».
подводные аппараты
видеосъёмка дна
экосистемы Арктики
количественный учет бентоса
морские экспедиционные исследования
1. Зенкевич Н.Л. Фотокамеры для съёмки дна на больших глубинах / Зенкевич Н.Л. // Тр. Института океанологии АН СССР. – 1960. – Т. XLIV. – С. 66–80.
2. Марков Ю.Д., Можеровский А.В., Ващенкова Н.Г. Металлоносные осадки активной зоны рифта восточно-тихоокеанского поднятия / Ю.Д. Марков, А.В. Можеровский, Н.Г. Ващенков // Тихоокеанская геология. – 2004. – Т. 23, № 5. – С. 40–53.
3. Флинт М.В., Римский-Корсаков Н.А., Поярков С.Г. Экосистемы Российской Арктики – 2015 (63 рейс научно – исследовательского судна «Академик Мстислав Келдыш») / М.В. Флинт, Н.А. Римский – Корсаков, С.Г. Поярков // Океанология. – 2016. – Т. 56, № 3. – С. 499–501.
4. Римский-Корсаков Н.А., Долотов Ю.С., Пронин А.А. Технические средства исследования рельефа дна и осадочной толщи эстуарных зон Белого моря / Римский-Корсаков Н.А., Долотов Ю.С., Пронин А.А. // Океанология. – 2009. – Т. 49, № 3. – С. 468–473.
5. Мокиевский В.О. Подводная видеосъёмка как метод количественного изучения бентоса // Современные методы и средства океанологических исследований: сб. ст. XIV международной научно-технической конференции « Современные методы и средства океанологических исследований (МСОИ 2015)». – Т. II. – М., 2015. – С. 311–315.
6. Исаченко А.И., Горин С.А., Цетлин А.Б. Применение фотосъемки для изучения структуры донных сообществ // Комплексные исследования ландшафтов в Белом море с применением дистанционных методов. (Труды Беломорской биостанции МГУ, Т. 11). – М., 2012. – С. 88–103.
7. Шашков А.Л., Оленин С.Н. Применение дистанционной подводной видеосъемки для количественного анализа признаков донных биотопов и их идентификация // Комплексные исследования ландшафтов в Белом море с применением дистанционных методов. (Труды Беломорской биостанции МГУ – Т. 11). – М., 2012. – С. 64–73.
8. Jose Nuno Gomes-Pereira, Vincent Auger et. al. Current and future trends in marine image annotatnion software// Progress in Oceanography. – 2016. – v.149. – Р. 106–120.
9. Казеннов А.Ю., Нерсесов Б.А., Римский-Корсаков Н.А. Исследование подводных потенциально опасных объектов в Карском море: монография. – М.: ФГБНУ «Аналитический центр» Минобрнауки России. – 2017. – С. 274.

В различных областях океанологии при проведении исследований дна нашла широкое применение фото, а позже видеосъёмка. Анализ визуальных изображений поверхности дна используется в геологических, геоморфологических, эколого-биологических и даже гидрофизических исследованиях. В СССР начало широкому применению подводной и глубоководной фотосъемки для научных исследований положил сотрудник Института океанологии им. П.П. Ширшова Никита Львович Зенкевич [1]. Им получены более четырёх тысяч фотографий дна, в том числе в глубоководных желобах, на глубинах более 7 км. Конструкция фотоустановки Н.Л. Зенкевича оказалась настолько удачной, что применялась даже в начале XXI века [2]. Фотографии, полученные им и его сотрудниками, использовались в исследованиях Н.А. Айбулатова, В.Г. Богорова, А.В. Живаго, Л.И. Москалева, Г.Б. Удинцева и др. Основные требования к набору дополнительных данных, необходимых для полноценной научной интерпретации изображений дна, определились в самом начале применения подводной фотосъёмки. Развитие современных технологий позволяет расширить круг параметров, который фиксируется при производстве подводной видеосъёмки, организовать более удобный доступ исследователя к различной вспомогательной информации, характеризующей материалы видеосъёмки дна.

Для маршрутных глубоководных видео наблюдений в ИОРАН разработан буксируемый необитаемый подводный аппарат (БНПА) «Видеомодуль», который уже на протяжении 3 лет, совершенствуясь, эксплуатируется в Арктических экспедициях. В 2015 г, в 63 рейсе научно-исследовательского судна (НИС) «Академик Мстислав Келдыш» началось использование БНПА «Видеомодуль» для изучения экосистем донных сообществ Карского моря, прежде всего количественной оценки пространственного распределения представителей донной фауны [3].

БНПА представляет собой пространственную раму из нержавеющей стали, внутри которой на кронштейнах закреплены прочные корпуса с электронным оборудованием, элементами питания и видеокамерами, а также установлены гидрофизический зонд SBE и подводный гамма-спектрометр РЭМ-26. Корпуса соединены между собой подводными кабелями с герметичными электрическими разъемами. Рама имеет узел регулируемой подвески БНПА к кабель-тросу и 12 грузов для его устойчивого заглубления и балансировки по дифференту. Фотография аппарата приведена на рис. 1, основные технические характеристики – в таблице. Буксируемый носитель связан с судном-носителем с помощью кабель-троса с волоконно-оптической линией связи (ВОЛС). В свою очередь, на судне находится лебедка с вращающимся оптическим переходом и аппаратура управления, контроля и сбора данных, поступающих от погружного блока и других судовых систем (навигации, эхолота и т.п.). Использование оптического волокна обеспечивает абсолютную защищенность линии связи от электромагнитных, электростатических помех и атмосферного электричества, позволяет передавать значительно больший объём информации на большие расстояния.

При проектировании и изготовлении НПБА «Видеомодуль» потребовалось выявление перечня параметров, которые, кроме непосредственно видеозаписи дна, необходимо фиксировать при производстве подводной видеосъёмки, чтобы полученные данные удовлетворяли современным требованиям, предъявляемым к видеоматериалам, используемым для количественного анализа пространственного распределения различных представителей донных сообществ. На основе опыта, имеющегося в ИО РАН [4], публикаций в российской [5–7] и иностранной [8] печати, консультаций с специалистами был определен перечень параметров, необходимых для интерпретации материалов подводной видеосъёмки, используемых при биолого-экологических исследованиях. В качестве этих параметров были выбраны:

– координаты (широта. долгота и глубина);

– масштаб изображения (высота камеры над грунтом);

– ориентация видеокадра по сторонам света (курс движения буксируемого тела НПБА);

– гидрофизические параметры (температура и соленость);

– углы наклона снимка относительно вертикали;

– специальные параметры (например, данные гамма-спектрометра, что может быть актуально при работах в некоторых заливах Новой Земли [9]).

Кроме параметров, относящихся непосредственно к отдельному снимку, необходимо знать плановое и высотное положение трансекты, профиль гидрофизических параметров (температура, соленость) по разрезу.

Выбранные параметры можно разделить по следующим критериям: однозначно необходимые и те, которые могут повысить качество и удобство интерпретации подводной видеосъёмки, но в случае больших технических сложностей при их реализации от их фиксации можно отказаться. К первым, безусловно, относятся координаты и глубина съёмки, масштаб изображения. С другой стороны, можно разделить параметры на те, которые необходимы в реальном времени, и те, которые нужны при постобработке. Перечисление критериев, по которым делятся необходимые параметры, можно продолжить. Причем в различных условиях приоритет этих критериев может меняться. Поэтому было принято решение о блочном представлении данных, получаемых с помощью НПБА «Видеомодуль». В первый блок входят видеозаписи трёх камер – высокого разрешения, обзорной и перспективной в стандартных форматах видеозаписи. Видеокамера высокого разрешения выполняет плановую съёмку и по её данным проводятся количественные определения (измерение) размеров представителей донной фауны. Две другие в основном служат для пилотирования подводного аппарата, и их данные могут служить дополнением к видеозаписи основной камеры в случае необходимости. Во второй блок входят навигационные данные о местоположении судна, глубине места, курсе и углах наклона буксируемого тела. В третий – данные гидрофизического зонда, установленного на подводном аппарате. В последующие блоки входит информация о наклонных дальностях до аппарата, данные гамма-спектрометра и т.д. Количество блоков не ограничено и может увеличиваться при необходимости. В ряде случаев выявленные параметры потребовали изменения аппаратной части подводного аппарата и установки дополнительных функциональных блоков. В процессе эксплуатации НПБА «Видеомодуль» также вносились необходимые изменения в систему сбора и представления данных и в ее аппаратное обеспечение.

pron1.tif

Рис. 1. БНПА «Видеомодуль»

Основные технические характеристики

п/п

Характеристика

Значение

1

Масса, кг

550

2

Габариты, м

2.1 х 1.0 х 0.7

3

Максимальная рабочая глубина, м

6000

4

Тип буксирной линии

Кабель-трос КГ1х3Е-70-60-3

5

Информационный канал связи

Оптическое волокно (3)

6

Информационный интерфейс

RS232

7

Энергосистема

Бортовая аккумуляторная батарея

8

Напряжение/емкость батареи В/Ачас

12/50

9

Автономность не менее, час

2

10

Телекамера 1

Цв. цифровая IP HD BeWard BD3270Z

11

Телекамера 2

Цв. аналоговая Pal EC-007A

12

Телекамера 3

Цв. комбинированная HD XiaomiYi

13

Источник заливающего света (ИЗС)

Светодиодная матрица Epistar XY-J45

14

Максимальная электрическая мощность ИЗС, Вт

180 = (30*6шт)

15

CTD-зонд

SBE 19plus

16

Датчик глубомера

MLH 08KPSB01A Honeywell

17

Гамма-спектрометр

РЭМ-26

18

Система оптического масштабирования

М65051 US-Lasers

 

В настоящее время, по результатам экспедиции 69 рейса НИС «Академик Мстислав Келдыш», проведенной в августе – октябре 2017 г., описываемая методика выглядит следующим образом. В реальном времени при буксировке «Видеомодуля» параллельно фиксируются координаты судовой и автономной антенн систем GPS-ГЛОНАСС; данные датчика давления, пересчитанные в глубину; курс, крен и дифферент НПБА (определяются с помощью электронного компаса-инклинометра Rion DCR 260B). Эти данные пишутся в протокол погружения и в специальный файл титров (рис. 2), которые, по желанию оператора, можно выводить на видеоизображения дна. Кроме этого, в отдельные файлы пишутся данные судового эхолота и гидрофизического зонда SBE-19, которые отображаются в реальном времени на отдельных мониторах. Масштаб изображения видеокадров можно определить с помощью лазерных указателей масштаба, представляющих из себя лазерные мини-модули в герметичных корпусах, размещенные на постоянной и известной базе. Таким образом, первичные данные представляют три или более блоков информации, синхронизированных по времени. Первый блок содержит данные видеокамер, второй навигационную информацию, а именно: координаты судна, глубину, на которой находится буксируемая платформа подводного аппарата, курс, крен дифферент. Третий блок содержит батиметрическую информацию, полученную с помощью судового эхолота, четвертый – гидрофизические данные. В пятом и последующих блоках представлена информация, получаемая с дополнительных устройств, например с гамма-спектрометра. Далее, данные второго блока корректируются в режиме постобработки. Вычисляются координаты положения буксируемого тела с учетом наклонной дальности, определенной по маяку-ответчику во время буксировки и офсетов антенн спутниковой навигации. Далее, вычисляются моменты времени, в которые видеокамера располагалась на заданных расстояниях от начала трансекты вдоль генерального направления маршрута. Для этих моментов производится «нарезка» видеозаписи на отдельные кадры, их масштабирование и ориентирование (разворот, чтобы при наложении на планшет север находился сверху, аналогично географической карте). Первоначально планировалось, что эти кадры будут трансформированы в соответствии с углами крена и дифферента, но практика показала, что эти углы малы и не оказывают практического влияния на метрические свойства изображения. В результате для окончательной обработки специалист получает следующие данные: видеозапись видеокамеры высокого разрешения с титрами и масштабными метками, план и профиль движения НПБА (видеокамеры) в определенном масштабе с временными отметками (рис. 3), «нарезку» кадров видеозаписи через заданный пространственный интервал, график изменения гидрофизических параметров по траектории движения подводного аппарата с привязкой по времени (рис. 4).

Используя представленные таким образом данные специалист-биолог может определять изменение количества и размеров интересующих его животных, рассчитывать площадь покрытия дна донными организмами и определять их суммарную биомассу на единицу площади. Важным условием при использовании таких определений является сопоставление данных, полученных с помощью видеосредств с данными традиционных методов применяемых в морской биологии – дночерпательными пробами и результатами лова донным тралом. Нельзя не сказать еще об одном существенном ограничении при выполнении подобных измерений по материалам видеосъёмки, которые вызваны оптическими свойствами (прежде всего прозрачностью) воды в местах производства наблюдений. В ряде случаев, например в некоторых заливах Новой Земли и приустьевых участках, прозрачность воды не позволяет обнаружить и идентифицировать на видеоматериалах мелкие организмы, что может ухудшить достоверность определений.

pron2.tif

Рис. 2. Пример видеоизображения дна, полученного НПБА «Видеомодуль» в 69 рейсе НИС «Академик Мстислав Келдыш» в Карском море с титрами (в левом нижнем углу) и масштабными метками (две красные точки в центре)

pron3.tif

Рис. 3. Пример плановой привязки видеоизображений дна, полученных НПБА «Видеомодуль» в 66 рейсе НИС «Академик Мстислав Келдыш» в Карском море

pron4.tif

Рис. 4. Аномалии температуры – солености (соответственно показаны красным и зеленым цветами) на ст. 5606, 69 рейс НИС «Академик Мстислав Келдыш», зафиксированные зондом SBE-19 при выполнении видеоразреза НПБА «Видеомодуль»

Описанная методика представления данных видеосъёмки поверхности дна использовалась в 2015–2017 годах в 63, 66 и 69 рейсах НИС «Академик Мстислав Келдыш» в Российской Арктике, где она показала свою эффективность при эколого-биологических исследованиях, в частности при определении пространственного распределения плотности расселения донных организмов.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проекты Кар_а 14-05-05001, Рго_а 13-05-41001), а также РНФ (проект 14-50-00095).

Автор выражает благодарность руководителям экспедиции – чл.-корр., д.б.н. М.В. Флинту, д.т.н. Н.А. Римскому-Корсакову, С.Г. Пояркову за помощь и поддержку, предоставление возможности участия в рейсах и выполнения работы, С.В. Галкину, В.О. Мокиевскому, А.А. Удалову, А.А. Недоспасову, Я.И. Белевитневу, И.М. Анисимову и другим коллегам, совместно с которыми проводились работы с БНПА «Видеомодуль» в Институте и экспедициях.


Библиографическая ссылка

Пронин А.А. МЕТОДИКА СБОРА И ПРЕДСТАВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ ВИДЕОСЪЁМКИ ПОВЕРХНОСТИ ДНА С ПОМОЩЬЮ НЕОБИТАЕМОГО ПОДВОДНОГО БУКСИРУЕМОГО АППАРАТА «ВИДЕОМОДУЛЬ» // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2017. – № 12-1. – С. 142-147;
URL: http://applied-research.ru/ru/article/view?id=11980 (дата обращения: 13.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074