Тема магістерської дисертації є актуальною у зв’язку з серйозністю сучасних екологічних викликів та технологічних процесів у сфері моніторингу мікроклімату довкілля. Інтенсифікація антропогенного впливу, зміна клімату та збільшення частоти природних і техногенних надзвичайних ситуацій вимагають зовсім нових підходів до моніторингу. Методи, які вже давно існують, такі як мережа стаціонарних постів або супутникове дистанційне зондування, мають значні обмеження. Наприклад, перші забезпечують лише точкові вимірювання, в той час, як другі часто страждають від недостатньої просторової роздільної здатності, високої вартості та залежності від атмосферних умов.
У даному контексті використання безпілотних літальних апаратів (БПЛА) відкриває нові можливості для моніторингу навколишнього середовища. БПЛА поєднують у собі високу мобільність, здатність отримувати дані з надзвичайно високою роздільною здатністю та працювати в режимі реального часу на важкодоступних або небезпечних територіях. Проте, ефективне використання технології БПЛА неможливе без подолання головного обмеження – рутинної та трудомісткої обробки величезних обсягів зібраної інформації.
Саме тому, розробка цілісної автоматизованої системи, яка інтегрує планування місій, збір даних та їх подальший інтелектуальний аналіз з використанням сучасних алгоритмів, має виняткове наукове та практичне значення. Така система дозволяє перейти від пасивної фіксації параметрів до надзвичайно активного управління екологічною безпекою, що повністю відповідає концепції «розумного середовища» та завданням сталого розвитку цифрової економіки. Реалізація цього завдання не тільки підвищить ефективність заходів з охорони навколишнього середовища, а й виведе на новий рівень якість прийняття управлінських рішень.
Мета і задачі дослідження
Мета дослідження – розробити автоматизовану систему моніторингу навколишнього середовища на основі безпілотних літальних апаратів(БПЛА) для підвищення ефективності збору та аналізу екологічних даних.
Основні завдання:
1) Проаналізувати існуючі методи, засоби моніторингу та апаратні та програмні рішення(БПЛА, датчики, програмне забезпечення), визнавши їх переваги та недоліки.
2) Обґрунтувати та обрати апаратні та програмні компоненти для системи.
3) Розробити архітектуру автоматизованої системи, включаючи підсистеми планування польотів, збору, обробки та аналізу даних.
4) Розробити або адаптувати алгоритми для автоматизованого аналізу даних(виявлення забруднення, оцінка рослинності, побудова 3D-моделей).
5) Впровадити методи зв’язування геопросторових даних.
6) Провести експериментальне тестування системи, оцінити її ефективність за критеріями точності ,швидкості та енергоефективності.
Об’єкт дослідження – процес збору та аналізу параметрів довкілля автоматизованою системою з використанням безпілотного літального апарата та датчиків на борту для контролю і обробки отриманих даних.
Предмет дослідження – система для моніторингу за допомогою безпілотного літального апарата.
Методи дослідження
У роботі використовувався набір методів, які можна об’єднати в групи:
1) Теоретичні та аналітичні:
• Аналіз, синтез та системний підхід до вивчення існуючих рішень, формування мети та архітектури системи.
• Математичне моделювання для опису процесів збору, передачі та обробки даних.
2) Емпіричні (експериментальні):
• Повномасштабний експеримент, спостереження та вимірювання для тестування системи в реальних умовах та збору первинних даних за допомогою датчиків БПЛА.
3) Методи обробки та аналізу даних:
• Методи географічної інформації (ГІС): для просторової орієнтації, візуалізації та картографування.
• Методи дистанційного зондування та фотограмметрії: для створення ортофотокарт, 3D-моделей рельєфу та інших продуктів на основі зображень.
• Статистичний аналіз: для виявлення закономірностей та оцінки надійності результатів.
• Цифрова фільтрація: для усунення шуму та помилок в вихідних даних.
• Методи машинного навчання та комп'ютерного зору (нейронні мережі): для автоматичної класифікації об'єктів, виявлення аномалій та розпізнавання закономірностей.
Наукова новизна роботи полягає в наступному:
1. Запропоновано вдосконалену архітектуру автоматизованої системи моніторингу на основі БПЛА. Її основною відмінністю є комплексна інтеграція підсистем планування польотів, збору даних з різних типів датчиків та їх аналізу в режимі, близькому до реального часу, в єдиному комплексі.
2. Методологія цифрової обробки сигналів вдосконалена, запропоновано підхід до автоматичної оцінки якості даних з використанням адаптивних фільтрів, що забезпечило підвищення точності вимірювань параметрів навколишнього середовища.
3. Розроблено алгоритм інтеграції даних з різних сенсорних модулів з геопросторовими координатами, що дозволило створити більш точні картографічні моделі стану навколишнього середовища.
Практичне значення результатів дисертації
Практичне значення дослідження полягає в тому, що розроблена автоматизована система може бути використана як ефективний інструмент для моніторингу навколишнього середовища. Використання безпілотного літального апарата забезпечує своєчасний збір даних про стан повітря, ґрунту та водних об'єктів, що дозволяє своєчасно виявляти зміни екологічних параметрів, зони забруднення або можливі незаконні скиди відходів.
Система також може бути використана для оцінки стану сільськогосподарських угідь та підтримки прийняття рішень у сфері охорони навколишнього середовища та раціонального використання природи. Використання таких технологій допомагає зменшити витрати на польові дослідження, підвищити точність просторового аналізу та ефективність отримання результатів.
Результати, отримані в рамках дисертації, можуть бути впроваджені в роботу науково-дослідних організацій, державних екологічних структур, а також у комерційні проекти, пов'язані з аероекологічним моніторингом. Це підтверджує практичну цінність розробки та її перспективи для подальшого використання та розвитку.
Керівник: доц., к.т.н. Богдан Г.А.
