Использование дронов для радиологического обследования территорий

Радиологическое обследование территорий особенно важно для Украины, где вопрос радиационного загрязнения земель, их обследования, инвентаризации и контроля не теряет актуальности. А оперативное обследование после чрезвычайных ситуаций требует скорейшего сбора информации и максимальной безопасности для персонала.

Для проведения любых мероприятий на подобных территориях необходимо проводить обследования, целью которых является определение удельной активности (содержимого опасных радиоактивных веществ на определенном участке).

В этом юзкейсе мы определяли содержание изотопа Цезия -137 (137Cs). Такие исследования состоят из двух частей: отбор образцов вещества (почвы) на радиологический анализ и измерение мощности экспозиционной дозы (МЭД).

По результатам этих двух измерений производят интерполяцию и построение карт-схем загрязнения. Измерение концентрации производится в Беккерелях (Бк), что соответствует одному распаду в секунду, МЭД – в микрозивертах. Среднее значение МЭД по Киеву – 0,12-0,17 микрозивертов/час.

Для картографирования МЭД необходимо выполнить радиометрическую съемку. Именно эта операция наиболее проблематична из-за неоднородности, труднодоступности рельефа и угрозы здоровью персонала.

Классическая радиометрическая съемка может быть пешеходной, автомобильной и воздушной (с использованием самолетов или вертолетов) [1],[2].

Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки.

  • Выполнение автомобильной съемки включает значительные площади, но ограничено дорогами и проходимостью авто.
  • Авиационная съемка очень затратная и из-за значительной высоты имеет небольшую точность и значительное осреднение.
  • Пешеходная съемка достаточно точная и малозатратная, но ее проведение не всегда возможно из-за труднодоступности территорий или вреда для здоровья людей. Несмотря на это, сейчас пешеходная съемка является самой популярной в Украине.

И здесь на помощь приходят работы — при незначительной цене дроны способны переносить измерительную аппаратуру в заданные точки по маршруту на сверхнизкой высоте, не подвергая опасности оператора, и таким образом формируют новый метод радиометрической съемки — с использованием БПЛА (беспилотный летательный аппарат).

Использование дронов не является новым в области измерения показателей состояния окружающей среды [3], [4], [5], но обычно это сложные в использовании системы. Итак, представляем наш первый опыт работы с простым и безопасным промышленным дроном Matrice 300RTK в сочетании с дозиметром-радиометром РКС-01 от украинского производителя Ecotest.

Цель

Проверить возможность или эффективность использования промышленных дронов для радиационного картографирования радиационно загрязненных территорий.

Оборудование: Matrice 300RTK, Ecotest РКС-01, EcoFlow Delta
Программные приложения: DJ Pilot, Ecotest, QGIS

Ход работы

Планирование

Для проверки эффективности и корректности картографирования с помощью дрона мы выбрали бывшее пахотное поле возле с. Раговка, выведенное из сельскохозяйственного использования. В настоящее время оно входит в Чернобыльский радиационно-экологический биосферный заповедник.

Общий вид тестового участка

На этом поле несколько лет назад проводилась наземная радиологическая съемка и были отобраны 43 пробы для радионуклидного анализа. Все измерения проводились в лаборатории украинского научно-исследовательского института сельскохозяйственной радиологии НУБиП. Параметры для тестирования: высота сканирования (полета дрона) – 5 м над земной поверхностью, пролет по сетке (гауссам) с расстоянием между пролетами – 50 м, скорость движения – 1,5-2 м/с, интервал измерения радиометра – 10 с.

Полевая работа

Использование беспилотного оборудования Matrice 300RTK в реальных условиях сразу показало преимущества – в работе системы безопасности сенсоров и процедур предупреждения помех. На этапе планирования по имеющимся спутниковым снимкам не было замечено значительных препятствий, однако при проведении работ на поле были обнаружены одиночные деревья высотой более 12 м. Системы летательного аппарата идентифицировали их и вовремя останавливали дрон. После автоматического обхода препятствий миссия продолжилась.

На сегодняшний день модель Matrice 300RTK оснащена передовой системой безопасности полета, что делает данный квадрокоптер лидером в своем сегменте.

Схема маршрута перед запуском миссии

Процесс съемки занял несколько часов вместе с монтажом дозиметра-радиометра к дрону. Значительное летное время – до 50 мин – также сыграло в пользу, поскольку дрон больше времени проводил на миссии, а не на возвращенные домой для замены батареи.

Запись координат и значений измерения производилась с помощью GPS-приемника.

Предполетная настройка оборудования перед вылетом

Использование системы автономного энергообеспечения EcoFlow Delta позволило зарядить комплект батарей для Matrice 300 RTK всего за 40 мин, на что способен не каждый генератор, а инверторы не могут выдавать такую мощность в поле. Благодаря этому удалось полностью выполнить план и даже совершить дополнительные пролеты над интересующей нас территорией.

Ecoflow DELTA в процессе начала зарядки батарей

Обработка результатов

Результаты измерений с дозиметра были загружены и преобразованы через комплектное приложение Ecotest.
Дальнейший анализ и интерполяция выполнялись в ПО QGIS.

При выполнении анализа были отсеяны ложные и лишние точки, в результате чего на заданном тестовом участке было получено:

  • 31 точка отбора образцов грунта для детального радиологического анализа, определение активности цезия-137
  • 489 точек измерения пешеходной съемкой
  • 927 точек измерения авиационной съемкой

Положение всех точек на местности можно рассмотреть на схеме ниже: белые точки – соответствующие места измерения МЭД, синие – точки отбора образцов почвы.

Пешеходная съемка

Воздушная съемка

По приведенным на схеме данным видно, что плотность точек, полученных дроном, выше, а сам маршрут более однородный по сравнению с пешеходной съемкой. Это связано с использованием автопилота и предварительно заданной программы полета. Кроме этого, скорость перемещения дрона более равномерна, поскольку не коррелирует с подстилающей поверхностью и растительностью, что непосредственно влияет на проведение пешеходной съемки.

По данным пешеходной и воздушной съемки МЭД провели гео аппроксимацию (построение карт распределения МЭД и плотности загрязнения почвы 137Cs). Построение карт, или интерполяция, проводилосьсь в ПО QGiS методом ординарного и регрессионного Kriginga — данные механизмы (уравнения) интерполяции выбраны учеными как оптимальные после ряда исследований. Ниже на рисунках приведены оценки распределения МЭД (пешеходная и воздушная съемка соответственно).

Пешеходная съемка

Воздушная съемка

По имеющимся результатам плотности загрязнения почвы 137Cs и величине МЭД в местах отбора были рассчитаны соотношения МЭД к плотности загрязнения цезием, характерные именно для этой тестовой площадки по состоянию на 2021 год. Использование этих соотношений позволило построить карты загрязнения площадки 137Cs. Соответствующие карты отображаются ниже (пешеходная и воздушная съемка соответственно).

Пешеходная съемка

Воздушная съемка

Анализ полученных результатов

Любая работа, а тем более сравнение разных методов, требует, кроме сбора материала, еще и анализа отличий. Научные сотрудники провели анализ полученных карт распределения и определили следующие показатели:

Среднее геометрическое (медиана) МЭД на тестовой площадке на 2021 год составляет по результатам:

пешеходной съемки 0.19 мкЗв/ч при среднем геометрическом отклонении 1.19,
воздушной съемки 0.21 мкЗв/ч при среднем геометрическом отклонении 1.21.

Средняя геометрическая плотность загрязнения почвы 137Cs:

пешеходной съемки 114.4 кБк/м2 при среднем геометрическом отклонении 1.26,
воздушной съемки 115.6 кБк/м2 при среднем геометрическом отклонении 1.38.

Следовательно, при определении плотности загрязнения почвы 137Cs, результаты на основе пешеходной съемки МЭД и воздушной съемки МЭД на тестовой площадке статистически не отличаются.

Выводы

Поскольку из вышеизложенного статистически результаты пешеходной и дроновой съемки не отличаются, можно сделать вывод о пригодности дронов для радиологического обследования территорий. Большим преимуществом являются несколько факторов:

  • дроны не привязываются к дорогам, как, например, при автомобильной съемке
  • дроны не чувствительны к типу местности, могут работать даже на сложном рельефе или болотистой местности
  • в отличие от пилотируемой авиации, могут работать на сверхнизких высотах
  • персонал управляет с безопасного места и не подвергает риску здоровье
  • эффективное покрытие со стабильного расстояния между измерениями

Использование именно промышленного дрона Matrice 300RTK, с достаточной грузоподъемностью, кучей систем безопасности и простотой пользования, позволяет выполнять такие задачи. Использование подобной системы чрезвычайно эффективно при измерениях труднодоступных мест, территорий с неизвестной активностью, особенно после чрезвычайных ситуаций радиоактивного характера, или территорий, пребывание в которых вредно для персонала.

Радиометрическая съемка с помощью дронов показывает большую эффективность и при всех вышеприведенных преимуществах позволяет установить более тяжелые и чувствительные измерительные системы, что только улучшит результат.

[1]. Кузнецов О.Л., Поляченко А.Л. Разведочная ядерная геофизика. Справочник геофизика.– М.: Недра, 1986.–432с.
[2]. Ларионов В.В., Резанов Р.А. Ядерная геофизика и радиометрическая разведка.– М.: Недра, 1988.–325 с.
[3]. Burtniak V., Z|abulonov Y., Stokolos M., Bulavin L., Krasnoholovetsc V.
Application of a territorial remote radiation monitoring system at the Chornobyl nuclear accident site // J. Appl. Remote Sens. 12(4),046007,(2018), doi: 10.1117/1.JRS.12.046007.
[4]. Connor D. T., Wood K., Martin P. G., Goren S., Megson-Smith D., Verbelen Y., Chyzhevskyi I., Kirieiev S., Smith N. T., Richardson T., B. Scott T. Radiological Mapping of Post-Disaster Nuclear Environments Using Fixed-Wing Unmanned Aerial Systems: A Study From Chornobyl // Frontiers in Robotics and AI , 2020, V.6 . —  Р. 1-14, www.frontiersin.org
[5]. Briechlea S., Molitorb N., Krzysteka P., Vosselmanc G. Detection of radioactive waste sites in the Chornobyl exclusion zone using UAV-based lidar data and multispectral imagery// Journal of  Photogrammetry and Remote Sensing, 167(2020). — Р. 345-362.

DroneUA — это международный системный интегратор беспилотных решений. В структуре компании функционируют собственные инженерные и производственные подразделения, открыт центр по обработке данных. DroneUA – дистрибьютор коммерческих и промышленных решений компании XAG, DJI, Parrot, Flyability, Chasing, Kandao дистрибьютор программного обеспечения Drone Deploy и Pix4D на территории Восточной Европы и Кавказа.

Группа компаний ведет свою деятельность в сферах энергетики и нефтегазовой промышленности, а также в сферах геодезии и топографии. Основными направлениями работы DroneUA являются разработка и внедрение отраслевых решений, основанных на технологии дронов, предоставление услуг с использованием БПЛА, а также обработка получаемых с помощью беспилотников данных. Технологии DroneUA используются на более чем 4 млн гектаров посевных площадей Украины.

Группа компаний DroneUA является ТОП 3 наиболее инновационным предприятием в сельскохозяйственном секторе Украины по версии издания FORBES. И входит в перечень ТОП 20 самых инновационных предприятий Украины.