Θερμική καταγραφή εισροής υδάτων στο τεχνητό φράγμα Ποταμών, Ρεθύμνου, με πρότυπο μη επανδρωμένο εναέριο όχημα.

Abstract

The purpose of the current dissertation is the low-cost construction of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) for the reception of remote-sensing thermal images, so that the water inflow in the artificial dam reservoirs, Potamoi, Amari, Rethymno, Crete can be located, imprinted and assessed. This flying platform has been developed aiming to make the most of innovative applications, related to the Science of the Engineer of Mineral Resources.

This study also includes the process of thermal images of the area, their geometric reductions and the creation of two mosaics, through the combination of 370 shots for the detailed mapping and imprinting, even of the unpredictable water inflows in the reservoir. Then, the image information was transformed in the local geodetic coordinate reference system, so that it could be correlated with the ground, using photostable (thermal targets) during the day of the thermal recording.

This particular thermal mapping has been selected to be conducted by means of a flying platform and thermal sensors, because the latter has an advantage over the ground and conventional remote sensing methods, for fast and more effective scanning of inaccessible areas. The applied thermal mapping imprinted temperature differences effectively (a related study was never conducted after its construction in 2009 by Organization for the Development of Western Crete) between the wet and dry soils and contributed to the clear separation of their properties and characteristics. The imprinted area is the southern side of the dam in which the main feed of the reservoirs takes place, fed by the St. Antonios gorge and the Kefalovryssa spring.

At first, the prototype unmanned aerial platform was constructed as a hexacopter. Then, the thermal sensor and the wireless transmission data system were adapted on it, with the aim to transmit image data to a ground station. The flying platform had also an autopilot system, which could lead the craft to specific waypoints through the GPS (Global Positioning System) system. The autonomy of this flying system was 10 minutes for 5.5 kg maximum takeoff weight. The flights of thermal imprinting were conducted in the area of interest by means of the autopilot system and use of remote control. The covered area was 1.200 m2 and two mosaics were created: one for the morning and one for the midday thermal recording.

Finally, after those mosaics were processed and interpreted, an unwanted water inflow in a specific position of the reservoir was detected, next to the river of the main feeding, which is a valuable source of information for the administrator of Amari dam. The flying platform will remain in the Laboratory of Geodesy and Geomatics Enigineering of the Technical University of Crete and it can become a point of reference for further development of the branch of UAVs in this University.

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο την κατασκευή μη επανδρωμένου ιπτάμενου οχήματος (Unmanned Aerial Vehicle: UAV), με χαμηλό κόστος, για τη λήψη τηλεπισκοπικών θερμικών εικόνων ώστε να εντοπισθούν, αποτυπωθούν, και αξιολογηθούν εισροές ύδατος στον ταμιευτήρα του φράγματος Αμαρίου, Ρεθύμνου, Κρήτης. Η ιπτάμενη αυτή πλατφόρμα αναπτύχθηκε με σκοπό την αξιοποίηση καινοτόμων εφαρμογών στα αντικείμενα του Μηχανικού Ορυκτών Πόρων.

Η εργασία αυτή περιλαμβάνει επίσης την επεξεργασία θερμικών εικόνων της περιοχής, τις γεωμετρικές αναγωγές τους, τη δημιουργία δύο μωσαϊκών από συνένωση 370 λήψεων για λεπτομερή χαρτογράφηση και αποτύπωση ακόμη και απρόβλεπτων εισροών ύδατος στον ταμιευτήρα. Στη συνέχεια, η πληροφορία των εικόνων μετασχηματίσθηκε στο τοπικό γεωδαιτικό σύστημα αναφοράς συντεταγμένων ώστε η ίδια να συσχετισθεί με το έδαφος, χρησιμοποιώντας φωτοσταθερά (θερμικοί στόχοι) κατά την ημέρα της θερμικής καταγραφής.

Η συγκεκριμένη θερμική χαρτογράφηση επιλέχθηκε να πραγματοποιηθεί με ιπτάμενη πλατφόρμα και θερμικούς αισθητήρες, επειδή πλεονεκτούν σε σχέση με επίγειες και συμβατικές τηλεπισκοπικές μεθόδους, για ταχεία και αποτελεσματική σάρωση δύσβατων περιοχών. Η εφαρμοσμένη θερμική χαρτογράφηση αποτύπωσε θερμοκρασιακές διαφορές αποτελεσματικά (ουδέποτε εφαρμόστηκε αντίστοιχη μελέτη μετά από την κατασκευή του το 2009 από τον Οργανισμό Ανάπτυξης Δυτικής Κρήτης) ανάμεσα σε υγρά και ξηρά εδάφη και συνετέλεσε στο να διαχωριστούν ξεκάθαρα οι ιδιότητες τους και τα χαρακτηριστικά τους. Η περιοχή που αποτυπώθηκε είναι η νότια πλευρά του φράγματος, στην οποία γίνεται η κύρια τροφοδοσία του ταμιευτήρα από το φαράγγι του Αγίου Αντωνίου και την αναβάλουσα πηγή «Κεφαλοβρύσσα».

Αρχικά, κατασκευάστηκε η πρότυπη μη επανδρωμένη ιπτάμενη πλατφόρμα, με τη μορφή εξακόπτερου. Στη συνέχεια προσαρμόστηκε πάνω της ο θερμικός αισθητήρας και το σύστημα ασύρματης μετάδοσης δεδομένων, για την αποστολή καταγραμμένων εικόνων σε σταθμό εδάφους. Η ιπτάμενη πλατφόρμα έφερε επίσης, σύστημα αυτόματης πλοήγησης, που μπορούσε να καθοδηγήσει το σκάφος σε προκαθορισμένα σημεία αναφοράς (waypoints) μέσω του συστήματος δορυφορικού εντοπισμού (Global Positioning System: GPS). Η αυτονομία του ιπτάμενου συστήματος ήταν 10 min, με μέγιστο βάρος απογείωσης τα 5,5 kg. Μέσω της αυτόματης πλοήγησης αλλά και του χειριστηρίου τηλεκατεύθυνσης, πραγματοποιήθηκαν οι πτήσεις της θερμικής αποτύπωσης στην περιοχή ενδιαφέροντος. Η έκταση που καλύφθηκε ήταν 1.200 m2 και δημιουργήθηκαν δυο μωσαϊκά: ένα για την πρωινή και ένα για την μεσημεριανή θερμική καταγραφή.

Τέλος, μετά την επεξεργασία και ερμηνεία των μωσαϊκών αυτών, ανιχνεύθηκε ανεπιθύμητη εισροή ύδατος σε συγκεκριμένη θέση του ταμιευτήρα, δίπλα από το ποτάμι της κύριας τροφοδοσίας, η οποία αποτελεί αξιοποιήσιμη πληροφορία για τον διαχειριστή του φράγματος Αμαρίου. Η ιπτάμενη πλατφόρμα θα παραμείνει στο Εργαστήριο Γεωδαισίας και Γεωπληροφορικής του Πολυτεχνείου Κρήτης και μπορεί να αποτελέσει σημείο αναφοράς για περαιτέρω εξέλιξη και εφαρμογές άλλων δραστηριοτήτων στα αντικείμενα Μηχανικών.