Mapy z pingwinem w tle, czyli powrót z tarczą prof. Mirosława Rodzewicza

W Polsce nieubłaganie zbliżała się jesień, podczas gdy na biegunie południowym miał się właśnie rozpocząć krótkotrwały okres wiosennej odwilży. Na ten moment z wielką niecierpliwością czekali naukowcy, którzy z ramienia Politechniki Warszawskiej, Polskiej Akademii Nauk oraz Northern Research Institute (NORUT) z Norwegii mieli zająć się biologicznym monitoringiem i fotogrametrią obszarów zwanych Antartic Specially Protected Areas (ASPA). Realizację projektu, o którym pisaliśmy w artykule: Pingwiny na start! Profesor Mirosław Rodzewicz opowiada o przygotowaniach do lotniczej przygody przewidziano w okolicach Stacji Antarktycznej im. H. Arctowskiego na wyspie Króla Jerzego w Szetlandach Południowych. Przedsięwzięcie było możliwe dzięki pozyskaniu polsko-norweskiego grantu. Z uwagi na opóźniony termin przyznania funduszy zachodziła konieczność dostosowania harmonogramu prac przygotowawczych w kraju w taki sposób, aby z początkiem antarktycznej wiosny realizatorzy grantu wraz z samolotami bezzałogowymi przetransportowani zostali na wyspę i osiągnęli gotowość do wykonania zadania. Terminowość działań powodowana była  kalendarzem lęgowym pingwinów, których liczebność stanowiła główny cel badawczy planowanego monitoringu biologicznego.

Od lewej: M. Rodzewicz, C. Janas, A. Zmarz/ fot. Kjell Sture Johansen

Od ogółu do szczegółu

Profesor Mirosław Rodzewicz tak relacjonuje początki przygotowań: – Już jesienią 2013 roku przyznano nam grant, ale jeszcze nie przekazano pieniędzy. Mając świadomość, że do września 2014 roku musimy mieć sprzęt gotowy do wysłania statkiem na Antarktykę i że w tym czasie mamy tylko jedną zimę w kraju na testy samolotów i treningi fotogrametryczne w niskich temepraturach – rozpoczęliśmy intensywne prace niejako na kredyt – angażując początkowo własne fundusze. Wśród najważniejszych zadań wymienić należy opanowanie sposobów realizacji tras fotogrametrycznych, oprogramowanie autopilotów oraz przetestowanie aparatów fotograficznych. Zanim powstały samoloty docelowe, używaliśmy początkowo zastępczych modeli latających. Mając m.in. na celu liczenie gniazd pingwinów, dopracowywaliśmy technikę robienia zdjęć lotniczych, które musiały być wyraziste i mieć odpowiednią rozdzielczość terenową. W przygotowaniach użyliśmy płaskich makiet pingwinów rozłożonych w terenie. Lataliśmy na wysokościach z zakresu 50-300 m i badaliśmy, która z nich jest optymalna dla takiej misji. Po pierwszych próbach odrzuciliśmy aparaty kompaktowe ze względu na to, że małe rozmiary matryc optycznych, jakich się tam używa, nie zapewniają wymaganej jakości zdjęć (nawet jeśli matryce te zawierają  po więcej niż kilkanaście milionów pixeli). Trzeba było zatem zastosować aparaty z dużą matrycą i odpowiednim obiektywem (lustrzanką). Przy fotogrametrii ważne jest to, że muszą być znane współrzędne geograficzne każdego zdjęcia. Korzysta się w tym celu bądź z GPS’a zintegrowanego z aparatem lub wydobywa się te dane z logu autopilota, który ma własnego GPS’a niezbędnego do nawigacji.

Protoplastą fotogrametrycznych samolotów bezzałogowych, które wyruszyły w podbiegunową podróż był skalowany model szybowca PW-Uszatek (nazwa pochodzi od charakterystycznych końcówek skrzydeł, czyli tzw. wingletów). Model ten wykazał w testach dużą stabilność i dobre właściwości lotne. Stabilność jest cechą nadrzędną dla samolotu fotogrametrycznego. Z tego względu, w projekcie samolotu przygotowywanego na pierwszą wyprawę, wykorzystano doświadczenie nabyte w badaniach wspomnianego wyżej modelu. Przyśpieszyło to w istotny sposób realizację projektu. Nazwano go PW-ZOOM, aby nazwa kojarzyła się z fotografią. Ze względu na silne i porywiste wiatry wiejące w  Antarktyce, skupiono się na tym, aby zwiększyć zakres prędkości lotu oraz odporność na podmuchy. Ten cel osiągnięto przez dobranie odpowiedniego profilu aerodynamicznego skrzydeł, wyposażenie ich w klapy skracające rozbieg i lądowanie, oraz poprzez optymalizację parametrów projektowych (geometrycznych, masowych), jak również charakterystyk zespołu napędowego. Poza urządzeniami niezbędnymi do autonomicznego lotu i realizacji zadania fotogrametrycznego, samolot został wyposażony w spadochron, podczas gdy w newralgicznych miejscach posiadał zabezpieczenia anty-oblodzeniowe. W pracach projektowych PW-ZOOM’a, poza bohaterem wywiadu, uczestniczył zespół „MEL-owców” w osobach dr. hab. inż. T. Goetzendorf-Grabowskiego (analizy stateczności samolotu) oraz mgr. inż. J. Marianowskiego – dawnego dyplomanta prof. Rodzewicza zaangażowanego niegdyś w projekt Uszatka (dokumentacja 3D). Większość prac warsztatowych wykonali: technik J. Głuchowski oraz student MEiL – A. Tomaszewski.

Cezary Janas z samolotem treningowym X-8/fot. M. Rodzewicz

Z uwagi na skalę przedsięwzięcia jakim jest wyprawa antarktyczna i konieczność zapewnienia rezerw,  do wysłania przygotowano dwa samoloty PW-ZOOM. Mając na względzie fakt, że w warunkach polskiej zimy treningi fotogrametryczne mogły nie być wystarczające do późniejszych działań w Antarktyce, przygotowano również dwa samoloty X-8, które wcześniej służyły do treningu w kraju.

Rola treningu w tak ważnej misji jest nie do przecenienia. W toku przygotowań do wyprawy zespół prof. Rodzewicza wykonał samolotami X-8  85 lotów, w łącznym czasie 19 godzin i 40 minut, a samolotami  PW-ZOOM - 15 lotów, w czasie 6 godzin. Samoloty PW-ZOOM  pokonały w kraju trasy o łącznej długości ponad 600 km. W tym czasie sprawdzano, jak pracuje silnik, precyzyjnie dobierano nastawy autopilota oraz badano dokładność realizacji założonych tras fotogrametrycznych. Trasy takie wyznacza się się za pomocą punktów definiujących zbiór równoległych odcinków linii prostych, rozpiętych nad skanowanym terenem, po których porusza się samolot. Podczas przygotowań badano m. innymi w jaki sposób lepiej jest orientować trasy fotogrametryczne względem wiatru (tzn. wzdłuż, czy w poprzek) z uwagi na spełnienie wymagań fotogrametrycznych. – Chodzi o to, że poszczególne kadry zdjęciowe muszą zachodzić na siebie – zarówno w kierunku podłużnym, jak i poprzecznym. Do utworzenia ortofotomapy niezbędna jest odpowiednia wielkość tych zakładek. Ustalenie linii nalotu względem wiatru jest sprawą ważną, gdyż jeśli względem ziemi samolot w jedną stronę leci wolno, a w drugą szybko, to może się zdarzyć, że aparat fotograficzny nie nadąży i powstaną  „dziury”, które uniemożliwią złożenie ortofotomapy. W wyniku doświadczeń uznaliśmy, że lepsza jest orientacja trasy w poprzek wiatru (mimo, że wówczas samolot musi latać odchylony od zadanej trasy o kąt wynikający z poprawki na znoszenie przez wiatr, w rezultacie czego również kadry zdjęciowe są odchylone). Gdy samolot doleci do końca jednego odcinka linii prostej musi zrobić nawrót, aby wlecieć w kolejny odcinek. Naszym osiągnięciem jest to, że opracowaliśmy specjalną taktykę nawrotów z uwzględnieniem siły i kierunku wiatru. Opracowaliśmy również specjalne oprogramowanie do planowania tras fotogrametrycznych. Mówiąc w liczbie mnogiej mam tu na myśli zespół swych współpracowników – Jarosława Hajduka z ITWL (jednego z najbardziej doświadczonych pilotów i konstruktorów UAV, a zarazem mojego pierwszego wypromowanego magistra) oraz Dominika Głowackiego (mojego pierwszego wypromowanego doktora).

Przetarcie lodowego szlaku

Samoloty wyruszyły w podróż w połowie września 2014 r., by statkiem Polar Pioneer przebyć ponad 15 000 kilometrów. Miesiąc później, w Argentynie, na jednostkę zaokrętowała ekipa 39. Wyprawy Antarktycznej PAN. W jej skład wchodził zespół UAV, którego trzon tworzyli: prof. Mirosław Rodzewicz (MEiL PW), dr Anna Zmarz (UW, specjalistka z zakresu fotogrametrii – promotor grantu MONICA*), Cezary Janas (pracownik ITWL, a zarazem student MEiL – licencjonowany pilot UAV).  Dalsza podróż przez ocean zajęła badaczom ponad tydzień. Tak pierwsze dni wyprawy relacjonuje prof. Mirosław Rodzewicz – Po przylocie do Buenos Aires, udaliśmy się do portu w Mar del Plata, gdzie wsiedliśmy na ten sam statek, którym płynęły z Polski nasze samoloty. Stacja Arctowskiego przywitała nas widokiem latarni spowitej w gęstej mgle oraz paku lodowego u jej wybrzeża. Niekorzystne warunki pogodowe, a zwłaszcza stan morza w Zatoce Admiralicji sprawiły, iż wyładunek trwał z przerwami aż 4 doby. 24 października stawialiśmy pierwsze kroki na wyspie, a już 28.10  odbył się pierwszy lot treningowy. Jednak zanim przystąpiliśmy do prób z samolotami, przeprowadziłem eksperyment z latawcem, pod który podczepiłem aparat fotograficzny wykorzystując patent Picavet’a z 1911 r. Chciałem na samym początku sprawdzić w ten sposób turbulentność wiatrów i zobaczyć zdjęcia widoku terenu z wysoka.

PW-ZOOM na gumowym chodniku/fot. M. Rodzewicz

A jak wyglądało to w kolejnych dniach? – Do pierwszych prób fotogrametrycznych użyliśmy samolotu treningowego X-8. Staraliśmy się wykorzystywać „okna pogodowe”, które czasami były bardzo krótkie i pozwalały na wykonanie co najwyżej jednego lotu. Dr Anna Zmarz obsługiwała komputer stacji naziemnej i programowała trasę, ja wypuszczałem samolot, który pan Cezary Janas pilotował. Start samolotu wspomagany był liną gumową. Wznoszenie na pułap docelowy realizowano w ręcznym trybie sterowania, z włączoną automatyczną stabilizacją, po czym następowało przełączenie w tryb automatycznej nawigacji. Od tego momentu zaczynała się realizacja misji fotogrametrycznej. Po ukończeniu trasy samolot przylatywał nad miejsce, z którego wystartował i wchodził w zaprogramowane krążenie na zadanej wysokości. W odpowiednim momencie pilot przejmował nad nim kontrolę i lądował  w trybie  ręcznym – kontynuuje prof. Rodzewicz.

Przytyczki i potyczki  

Polem wzlotu samolotów był obszar tzw. mszarnika (rezerwatu mchów i porostów) znajdującego się obok Stacji. Jest to płaski teren, nieco większy od boiska piłkarskiego. Podczas pierwszych lotów ekipa sprawdzała m.in. zużycie paliwa, zachowanie autopilota, nawigację GPS, zasięg łączności telemetrycznej. Wbrew pozorom zima i śnieżne pokrycie były dla organizacji lotów bardzo pomocne. – Mieliśmy szczęście – mówi prof. Rodzewicz. – Dzięki temu, że antarktyczna wiosna się opóźniła i tereny w pobliżu Stacji pokryte były śniegiem, można było wykorzystać mszarnik, zamiast wyprawiać się gdzieś daleko w trudny teren. Gdyby nie było śniegu nie wolno byłoby nam tam wchodzić, gdyż przyrost roczny flory antarktycznej jest na poziomie ułamka milimetra. Z powodu spowolnionej wegetacji odcisk stopy pozostaje tam widoczny przez wiele lat!

PW-ZOOM w powietrzu/fot. Kjell Sture Johansen

Pracę zespołu UAV wspierał w Warszawie 2-osobowy sztab specjalistów (D. Głowackiego i J. Hajduka). Był on pomocny w wielu sytuacjach. Podczas pierwszych lotów okazało się na przykład, że pewne programy używane do projektowania tras fotogrametrycznych, funkcjonujące bez zarzutu na półkuli północnej, źle rysują trasy na półkuli południowej i wymagają korekt. Niezwykle przydatne okazały się zatem analizy logów autopilota, które po każdym locie przeprowadzał J. Hajduk, kontrolując w ten sposób poprawność działania i optymalizując parametry systemu automatycznej nawigacji  i stabilizacji. W rezultacie większość zaplanowanych tras fotogrametrycznych zrealizowano w sposób niemal wzorcowy.

Mało przyjemną niespodzianką, z jaką przyszło się zmierzyć, było kruszenie się na mrozie izolacji kabli elektrycznych na końcówkach, które ulegały zginaniu podczas operacji montażu/demontażu samolotu. Ze względu na brak odpowiedniego hangaru samoloty przechowywano w skrzyniach, co wymagało ich ciągłego składania i rozkładania do lotów. Zwiększało to podatność na różnego rodzaju mechaniczne uszkodzenia. Niespodzianki sprawiała również widoczność – Samolot nikł nam z oczu w ciągu kilkunastu sekund po starcie. Jedyna informacja o jego bieżącym położeniu w przestrzeni i parametrach lotu pochodziła z ekranu komputera. Musieliśmy zatem opierać się wyłącznie na  łączności telemetrycznej. Gdy samolot chował się za pasmem gór, anteny modułów telemetrycznych „przestawały się widzieć” i do stacji naziemnej nie docierały informacje z samolotu. Po prostu zanikał sygnał, co było dla nas bardzo stresujące – mówi prof. Rodzewicz.

Procedura startów samolotu PW-ZOOM była bardziej złożona niż w przypadku X-8. Samolot startował z rozkładanego na śniegu kilkumetrowego, gumowego chodnika. Rozbieg był wspomagany naciągniętą liną gumową (znacznie masywniejszą niż ta, jaką stosowano w X-8). Dr Anna Zmarz obsługiwała stację naziemną zlokalizowaną w jednym z baraków i kanałem telemetrycznym przesyłała do autopilota zaprogramowaną trasę oraz komendy startowe. Po starcie samolotu, który obsługiwany był przez męską część ekipy UAV – śledziła i w razie potrzeby korygowala przebieg misji fotogrametrycznej, przekazując na bieżąco ekipie informacje o parametrach lotu i pozycji samolotu. – Atrybutem naszego wyposażenia były specjalne słuchawki, które z jednej strony wygłuszały hałas zewnętrzny, a z drugiej umożliwiały porozumiewanie się za pośrednictwem komunikacji radiowej między członkami ekipy. Nieodzownym elementem wyposażenia stały się też okulary polaryzacyjne. Ich szkła zwiększały kontrast w polu widzenia, dzięki czemu nasza ocena odległości była dokładniejsza, a nierówności terenu stawały się bardziej widoczne – dodaje badacz.

Blisko natury

Ekipa profesora Mirosława Rodzewicza oraz ekipa norweskich partnerów grantu swoimi badaniami objęła dwa obszary: ASPA 128 oraz ASPA 151. Pingwiny zliczane były w okresie, gdy wysiadywały jaja na gniazdach. Wykorzystano do celu tego zdjęcia lotnicze wykonane z samolotu PW-ZOOM. Do tej pory liczebność pingwinów szacowano metodą tradycyjną. – Polegało to na tym, że grupa biologów udawała się w teren i przeciągała liny pomiędzy gniazdami pingwinów, które traktowano jako linie referencyjne. Następnie ze wzniesienia terenowego robiono zdjęcia, które potem analizowano odznaczając każdego pingwina w obszarach między liniami – opisuje profesor.

Liczenie gniazd metodą tradycyjną/fot. M. Korczak-Abshire (PAN)

Kolonia pingwinów to obszar wybrzeża, w którym gromadzą się duże grupy tych ptaków. Pobliskie wzgórza stanowią dla nich stanowiska lęgowe, gdzie podstawową jednostką jest gniazdo uformowane z małych kamyczków. W okolicach stacji Artcowskiego naukowcy mieli okazję zaobserwować trzy gatunki pingwinów: Adeli (Pygoscelis adeliae), maskowe inaczej antarktyczne (Pygoscelis antarctica) i gentoo czyli białobrewe lub papua (Pygoscelis papua). – Te ptaki są niezwykle dzielne, gdyż nawet podczas skrajnie niesprzyjającej aury nie porzucają  gniazd i znajdujących się w nich jaj. Podczas śnieżycy gniazda te bywają zasypywane tak, że czasami ledwo widać siedzącego w nim pingwina. Sądząc po przychówku, jaki zaobserwowałem pod koniec swego pobytu mogę twierdzić, że mimo rozmaitch trudności szczęśliwie im się ta wiosna udała – opowiada profesor Rodzewicz.

Metoda liczenia pingwinów „z powietrza” okazała się zdecydowanie szybsza i równie dokładna, jak ta tradycyjna. Monitoring ASPY-128, który do tej pory wiązał się z 8 wyjściami w teren, zajmował biologom niemal 14 dni. Ekipa prof. Rodzewicza na wykonanie tego samego zadania potrzebowała ledwie 5 lotów fotogrametrycznych samolotu PW-ZOOM trwających łącznie 5,5 godziny. W monitorowanym obszarze zliczono ponad 17 tysięcy gniazd.

Palcem po mapie

Na podstawie fotografii wykonanych przez PW-ZOOM-y zostaną jeszcze opracowane specjalne ortofotomapy, które powstaną poprzez złożenie zdjęć z usuniętymi zniekształceniami kątowymi. W efekcie będziemy je czytać jak zwyczajne mapy.

Zestawienie 5 lotów samolotu PW-ZOOM nad ASPA-128 na tle Google map sporządzone przez M. Rodzewicza

– Nasze samoloty podczas całej wyprawy przebyły drogę ponad 920 km przebywając w powietrzu 8 godzin i 52 minut. Najdłuższy lot PW ZOOM-a liczył 137 km. Trasy fotogrametryczne realizowane były na stałych wysokościach z przedziału 200-350 metrów, zależnie od ogniskowej obiektywu aparatu fotograficznego oraz pogody – podsumowuje profesor Rodzewicz.

Plany na przyszłość

13 stycznia 2015 r. ekipa profesora Rodzewicza wylądowała na warszawskim Okęciu. I choć wyprawa już się zakończyła, pozostaje jeszcze obróbka map. – To domena dr Anny Zmarz, która współpracuje w tym zakresie z doświadczonymi specjalistami – dodaje profesor.

Samoloty, których powrót do kraju przewidywany jest z początkiem maja, w kolejnej edycji wyprawy (!) będą startować już ze specjalnej platformy, która zastąpi używany dotąd rozwijany gumowy chodnik. – Teraz samolotów będzie więcej, gdyż w międzyczasie powstał samolot zbudowany przez drugi zespół badawczy uczestniczący w grancie. Chcemy usprawnić też system łączności telemetrycznej i zrobić stację retransmisyjną umieszczoną na specjalnym samolocie bezzałogowym, który będzie krążył nad polem wzlotów przez cały czas misji samolotu fotogrametrycznego. Niektóre zadania, a zwłaszcza monitoring powietrzny obszarów ASPA musimy powtórzyć, gdyż populacje pingwinów ulegają nieustannym zmianom. A jeśli ulepszymy system łączności, to może się uda polecieć w bardziej odległe rejony wyspy – mówi profesor. I dodaje – Misja została wypełniona. Chcę przy tym podkreślić, iż jest to zasługa całego zespołu, który tworzyli ludzie bardzo zdeterminowani, profesjonaliści ukierunkowani na osiągnięcie celu.

W toku przygotowania wyprawy spotkałem się z życzliwością i pomocą wielu ludzi. To była również niezwykła i nietypowa sprawa dla Uczelni. Dlatego też pragnę podziękować władzom i pracownikom administracji Politechniki Warszawskiej, Wydziału i Instytutu, w którym jestem zatrudniony oraz wszystkim współpracownikom i partnerom grantu, za wsparcie i pomoc. Dzięki takiej współpracy udało się wrócić z tarczą!

Rozmawiała: Izabela Koptoń-Ryniec

*"MONICA to acronim projektu "A novel approach to monitoring the impact of climate change on Antarctic escosystems", który jest finansowany w ramach Programu Polsko-Norweskiej Współpracy Badawczej, pod egidą NCBiR