Есть такая профессия – в лес ходить и деревья считать. Чтобы получать данные о качестве и количестве лесных ресурсов, таксаторы проходят десятки километров в день, порой месяцами оставаясь без дома, семьи, комфорта и благ. Долгое время альтернативы такому «пешему» методу не было.
С начала 2000-х годов с развитием и широким распространением технологий лазерного сканирования в мире появился альтернативный способ — лазерная таксация. Новый метод значительно экономит время и, как следствие, деньги, притом, что дает точные и объективные данные о состоянии лесов.
В России вопросами лазерной таксации начали заниматься с середины 2000-х годов. Наиболее известные исследования в этой сфере были предприняты красноярским Институтом леса им. Сукачева. В частности, им было выпущено учебное пособие «Лазерная локация земли и леса», одним из авторов которого является профессор А.М. Данилин.
На территории России первые пилотные проекты по практическому использованию технологии с учетом требований действующей лесоустроительной инструкции были реализованы в Пермском крае и Архангельской области в 2015-2019 годах.
Лазерную таксацию также называют таксацией на основе данных воздушного лазерного сканирования, или лидарной таксацией. Главное во всех определениях — наличие лазера. Само средство съемки – лазерный сканер, в англоговорящих странах называют лидаром от аббревиатуры LiDAR (Light Detection and Ranging).
Экономическая выгода от применения метода пока не просчитана, но возможна в среднесрочной перспективе. Специалисты Рослесинфорга уверены, что через 5 лет такая технология распространится в России повсеместно.
«Облако точек»
Разработчиками метода воздушного лазерного сканирования в России выступили Центр космических технологий и услуг (г. Пермь) совместно с АО «Группа «Илим». Специалисты Рослесинфорга участвовали в качестве консультантов при тестировании технологии и оценке качества результатов таксации.
Принцип работы достаточно прост. Над лесом пролетает самолет. На нем установлена лазерно-локационная аппаратура, которая сканирует указанную территорию. Параллельно с этого же борта можно проводить аэрофотосъемка территории.
Лазерный луч, проникая сквозь полог леса до самой земли, отражается от различных ярусов древесной растительности с определенной плотностью, обычно 1–10 и более точек лазерных отражений на 1 кв. м.
Технология работает на основе явления отражения света и его рассеивании в прозрачных и полупрозрачных средах. Лазерный сканер генерирует до 500 тысяч импульсов в секунду. Каждый импульс может давать несколько отражений от сканируемой поверхности, которые фиксируются приемником сканера, установленного на борту воздушного судна. Результаты измерений представляют собой так называемые «облака точек», хранящиеся как правило в формате LAS.
Надо отметить, что существует довольно много форматов хранения точек, в зависимости от производителя лазерных сканеров, но наиболее распространенным на сегодняшний день является LAS.
После съемки каждой точке в облаке задаётся свой класс: земля, растительность, здания, шум, водные поверхности и так далее в зависимости от решаемых задач.
Благодаря высокой точности измерений из полученных данных формируют высокоточные цифровые модели рельефа, местности и полога насаждений. Указанные цифровые модели дают возможность автоматизировать процессы их обработки, в результате чего отпадает необходимость в рутинной и достаточно длительной обработке изображений, характерной для классических фотограмметрических методов обработки снимков.
Полученные цифровые модели комплексируются с данными космической или аэрофотосъемки. Эти данные являются основой для получения информации о породном составе насаждений.
Зависимости других таксационных показателей древостоя от его высоты и плотности устанавливаются через наземные измерения на калибровочных пробных площадях. Количество пробных площадей при этом значительно меньше, чем при таксации традиционными способами и обычно составляет от 500 до 1500 штук на весь объект работ.
Лазерный портрет древостоя
Так выглядят данные сканирования при разной высоте сканирования и разной плотностью данных.
На выходе мы получаем трехмерные изображения отдельных деревьев с высокой точностью, растры высот и плотности древостоя.
А также можем сделать цифровую модель рельефа.
Для визуализации данных «облако точек» можно окрасить по высоте над уровнем земли, или в натуральные цвета, задав точкам цвет пикселей с материалов аэрофотосъемки.
Подходы к таксации: ABA vs ITD
Дальше полученные данные обрабатываются. И тут может быть 2 подхода.
При таксации объектов с большой площадью (более 100 000 га) используется зональный метод — Area Base Approach (ABA). Расчет таксационных показателей при данном подходе ведется в разрезе пород с усреднением на ячейку сетки (GRID). Размер ячейки обычно составляет 15-20 м.
На небольших площадях эффективно использовать метод отдельных деревьев — Individual Tree Detection (ITD). Он позволяет определить местные пики, выделить отдельные деревья, а также определить таксационные параметры каждого дерева исходя из трехмерного образа кроны.
«Лазерный портрет древостоя» позволяет наблюдать его на экране монитора с любой точки, произвольно меняя ракурсы изображения, что очень важно, в частности, для анализа морфологической и пространственной структуры насаждения и распределения органического вещества в лесных биогеоценозах.
Проще говоря, лазер позволяет эффективно произвести измерения высоты и густоты растительности.
Преимущества лазерной технологии
1. Технологическая простота, короткий технологический цикл.
2. Гарантия «сантиметровой» точности измерений, которая сопоставима только с наземными измерениями.
3. Возможность применения в любое время суток независимо от освещения и в любое время года.
4. Получаемые материалы уже в момент возникновения полностью координированы и не требуют проведения никаких дополнительных мероприятий по координатной коррекции или преобразованию.
5. Высокая производительность и экономичность. Благодаря увеличению размера проекта и унификации охватываемых территорий, стоимость обработки данных в пересчёте на гектар значительно сокращается.
6. Широкий спектр сфер использования.
Указанные преимущества относятся к методу съемки как к геодезическому инструменту.
Преимущества метода таксации перед другими методами таксации будут иные:
1. Количество пробных площадей зависит от разнообразия лесорастительных условий и составляет от 500 до 1500 шт на объект работ независимо от его площади.
2. Математическую модель для определения таксационных показателей можно использовать для всех близких лесных участков, применяя ее на площадях до 1 млн га и более.
3. Полученные данные таксации объективны и легко проверяются камерально.
4. Доля затрат на полевые работы существенно уменьшается с увеличением площади объекта работ, как следствие удешевление и ускорение проведения работ.
5. Дополнительные данные – модель рельефа, модель растительности, увлажненность участка.
Перспективы применения в лесной сфере
Лесное хозяйство – одна из наиболее перспективных областей применения данных LiDAR, поскольку точная топографическая информация местности чрезвычайно важна для управления природными ресурсами.
Полученные материалы используются для инвентаризации лесов, контроля за качеством леса, планирования лесозаготовок, инфраструктурного планирования для прокладки новых транспортных дорог, контроля эрозионных процессов на участке и так далее.
Использование данных лазерного сканирования становится привлекательной альтернативой традиционной технологии для крупномасштабного геопространственного сбора данных, являясь на сегодня ценным геодезическим и картографическим инструментом.
Изменение климата приобретает все большее значение и требует обновления на карте лесного покрытия, получения свежих данных о состоянии биомассы, почвы и т.д.
LiDAR как средство съемки и источник геопространственных данных является значимым инструментом для целей таксации леса в современном мире.
Опыт Пермского края
Работы проводились в 2015-2016 году в Соликамском лесничестве.
Форма участка — квадрат 10х10 км.
Площадь лесного фонда — 4 752 га.
Количество калибровочных пробных площадей — 309 шт.
Исходные данные: космическая съемка 2014 года, данные ВЛС 2013 года.
Опыт Архангельской область
Работы проводились в 2018 году в Красноборском и Новошинском участковых лесничествах Красноборского лесничества.
Площадь лесного фонда — 43 560 га.
Количество калибровочных пробных площадей — 609 шт.
Исходные данные: ВЛС с плотностью 4-6 точек/кв.м съемка 2018 года, АФС с инфракрасным каналом съемка 2017 и 2018 года.
(Материал подготовлен при поддержке Центра космических технологий и услуг)