Использование современных аэросъемочных технологий в интересах лесного хозяйства Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 630 И.М. Данилин

Институт леса СО РАН, Красноярск,

Е.М. Медведев, Е.Н. Капралова, К.А. Пестов компания «Геолидар», Москва

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ АЭРОСЪЕМОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ИНТЕРЕСАХ ЛЕСНОГО ХОЗЯЙСТВА

I.M. Danilin

Institute of Forest, Krasnoyarsk

E.M. Medvedev, E.N. Kapralova, K.A. Pestov

Geolidar, Moscow

USING OF CONTEMPORARY AERIAL SURVEY TECHNOLOGIES IN FORESTRY

Airborne laser scanning, digital and hyperspectral survey can be distinguished among the latest methods of remote sensing by their availability, efficiency and self-descriptiveness. These methods excel all other known methods of remote sensing and measurements of forest parameters. They allow getting fundamentally new model of the existent processes.

This approach allows carrying out geometrical modeling of the forest structure, contouring of the forest, marking out of single trees, stems and crowns. It allows efficiently identifying objects what is difficult to do with space or aerial survey.

Hyperspectral images allow identifying types of plants, minerals and soils and estimating vegetation condition. In such a way the latest methods of remote sensing allow to create quantitative base for ecological monitoring and forest inventory.

Авиационное лазерное сканирование и цифровая аэрофотосъемка являются составной частью новейших методов и технологий геоинформатики и на сегодняшний день находят применение во многих отраслях народного хозяйства, в том числе для решения задач информационного обеспечения инвентаризации и мониторинга лесов. Они разрабатываются и совершенствуются специалистами многих странах и уже на сегодняшний день по показателям точности и экономической эффективности превосходят другие известные на сегодня технологии и методы дистанционного изучения и измерения параметров лесной растительности.

Есть несколько причин интереса специалистов к указанным выше методам. В частности, одной из причин является место авиационного дистанционного зондирования в общей «этажерке» методов и средств ДЗЗ, естественно, при разумном сочетании всех составляющих этой «этажерки». Например, спутниковые изображения высокого и сверхвысокого разрешения, с одной стороны могут быть, информационной основой для «грубой» оценки основных параметров и характеристик растительного покрова, а с другой стороны могут использоваться для предварительного трассирования маршрутов авиационной лазерной и цифровой аэрофотосъемки, которая служит информационной основой для определения более точной оценки параметров - структуры, объемных показателей деревьев и древостоя, их

фитомассы и т. п. Необходимо также отметить, что обеспечение высокой точности результатов измерения параметров лесной растительности, кроме указанных выше работ, требует проведения определенного объема полевых работ для калибровки их результатов и поддержки интерактивного дешифрирования данных аэросъемки [Данилин И.М., Медведев Е.М., Абэ Н.И. и др. Высокие технологии XXI века для аэрокосмического мониторинга и таксации лесов. Задачи исследований и перспективы использования // Лесная таксация и лесоустройство. 2005. № 1 (34).- С. 28-38].

Другой из указанных выше причин является значительный прогресс в создании высокоточного и производительного цифрового аэросъемочного оборудования.

Ниже приведены некоторые характеристики лучших на сегодня образцов аэросъемочного оборудования. В частности, последняя модель авиационного лазерного локатора производства компании Optech Inc. ALTM Gemini обеспечивает:

- Частоту зондирующих импульсов до 167 кГц;

- Рабочие высоты 150-4 ООО м;

- Производительность съемки до 1 000 кв. км менее чем за 12 часов полета;

- Горизонтальная точность не хуже 1 / 11 000 от высоты съемки;

- Точность по высоте при высотах съемки до 2 000 м не хуже 5-15 см.

Самый совершенный и производительный на сегодня цифровой АФА

UltraCam-X производства компании Microsoft Vexcel обеспечивает:

- Размер полного кадра 136 мегапикселей;

- Мультисенсорную съемку (панхроматическую и в 4-х каналах -красном, зеленом, синем и ближнем ИК - одновременно);

- Неограниченное накопление снимков на борту ЛА за счет возможности использования сменных блоков накопления данных;

- Динамический диапазон чувствительности сенсора 12-14 бит.

Уникальные характеристики используемого аэросъемочного

оборудования и разработанные на сегодня алгоритмы обработки аэросъемочных данных позволяют решать задачи, которые, в принципе, невозможно решать другими методами ДЗЗ. Ниже приведены некоторые из полученных авторами результатов. В частности, за счет того, что авиационный лазерный локатор фиксирует до 4-х отражений одного импульса (1-е отражение от верхней части крон деревьев, а последнее - от земной поверхности) в результате обработки данных ЛЛ съемки залесенных территорий можно построить цифровую модель рельефа местности (ЦМР) даже под кронами деревьев и цифровую модель местности (ЦММ). Это, в свою очередь, позволяет получить цифровую модель полога (по схеме - ЦММ -ЦМР) - рис. 1, рис. 2, рис. 3.

В отличие от обычной топографической практики при аэросъемке леса регистрируются все отражения каждого лазерного импульса: 1 - от верхней

поверхности крон 1-го яруса, следующие - от 2-го и 3-го ярусов, последнее -от земли - см. рис.4. Это позволяет выделять ярусы древостоя, что позволяет:

- Оценить локальную плотность биомассы;

- Обнаруживать объекты под пологом леса, в том числе незаконные вырубки на уровне нижних ярусов и т. п. - см. Рис. 5.

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5

Возможность совместной визуализации и обработки лазернолокационных и аэрофототопографических данных дает дополнительные преимущества для анализа информации и получения результатов. Одним из перспективных алгоритмов сегментации цифровой модели полога (ЦМП) является алгоритм «водораздела» - см. рис. 6.

Алгоритм сегментации ЦМП преобразованием водораздела

Гддк Институт леса им В Н. Суканева гг Гк А I! А А П

Сибирского отделений РАН | II РАМ ЛАМ

Рис. 6

Анализ ЛЛ данных дает возможность выделения пород деревьев, в частности по критерию отношения квадрата высоты кроны к ее площади классифицировать деревья на хвойные и лиственные породы ( лиственные смещены влево, хвойные - вправо) - см. рис. 7.

Выделение пород по ТЛО

Классификация возможна по критерию отношения квадрата высоты Н1. освещенной кроны к ее площади ЭЬ (для молодых деревьев критерий не выполняется)

Рис. 7

Использование изображений, полученных цифровым АФА UltraCam-X (видимый и ближний ИК - диапазоны), также позволяют классифицировать деревья по их породам и выделять больные растения.

Результаты проведенной совместной работы (Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН и компании «Геолидар») по апробации метода авиационной лазерной локации в сочетании с цифровой аэрофотосъемкой свидетельствуют о высокой перспективности его использования для анализа и моделирования структуры и нарушений растительного покрова, инвентаризации и оперативного экологического мониторинга лесных земель и контроля за лесопользованием. Метод обеспечивает дистанционную оценку состояния и динамики изменения лесных ресурсов с высокими точностью и эффективностью при минимуме наземных работ и значительной экономии времени и финансовых средств.

© И.М. Данилин, Е.М. Медведев, Е.Н. Капралова, К.А. Пестов, 2008