Совершенствование алгоритмов дешифрирования таксационных показателей лесных насаждений на основе данных лазерной и цифровой аэрои космической съемки

Данилин Артем Игоревич; Данилин Игорь Михайлович; Свищев Денис Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ДЕШИФРИРОВАНИЯ ТАКСАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ ЛАЗЕРНОЙ И ЦИФРОВОЙ АЭРО- И КОСМИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ

Артем Игоревич Данилин

Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 660036, Россия, г. Красноярск,

Академгородок, 50/28, аспирант лаборатории таксации и лесопользования, тел. (91308313331, e-mail: [email protected]

Игорь Михайлович Данилин

Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 660036, Россия, г. Красноярск,

Академгородок, 50/28, ведущий научный сотрудник лаборатории таксации и лесопользования,

тел. (913)551-0431, e-mail: [email protected] Денис Александрович Свищев

Восточно-Сибирский филиал ФГУП «Рослесинфорг» «Востсиблеспроект», 660062, Россия, г. Красноярск, ул. Н.К. Крупской, 42, зам. директора, тел. 8-391-247-5004,

e-mail: [email protected]

Обсуждаются результаты исследований по совершенствованию алгоритмов дешифрирования таксационных показателей лесных насаждений по данным лазерной и цифровой аэро- и космической съемки.

Ключевые слова: лесотаксационное дешифрирование, совершенствование

алгоритмов, лазерная и цифровая аэро- и космическая съемка, Красноярский край.

DEVELOPMENT OF ALGORITHMS FOR INTERPRETATION OF FOREST INVENTORY PARAMETERS OF A TREE STANDS BASED ON LASER AND DIGITAL AERIAL- AND SPACE PHOTOGRAPHY DATA

Artyom I. Danilin

V.N. Sukachev Institute of Forest, Russian Academy of Sciences, Siberian Branch, 660036, Russia, Krasnoyarsk, Academgorodok, 50/28, post-graduate student for laboratory of forest inventory and forest use, tel. (913)831-3331, e-mail: [email protected]

Igor M. Danilin

V.N. Sukachev Institute of Forest, Russian Academy of Sciences, Siberian Branch, 660036, Russia, Krasnoyarsk, Academgorodok, 50/28, leading research scientist for laboratory of forest inventory and forest use., tel. (913)551-0431, e-mail: [email protected]

Denis A. Svischev

The East-Siberian Branch of the Federal State Unitary Enterprise «Roslesinforg» «Vostsiblesproekt», 660062, Russia, Krasnoyarsk, N.K. Krupskoi str., 42, vice-director, tel. 8-391-2475004, e-mail: [email protected]

The results of studies on development of algorithms for interpretation of forest inventory parameters of a tree stands based on laser and digital aerial- and space photography are discussed in the paper.

Key words: forest inventory interpretation, development of algorithms, laser and digital aerial- and space photography, Krasnoyarsk territory.

Лазерная и цифровая аэро- и космическая съемка является перспективным направлением дистанционного мониторинга и таксации лесов [5, 6, 10-12].

В продолжение и развитие ранее выполненных исследований [1-3], нами решалась задача совершенствования алгоритмов дешифрирования таксационных показателей лесных насаждений по данным дистанционного зондирования, а также адаптировалось программное обеспечение, позволяющее обрабатывать данные съемки и получать таксационные характеристики насаждений в автоматизированном режиме.

Основой для работы послужили данные дистанционного зондирования и наземных инструментальных измерений, полученные на опытном полигоне Погорельского лесного стационара Института леса СО РАН в Красноярском крае. Примерные географические координаты центра полигона - 56°22' с. ш., 92°55' в. д. Общая площадь опытного полигона составила 11000 га.

Аэросъемочные работы производились с самолета АН-2, воздушным лазерным сканером RIEGL Q560 и цифровым аэросъемочным комплексом Ю1 DigiCAM, включающим цифровую камеру Hasselblad Н39/тр и фазовый GPS-приемник Novatel ОЕМ 4/5.

Основой для трассирования маршрутов аэрофотосъемки и контурного дешифрирования лесных участков полигона служили космические цифровые снимки ближнего инфракрасного диапазона, геометрическим разрешением 50 см на пиксель, выполненные в системе WorldView-2 (рис. 1).

еЧ4»ти> •» ► " | Ршремть по лиге* мм»<«* |v«i^ т. и а ф Ф :: :: о # + is им ^

3D****- 1 Ф •

4 4 .--I [ 53 и * -1"' JIS - А

Вагтсси«1трм4оемния * ^ ^ 3 Cncrtt WJMT1l_Cf .If т 1 ф . ЧГ 7$ i000 3 GeosUUtKdOnfvit

Рис. 1. Контурное дешифрирование таксационных выделов, выполненое специалистом таксатором по цифровому космическому снимку WorldView-2 (КШ., ближний инфракрасный диапазон, геометрическое разрешение 50 см

на пиксель)

Дешифрирование аэро- и космических снимков выполнялось в интерактивном режиме с использованием компьютерной программы ArcGis и функции пространственного анализа «Spatial Analist» [8] с доработанными лесотаксационными модулями. На аэроснимках и лазерных сканах выполнялось наложение и совмещение границ таксационно-дешифровочных пробных площадей системы наземной таксации FieldMap, с опознованием и контролем на местности (рис. 2-4).

Рис. 2. Фрагмент цифрового аэрофотоснимка древостоя (RGB-синтез, видимый диапазон, геометрическое разрешение 20 см на пиксель), с наложением границ таксационно-дешифровочной пробной площади и инвентаризационных кругов постоянного радиуса системы наземной таксации FieldMap

Дешифровочные данные сопоставлялись с наземными инструментальными измерениями на таксационно-дешифровочных пробных площадях, заложенных в границах опытного полигона.

В результате выполненной работы были построены гистограммы распределений по таксационным признакам древостоев, выявлены взаимосвязи таксационно-дешифровочных признаков лесных насаждений, по которым в автоматическом режиме актуализировались средние высоты, средние диаметры, суммы площадей поперечных сечений стволов, средние возрасты, полноты и запасы составляющих древесных пород. При расчете уравнений взаимосвязей и статистических показателей использовался программный комплекс StatSoft [9] (рис. 5, 6).

Рис. 3. Трехмерное лазерно-локационное отображение древостоя с наложением границ таксационно-дешифровочной пробной площади и инвентаризационных кругов постоянного радиуса системы наземной таксации FieldMap

I Метры

Рис. 4. Плановое отображение площади проекций древесного полога и индикации изолиний распределения деревьев по высоте по лазерным данным, с наложением границ таксационно-дешифровочной пробной площади и инвентаризационных кругов постоянного радиуса системы наземной таксации

FieldMap

Рис. 5. Гистограммма распределения деревьев по относительным высотам в пределах таксационного выдела опытного полигона

в = 7,1938-0,7096*Нтах-0,012*8+0,0082*Нтах2+0,0013*Нтах*8-1,1936Е-6*8

*о2

ш

I I > 50

I I < 50

□ < 40 I I < 30

□ < 20

I I < 10

I I < 0

Рис. 6. Зависимость (квадрика) суммы площадей поперечных сечений стволов ^, м2), от максимальной высоты древостоя (Hmax, м) и площади проективного

покрытия крон деревьев ^, м2)

Сопоставление результатов измерений характеризуется достаточно высокими индексами детерминации ^ = 0.899-0.919). Наибольшая случайная ошибка определения средней высоты древостоя по данным лазерной съемки не превысила -7,0%. Случайная ошибка для всех наблюдений находится в пределах -59,4 см или -2,1%.

По данным дистанционного зондирования и наземных измерений на пробных площадях составлен цифровой план лесонасаждений опытного полигона (рис. 7).

Рис. 7. Цифровой план лесонасаждений опытного полигона

Разработаны и переданы в ФГУП «Рослесинфорг» для расширенной производственной апробации методические рекомендации по использованию воздушной лазерной и цифровой аэро- и космической съемки для целей таксации и мониторинга лесов в лесном фонде РФ.

Рассчитаны примерные нормативы стоимости затрат на проведение работ по таксации леса с использованием метода лазерной и цифровой аэро - и космической съемки (табл.).

Таблица

Примерные нормативы рекомендуемых затрат для таксации леса по укрупненным показателям (на 1 млн. га, ЫП разряды таксации)*

Стоимость за 1 га, руб.

Способ таксации Разряды таксации

1 разряд 2 разряд 3 разряд

1. Натурный (глазомерно-измерительный 1 класса точности) 285 194 121

2. Натурный (глазомерно-измерительный 2 класса точности) 227 142 84

3. Дистанционный (с использованием моделей хода роста) 128 88 64

4. Методом лазерной и цифровой аэро- и космической съемки 120 80 60

*Нормативы затрат рассчитывались на основании технологических схем выполнения таксационных работ, приведенных в лесоустроительной инструкции [4] на примере типичных (условных) объектов с использованием действующих в лесоустройстве норм выработки по элементам работ.

Нормативы не учитывают районные коэффициенты и северные надбавки.

Представляется перспективным продолжение исследований в части изучения возможностей интегрирования данных, получаемых в оптическом диапазоне, с микроволновым зондированием леса радарами с синтетической апертурой [7], а также разработки специализированных программных модулей для целей автоматизированного лесотаксационного дешифрирования мультисенсорных данных дистанционного мониторинга [3].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Данилин И.М., Данилин А.И., Свищев Д.А. Лазерная локация и цифровая аэросъемка - подспутниковый компонент в системе информационного обеспечения инвентаризации, мониторинга и кадастра лесных земель // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. 2010. Вып. 3 (29). С. 55-59.

2. Данилин И.М., Медведев Е.М. Технология мониторинга и инвентаризации лесных ресурсов на основе лазерной локации, цифровой аэрофотосъемки и спутникового геопозиционирования // Журнал Сибирского федерального университета. Серия «Техника и технологии». 2011. Т. 4. № 3. - С. 326-336.

3. Данилин И.М., Фаворская М.Н. Описание программных модулей использования данных лазерной локации и цифровой аэрофотосъемки лесных территорий // Исследование Земли из космоса. 2013. № 2. - С. 1-12.

4. Лесоустроительная инструкция. Утверждена приказом МПР РФ от 06.02.2008 № 31 «Об утверждении лесоустроительной инструкции». М.: Министерство природных ресурсов РФ, 2008.

5. Медведев Е.М., Данилин И.М., Мельников С.Р. Лазерная локация земли и леса: учеб. пособ., 2-е изд., перераб. и доп. М.: Геокосмос; Красноярск: Институт леса СО РАН. 2007. -229 с.

6. Сухих В.И. Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве: учебник для вузов. Йошкар-Ола: Изд-во МарГТУ, 2005. - 392 с.

7. Чимитдоржиев Т.Н. Оптико-микроволновые методы дистанционного контроля лесных ресурсов: автореф. дис. ... д.т.н.: 05.11.13. Красноярск: СФУ, 2008. -29 с.

8. ArcGis [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.esri.com/software/arcgis.

9. StatSoft. Statistica 8.0 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.statsoft.eom/#.

10. Straub C., Dees M., Weinacker H., Koch B. Using airborne laser scanner data and CIR orthophotos to estimate the stem volume of forest stands // Photogrammetrie, Fernerkundung, Geoinformation. 2009. № 3. - P. 277-287.

11. Suvanto A., Maltamo M. Using mixed estimation for combining airborne laser scanning data in two different forest areas // Silva Fennica. 2010. V. 44. № 1. - P. 91-107.

12. Wulder M., Han T., White C., Sweda T., Tsuzuki H. Integrating profiling LiDAR with Landsat data for regional boreal forest canopy attribute estimation and change characterization // Remote Sensing of Environment. 2007. V. 110. - P. 123-137.

DEVELOPMENT OF ALGORITHMS FOR INTERPRETATION OF FOREST INVENTORY PARAMETERS OF A TREE STANDS BASED ON LASER AND DIGITAL AERIALAND SPACE PHOTOGRAPHY DATA1V.N. Sukachev Institute of Forest, Russian Academy of Sciences, Siberian Branch