CC BY
84
НЛТУ
УКРЛ1НИ
t ,
Hl/IUB
Науковий в1сник НЛТУУкраТни Scientific Bulletin of UNFU
http://nv.nltu.edu.ua https://doi.org/10.15421/40280104 Article received 08.02.2018 р. Article accepted 28.02.2018 р.
УДК 712.253:003.12:657.371(477.63)
ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)
[^1 Correspondence author D. I. Bidolakh [email protected]
Д. I. Бiдолах1, А. М. Быоус2, В. С. Кузьович1
1ВПНУБiП Украгни "Бережанський агротехтчний тститут", м. Бережани, Украгна 2 Нацюнальний утверситет бiоресурсiв i природокористування Украгни, м. Кигв, Украгна
ВИМ1РЮВАННЯ ВИСОТИ ДЕРЕВ I ЧАГАРНИК1В I3 ВИКОРИСТАННЯМ КВАДРОКОПТЕРА
Опрацьовано можливють використання безтлотного лтльного апарата (квадрокоптера) для ви]шрювання висоти дерев i чагарниюв. Встановлено, що вiзування прицiлу безпiлотного лiтального апарата з розмщеною на ньому камерою на основу дерева i його верхiвку перпендикулярно до прямовисно! ос стовбура дае змогу фiксувати його параметри за допомогою GPS-приймача у тривимiрнiй системi координат x, y, z. Цю iнформацiю можна використати для визначення висоти вимiрюваного об'екта 3i збереженням просторово! та висотно! атрибутивно! шформаци в цифровому виглядi разом i3 фотознiмком верхiвки. Апробацiю запропонованого способу вимiрювання висоти проведено на базi змiшаних насаджень люових масивiв ДП "Бере-жанське люомисливське господарство" та паркових насаджень у Бережанському призамковому парку на Тернотльщиш. При цьому, для порiвняння точностi вимiрювання, виконано одночасне визначення висот дерев i чагарникiв за допомогою лазерного висотомiра Nikon Forestry 550, оптичного висотомiра ВА та люового висотомiра-кутомiра ВУЛ-1. Виявлено, що запропо-нований спосiб визначення висоти дерев та чагарникових порщ дае змогу отримувати результати високо! точност (з вщхи-ленням до 2 %) без необхiдностi встановлення базисно! вiддалi пiд час вимiрювань. Окрiм цього, такий пiдхiд дае змогу про-водити вiзування на дшсну верхiвку дерева та полегшуе визначити висоту в умовах загущених деревостанiв.
Кл^чов^ слова: визначення висоти дерев; безтлотний лiтальний апарат; висотомiр; GPS; Phantom 3 Advanced.
Вступ. Важливою складовою польових po6iT люов-порядкування та парковпорядкування е висока яшсть i точшсть вимiрювань лгавничо-таксацшних показнишв у процесi лiсо- та парковпорядкування, швентаризацп деревно-чагарникових рослин та проведенш iнших пов'язаних дослвджень.
Сучасний розвиток таксацп зелених насаджень на-був вектору широкого залучення новишх способiв ви-мiрювання з використанням сучасного iнструментарiю для одержання, оброблення, передачi та зберiгання 6i-ометричних даних i формування системи шформа-цiйного забезпечення сталого управлiння люовими та садово-парковими об'ектами. При цьому, технолопчно, цей процес повинен охоплювати одержання як атрибутивно!, так i картографiчноl шформаци про стан зелених насаджень з метою створення геошформацшно! ба-зи даних та автоматизацп лiсо- та парковпорядкування (Degerickx, Hermy & Somers, 2017). Використання для дослвджень у лiсовому та садово-парковому господар-ствi сучасних вимiрювальних прилащв дало змогу не тiльки ютотно пiдвищити точнiсть отримано! шформаци, але й забезпечити li оператившсть, автоматизацiю та унiверсальнiсть (Phelps, Webb & Agrawal, 2010), що е важливою умовою сталого управлшня люами та вико-нання мiжнародних еколопчних зобов'язань.
Загальноввдомими сучасними напрямами розвитку новггшх технологш в люовому та садово-парковому господарств1 е використання безконтактних метод1в ви-м1рювань, таких як: методи дистанцшного зондування, пристро! глобального позицюнування, 3d сканування, лазерш висото- та далеком1ри тощо. Перел1чений шструментарш дае змогу отримувати високу точшсть вим1рювань з1 зменшенням шлькосп докладено! ручно! праш, скорочення термшв виконання робгт та мшм1за-цп витрат часу на опрацювання даних.
Одним 1з перспективних напрям1в розвитку сучасних технологш е залучення безпшотних лггальних апа-рапв (БПЛА) для виконання р1зних дослвджень (МагкЬат, 2017). Тому вивчали можлив1сть використо-вувати БПЛА для вим1рювання лгавничо-таксацшних показнишв у процеа швентаризацп зелених насаджень 1 для потреб л1со- та парковпорядкування, зокрема, для вим1рювання висоти деревно-чагарникових вид1в.
Матерiали та методи дослщження. Дослвдження проводили на баз1 люових масив1в ДП "Бережанське ль сомисливське господарство" в 65-р1чному л1совому сос-ново-грабовому насадженш та паркових р1знов1кових насадженнях з1 змшаним видовим складом у Бережанському призамковому парку на Тернотльщиш. Ви-м1рювання висот дерев 1 чагарник1в проводили трьома
1нформащя про aBTopiB:
Бщолах Дмитро lллiч, канд. с.-г. наук, доцент кафедри лкового i садово-паркового господарства. Email: [email protected] Бiлоус Андрш Михайлович, д-р с.-г. наук, професор кафедри лковоТ' таксацп та лковпорядкування. Email: [email protected] Кузьович Василь Степанович, канд. с.-г. наук, доцент, завщувач кафедри лкового i садово-паркового господарства. Email: [email protected]
Цитування за ДСТУ: Бщолах Д. I., Бiлоус А. М., Кузьович В. С. Ви1^рювання висоти дерев i чагарникiв i3 використанням
квадрокоптера. Науковий вiсник НЛТУ Укра'ни. 2018, т. 28, № 1. С. 24-27. Citation APA: Bidolakh, D. I., Bilous, A. M., & Kuzyovych, V. S. (2018). Measurement of the Tree and Shrub Height With the Help of Unmanned Aerial Vehicles. Scientific Bulletin of UNFU, 28(1), 24-27. https://doi.org/10.15421/40280104
шструментальними способами, один з яких надалi ви-користовували як контроль.
Перший споаб виконували шляхом використання сучасного лазерного висотомiра (Nikon Forestry 550), який дае змогу визначати висоту ростучого дерева за допомогою функцш розрахунку лшшних та кутових величин, отриманих лазерним далекомiром (Forestry Pro, 2017). Результати вимiрювання висот цим приладом, як найбiльш точним, надалi використовували як контроль.
Другий пiдхiд передбачав використання оптичного висотомiра (висотомiр Анучина, В. А.), вимрювання яким проводили шляхом наведення приладу на кореневу шийку та верхiвку дерева з базисно! вiддалi та читан-ня результатiв зпдно з iнструкцiею щодо використання цього шструментарш (Anuchin, 1982). Недолiками цього способу е його невисока точшсть (похибка ±4 %), складшсть вiзування приладу на верхiвку та кореневу шийку в умовах загущеного деревостану та необхщ-нiсть визначення базисно! ввддалг
Для вимiрювання висот дерев за трепм способом використовували люовий висотомiр-кутомiр ВУЛ-1. Для отримання шформацп про висоту дерев наводили окуляр приладу на верхiвку дерева та зчитували вiдлiк, що вiдповiдае висоп дерева вiд рiвня ока спостертача. До отриманого вiдлiку додавали висоту спостертача до рiвня ока. До недолЫв даного способу вiднесемо його невисоку точшсть (похибка ±5 %), залежшсть вщ рельефу, потребу вiзування приладу на верхiвку дерева, яку досить часто складно визначити в умовах загущеного деревостану та необхвдшсть визначення базисно! вщ-дал^ що не завжди е можливим у насадженнi.
Запропонований спосiб iз використанням БПЛА наведено нижче. Пiсля калiбрування компаса дрона та отримання чггкого супутникового сигналу в системах GPS/Глонасс проводимо фшсащю висоти точки 0. Для цього БПЛА встановлюемо на рiвнi коренево! шийки ростучого дерева (hl), що тдлягае вимiрюванню висоти. Шсля чого лiтальний апарат пiднiмаемо в ручному режимi на орiентовну висоту дерева та направляемо центр прищлу його камери в режимi зйомки 90° на найвищу точку дерева (h2), здiйснюючи !! точне вiзу-вання та фiксацiю у тривимiрнiй системi координат x, y, z з одночасним фотографуванням камерою безпшотно-го лiтального апарата.
При цьому як атрибути кожно! збережено! фотографа верхiвки дерева зберiгаеться шформащя про його координати та висоту, яку розраховуемо GPS-модулем автоматично.
Результати дослщження та ix обговорення. Запропонований пвдхвд вимiрювання висоти деревно-чагар-никових порщ iз використанням квадрокоптера розроб-лено з метою створення способу, який дав би змогу усу-нути основнi недолiки iснуючих висотомiрiв: необхщ-нiсть закладання базисно! вщдал^ пiдвищення зручнос-тi та точносп вiзування на верхiвку дерева, усунення впливу рельефу мiсцевостi, кривизни деревно! рослини на результати та забезпечення бiльшо!' точносп вимiрювань.
Поставлене завдання досягаемо шляхом використання сучасних досягнень у сферi технiки та електрошки. Так, використання як вимiрювальний прилад GPS-приймача, розташованого на БПЛА, який здатний фж-сувати положення коптера у тривимiрному просторi (точнiсть вертикального позицiонування становить ±0,1 м) (DJI Phantom 4 - Specs, FAQ, Tutorials and
Downloads, 2017), дае змогу отримувати досить точш результати вимiрювань (0,5 % - за висоти дерева 20 м). Водночас точному наведенню прилада на верхiвку дерева сприяе можливють керування безпiлотним лггаль-ним апаратом iз земно! поверхнi тд час одночасно! зйомки за допомогою камери та передачi зображення на дисплей.
Визначення перевищення Н, яке вщповвдае висотi вимiрюваного об'екта, обчислюемо шляхом реестрацп змiщень камери у вертикальнш (Ah) та горизонтальнiй (Ax та Ay) площинах за формулою:
H (Ah2 -Ax2 + Ay2), де: Н - висота дерева або чагарника, м; Ah - змщення камери БПЛА за висотою, м; Ax та Ay - змщення камери дрона у горизонтально площиш тд час тдняття його до BepxiBKH, м (рис.).
Рис. Схема визначення висоти деревно-чагарникових видгв рослин i3 використанням БПЛА
Отримаш данi про висоти дерев i чагарнишв можна використовувати для потреб люо- та парковпорядкуван-ня, для встановлення розряду висот тд час ввдведення дiлянок у рубки, створення бази даних вимiрiв, а також для виконання iнших наукових дослiджень.
Для порiвняння способу з аналогами результати ви-мiрювання висот дерев i чагарник1в за допомогою лазерного висотомiра Nikon Forestry 550, оптичного висо-томiра ВА та лiсового висотомiра-кутомiра ВУЛ-1 проведено аналiз у виглядi таблицi.
Таблиця. Результати вимiрювань висоти дерев у лкових
№ з/п Варiант дослщження Кшьюсть вимiрю-вань Середня висота, м Вiдхи-лен-ня, %
1 Контроль (лазерний висото-мiр Nikon Forestry 550) 19 20,7 -
19 18,6 -
2 Аналог висотомiр Анучина ВА (оптичний висотомiр) 19 21,9 + 5,80
19 19,9 + 6,99
3 Аналог висотомiр лiсовий ВУЛ-1 (тригонометричний висотомiр) 19 22,2 + 7,25
19 20,1 + 8,06
4 Пропоноване ршення з використанням БПЛА 19 20,5 - 0,97
19 18,8 + 1,08
Пiд час вишрювання висот лазерним висотомiром, як найбшьш точним приладом, отримано так результати, як1 подальшому надалi будемо використовувати як
контроль: у дослщному 65^чному лiсовому сосново- шмками верхiвок. Такий пiдхiд можна використати для
грабовому насадженнi середня висота рослин становила потреб люо- та парковпорядкування, для встановлення
20,7 м, а в садово-парковому рiзновiковому насадженш достовiрного розряду висот тд час вiдведення дiлянок
зi змшаним складом деревно-чагарникових видiв - у рубки, створення бази даних вимiрiв iз цифровою,
18,6 м. графiчною та атрибутивною iнформацiею, а також для
Аналiз даних зведено! таблиц вимiрювань, визначе- виконання iнших наукових дослвджень.
них за аналогами та запропонованим способом, свiд- „
■с- Перел1к використаних джерел
чить, що спосiб визначення висоти дерев чагарникових r r " г
видiв iз використанням БПЛА дае змогу отримувати ре- Anuchin, N. P. (1982). Lesnaia taksatciia Uchebnik dlia vuzov. (5th
зультати високо! точносп (з вiдхиленням до 2 %). При ed.). Moscow: Lesnaia promyshlennost. 552 p. [In Russian].
цьому у процесi вимiрювання оптичним та тригономет- Bidolakh, D. I, Kuz°vydi, V. S., Bilous, A. M.. (2017). Pat. 115874
ричним висотомiрами в лiсовому масивi виникали труд- UA MPK °°1С 3/20 (200601) B64S 17/08 (200601)) B64D
шщ i, встановленням базисно! вiдстанi через су£дщ ™ ^ ^ AC)1<Gk.23/C)(0 (20N7t01) ^ .v^™
vysoty derev i chaharnykiv; zaiavn. Natsionalnyi umversytet biore-
ростучi дерева, що також аадчтъ про недолiки анало- sursiv i pryrodokorystuvannia Ukrainy. № u 2016 12520; zaiavl.
гiв. Використання дрона обмежене погодними умовами 09.12.2016; opubl. 25.04.2017, Biul. № 8, 2017 r. [In Ukrainian].
та густотою деревостану. Degerickx, J., Hermy, M., & Somers, B. (2017). Mapping functional
На пiдставi проведених досл1джень отримали патент urban green types using hyperspectral remote sensing. 2017 Joint
на корисну модель "Споаб вимiрювання висоти дерев i Urban Remote Sem/img Event (JURSE).
чагарнишв" (Bidolakh, Kuzovych & Bilous, 2017). https://doi.org/10.1109/jurse.2017.7924553
Висновки. Вимiрювання висоти дерев i чагарник1в iз використанням безпiлотного лiтального апарата дае
DJI Phantom 4 - Specs, FAQ, Tutorials and Downtaads. (2017). December 18. Retrieved from: https ://www. dii.com/phantom-4/info Forestry Pro. (2017). November 06. Retrieved from: http://imaging.ni-
3MOry npOBOgHTH rarnpn 3 g^HTb bottom TOnmCTW. kon.com/lineup/sportoptics/laser/forestrypro/
TaKHH nigxig gonoMarae yHHKHyTH 6iflbmocri HegomKiB Markham, D. (2017, September 12). This startup wiU use drones to
icHyMHHX aHanoriB. 3anp0n0H0BaHHH cnoci6 ycyBae Heo6- map forests and plant trees at 1/10th of the usual cost. November
xigmcTb 3aK^agaHHa 6a3HCHo! Biggani, gae 3Mory np0B0- 06. Retrieved from: https://www.treehugger.com/clean-techno-gHTH Bi3yBaHHH Ha gincHy BepxiBKy gepeBa Ta nonermye
визначення висоти в умовах складного рельефу. Вико- Phelps J Webb= E L- & Agrawal A (2010) Does КЕГО Threaten
ристання при цьому сучасного шструментарш створюе to Recentralize Forest Goremarn*? Science, 328(5976), 312-313. умови для збереження просторово! та висотно! атрибутивно! шформацп в цифровому виглядi разом iз фотоз-
logy/startup-using-drones-plant-trees-110th-usual-cost.htm1 helps, J., Webb, E. L., & Agrawal, A. (20 to Recentralize Forest Governance? Scie https://doi.org/10.1126/science. 1187774
Д. И. Бидолах1, А. М. Билоус2, В. С. Кузёвич1
1 ППНУБиП Украины "Бережанский агротехнический институт", г. Бережаны, Украина 2 Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины, г. Киев, Украина
ИЗМЕРЕНИЕ ВЫСОТЫ ДЕРЕВЬЕВ И КУСТАРНИКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КВАДРОКОПТЕРА
Исследована возможность использования беспилотного летательного аппарата (квадрокоптера) для измерения высоты деревьев и кустарников. Установлено, что наведение прицела беспилотного летательного аппарата с размещенной на нем камерой на основание дерева и его вершину перпендикулярно отвесной оси ствола, позволяет фиксировать его параметры с помощью GPS-приемника в трехмерной системе координат x, y, z. Эту информацию можно использовать для определения высоты измеряемого объекта с сохранением пространственной и высотной атрибутивной информации в цифровом виде вместе с фотоснимком верхушки. Апробация предложенного способа измерения высоты проведена на базе смешанных насаждений лесных массивов ГП "Бережанское лесоохотничье хозяйство" и парковых насаждений в Бережанском призамко-вом парке на Тернопольщине. При этом, для сравнения точности измерения, выполнено одновременное определение высот деревьев и кустарников с помощью лазерного высотомера Nikon Forestry 550, оптического высотомера ВА и лесного высотомера-угломера УЛ-1. Выявлено, что предложенный способ определения высоты деревьев и кустарниковых пород позволяет получать результаты высокой точности (с отклонением до 2 %) без необходимости установки базового расстояния при измерениях. Кроме того, такой подход позволяет проводить визирование на действительную вершину дерева и облегчает определение высоты в условиях загущенных древостоев.
Ключевые слова: высота; дерево; беспилотный летательный аппарат; высотомер; GPS; Phantom 3 Advanced.
D. I. Bidolakh1, A. M. Bilous2, V. S. Kuzyovych1
1 Berezhany Agrotechnical Institute of National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, Berezhany, Ukraine
2 National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine
MEASUREMENT OF THE TREE AND SHRUB HEIGHT WITH THE HELP
OF UNMANNED AERIAL VEHICLES
An important factor in maintaining modern forestry and park gardening is high quality and accuracy of forestry and tax indicators in the process of inventory and forest and park management and other related studies. One of the promising directions for development of the modern technologies is the involvement of unmanned aerial vehicles (UAVs) to undertake various researches. Therefore, we worked out the possibility of quadrocopter application to measure forestry and taxis indicators in the process of inventory of greenery and for the needs of forest and park management, including for tree and shrub height measuring. An experiment was conducted by the authors of this research. In this work researchers used Phantom 3 Advanced quadrocopter to get the information about the tree height by guiding the sight of the UAV camera to the bottom and top of the tree trunk. The shooting was carried out perpendicularly to the pivotal axis of the trunk. This approach allows fixing its parameters with a GPS receiver in a three-dimensional coordinate
system. This information can be used to determine the height of the measured object with getting the spatial and high-altitude attributive information in digital form together with the photograph of the top of trees. Approbation of the proposed method of height measurement was carried out on the basis of mixed tree plantation of the State Berezhany Forestry and park plantations in the Berez-hany Prizamkovyj Park in the Ternopil region. At the same time, in order to compare the accuracy of the measurement, we simultaneously determined tree and shrub heights using a Nikon Forestry 550 laser altimeter, an optical altimeter VA, and a forest altimeter-goniometer VUL-1. It is revealed that the proposed method for determining the height of trees and shrubby species allowed obtaining results of high accuracy (with a deviation of up to 2 %) without the need to define a reference distance in measurements. In addition, this approach allows making a precise sight at the actual top of the tree and makes it easier to determine the height in conditions of the thickened stands.
Keywords: height; tree; unmanned aerial vehicle; altimeter; GPS; Phantom 3 Advanced.
