Лидарная технология

Путь к современной инвентаризации запасов лесных массивов

Точная и актуальная информация о распределении лесных запасов позволяет планировать лесозаготовки в соответствии с запросами промышленности. Снабжение древесиной упрощается, и уменьшается необходимость промежуточного хранения лесоматериалов. Использование лидара позволит сократить длительность каждого этапа лесной инвентаризации: от сбора данных до принятия управленческих решений о лесе на основе полученных результатов.

Рисунок сегментации

Лидар (англ. LIDAR - световое обнаружение и определение дальности) - это технология получения и обработки информации об удаленных объектах с помощью активных оптических систем. Бортовой датчик на борту самолета или вертолета посылает лазерный импульс по направлению к поверхности земли и регистрирует временной интервал между пуском пучков лучей и их возвращением. Точное трехмерное расположение объектов может быть рассчитано при использовании следующих трех факторов: отрезка времени, необходимого для возвращения луча света к датчику, направление луча света и координаты датчика. Часть лучей лидара отражается от веток, верхушек деревьев и полога леса, часть - от поверхности земли, обеспечивая точную трехмерную информацию о лесных массивах. Таким образом, можно сказать, что лидар - это активная технология дистанционного зондирования, не нуждающаяся в использовании солнечного света, и потому она может быть задействована в любое время дня и ночи.

В Финляндии традиционная инвентаризация лесов по выделам проводится лесничим, занимающимся отводом лесонасаждений на основе данных аэрофотосъемки. Полученные характеристики лесных массивов в разрезе по видам деревьев (в основном это средний диаметр, высота, площадь поперечного сечения и возраст) оцениваются для каждого лесонасаждения с помощью субъективного метода угловых проб. Необходимость совершенствования методологии инвентаризации появилась около 20 лет назад в связи с субъективностью результатов, высокими затратами и неточностью основного метода. В 1990-х годах были начаты исследования по применению данных дистанционного зондирования для усовершенствования традиционного метода инвентаризации, однако результаты исследований показали, что оптические снимки не могут обеспечить требуемую точность.

С появлением на рубеже XX и XXI веков лидарной технологии ситуация в лесном хозяйстве изменилась. Многочисленные исследования, проведенные в те годы в Финляндии и других странах Северной Европы, привели к возникновению идеи лидарной инвентаризации лесов и развитию этой технологии, что стало возможным благодаря взаимному интересу пользователей, научного сообщества и поставщиков передовых решений, а также постоянному обмену информацией между ними.

Финская компания «Арбонаут Лтд» специализируется на разработке решений в сфере геоинформационных систем и обработке данных дистанционного зондирования для разных областей, в том числе лесного хозяйства. Когда лидар вышел на рынок, за счет имеющегося опыта работы в лесном секторе компания стала лидером в коммерческом применении лидара для инвентаризации лесов. Активная исследовательская деятельность специалистов «Арбонаут» вносит решающий вклад в развитие этой технологии. Например, благодаря разработкам Университета г. Лаппеенранта и президента компании «Арбонаут» доктора Туомо Кауранне был создан один из методов моделирования лесных характеристик, основанный на разреженной байесовской регрессии. Пионер лидарной инвентаризации, компания «Арбонаут» разработала технологию «АрбоЛиДАР», которая обеспечивает результаты измерения характеристик лесных массивов, превосходящие по точности те, что были получены традиционными методами инвентаризации, основанными на полевых измерениях.

Доля компании «Арбонаут» на рынке услуг по инвентаризации леса сегодня составляет в Финляндии около 30%, в Швеции - более 50%. В общей сложности услуги по инвентаризации лесных массивов были оказаны на территории более 5 млн га по всему миру.

Лидар позволил устранить ошибки инвентаризации, обусловленные человеческой субъективностью и сложностью определения характеристик леса, которые возникали при оценке аэрофотоснимков. Автоматизация рабочих процессов и новейшие методы сбора и обработки данных, полученных с помощью дистанционного зондирования, позволяют осуществлять инвентаризацию на больших территориях, в более сжатые сроки и с меньшей погрешностью, чем при использовании обычных методов. Передовая технология позволяет оценивать с высокой точностью характеристики леса, занимающего от 30 тыс. до 1 млн га, а за счет экономии времени, которое обеспечивает лидарная технология при инвентаризации, предприятия могут направлять высвободившиеся трудовые ресурсы на другие виды работ. Компании, работающие в финском ЛПК, обнаружили, что теперь могут выполнять пять планов по лесозаготовке за то же время, за какое еще совсем недавно выполняли только один.

«АрбоЛиДАР» - безоговорочный лидер

С помощью технологии «АрбоЛиДАР» можно моделировать характеристики лесных массивов, используя непараметрические методы оценки и входные данные лидара, аэрофотоснимков и пробных площадей с GPS/GLONASS-координатами.

В зависимости от расположения исследуемого объекта лидарные данные собираются разными партнерами компании «Арбонаут». В основном используются данные плотностью около одного импульса на квадратный метр. Сбор данных ведется с высоты примерно 2 тыс. м. Расчет данных инвентаризации выполняется на основе зонального статистического метода в противовес методу, основанному на оценке отдельных деревьев, для которого необходима более высокая плотность лидарных данных. Характеристики лесных массивов оцениваются исходя из распределения лидарных точек высот лесного полога.

Форма и размеры пробных площадей для оценки в разных странах варьируют, площади эти могут быть временными или постоянными, но их местоположение должно быть определено заранее. Определение места расположения пробной площади имеет решающее значение для успешного проведения инвентаризации, точность менее одного метра достигается c использованием цифровых карт и GPS/GLONASS. Как правило, для каждого проекта замеряются 500-700 пробных площадей. Архивные данные (данные прошлых инвентаризаций) также могут быть использованы в качестве дополнительной информации.

Выдел - базовая единица лесного управления, включающая относительно однородный участок леса и определяющаяся на основании природных или эксплуатационных характеристик. Размеры варьируют в зависимости от страны, местности и назначенной цели. Среди прочих критериев определения параметров выдела видовой состав и размер лесов. Выделы могут быть определены как вручную, так и автоматически. Стандартный ручной метод, когда контур лесонасаждений определяется при помощи аэрофотоснимков, занимает много времени и имеет высокую погрешность. В сотрудничестве с клиентами специалисты компании «Арбонаут» разработали уникальный метод автоматического разграничения при определении границ выделов. Принимаются во внимание данные о высоте деревьев, плотности леса и породах, полученные с помощью лидарной технологии.

«АрбоЛиДАР» включает два альтернативных метода оценки, используемых для определения характеристик лесных насаждений на участке любого размера: разреженную байесовскую регрессию и наиболее похожих соседей. Оба метода берут на входе данные из модели высоты полога леса и аэрофотоснимков (независимые переменные) и данные пробных площадей для обучения зависимых переменных (интересующих лесных характеристик, например: высоты, диаметра поперечного сечения и т. д.).

Разреженный байесовский метод определяет для каждой зависимой переменной собственную регрессионную модель. Эта модель является линейной. В первую очередь выбирается независимая переменная, которая в одиночку наилучшим образом объясняет ковариацию зависимых переменных. Затем включаются другие зависимые переменные, до тех пор пока погрешность модели не становится меньше пороговой. Чаще всего выбирается от пяти до семи переменных. На последнем шаге метода автоматически строятся регрессионные модели для каждой зависимой переменной.

Метод наиболее похожих соседей определяет значения лесных характеристик на интересующем участке с использованием взвешенной комбинации значений из наиболее схожих пробных площадей. Для определения схожести используются независимые переменные, которые известны как на пробных площадях, так и на интересующем участке. Расстояние до соседа определяется при помощи канонического корреляционного анализа.

Лидар помогает достичь экономии ресурсов при проведении инвентаризации лесных площадей, а также при последующем процессе планирования лесных операций, поскольку обеспечивает высокое качество данных по лесным ресурсам. По сравнению с традиционной лесной инвентаризацией у лидара выше пространственное разрешение и точность измерений. Крупномасштабные операции по управлению природными ресурсами протекают более гладко, если используются стандартизированные виды информации и данных.

Собранные лидарные данные могут быть использованы в разных целях. Традиционные рельефные карты заменяются цифровыми моделями местности, которые упрощают и удешевляют планирование и управление дорожными и дренажными работами. Планирование лесозаготовок в холмистых местностях также становится проще, а визуализация участков - более реалистичной. С помощью модели высоты полога леса вы можете легко и быстро проверить информацию, относящуюся к высоте леса, такую как лесистость или место посадки молодняков. Сравнение нескольких моделей полога леса для одной и той же территории, посчитанных в разное время, позволяет выполнить анализ произошедших изменений.

Ален МЕНГЕ, «Арбонаут Лтд»