Ідентифікація та оцінювання висот дерев сосни звичайної у насадженнях чорнобильської зони відчуження стереофотограмметричним способом

Размещено на http://www.allbest.ru//

Ідентифікація та оцінювання висот дерев сосни звичайної у насадженнях чорнобильської зони відчуження стереофотограмметричним способом

Д. М. Голяка

Розглянуто можливості використання аерофотозйомки за допомогою безпілотного літального апарату та подальшого оброблення отриманих зображень стереофотограмметричними підходами для ідентифікації дерев сосни звичайної та оцінки їх висоти у зімкнутих деревостанах способом порівняння даних, отриманих для кругової пробної площі внаслідок аерофотозйомки та в польових умовах лазерно-оптичними далекомірами, що використані як контрольні значення. Встановлено можливість ідентифікації верхівок стовбурів дерев сосни звичайної за допомогою алгоритмів пошуку максимумів растрів у програмних продуктах ГІС. Підтверджено неможливість детектування дерев нижніх елементів ярусу шляхом застосування радіусів пошуку максимумів малих розмірів (0,5 м), що спричиняє помилкову ідентифікацію значної кількості локальних максимумів (бокових гілок) як окремих дерев. Збільшення розмірів радіусу фільтрації виявлення максимальних значень растра цифрової моделі висоти крони досліджуваного деревостану до 1 м дало змогу з достатньою точністю оцінити висоту (стандартне відхилення 0,44 м) 27 дерев у верхній частині лісового пологу. Це свідчить про перспективність використання перелічених підходів для встановлення лісотаксаційних параметрів насаджень не лише з науковою метою, а й під час проведення лісовпорядкування і лісоінвентаризації, оскільки верхня висота деревостану має тісні функціональні зв'язки з іншими таксаційними ознаками.

Ключові слова: безпілотний літальний апарат; лісова таксація; дерево; аерозйомка; ГІС; растр; модель висоти крон (CHM).

аерофотозйомка деревостан висота

Вступ

Збільшення обчислювальних можливостей інформаційних технологій, значне поліпшення цифрової зйомки оптичними камерами, підвищення точності геопросторового позиціювання та багато інших факторів уможливили використання безпілотних літальних апаратів (БПЛА) для картування локальних об'єктів, що мають невелику площу. Розвиток програмного забезпечення (ПЗ) в напрямку фотограмметрії дав змогу створювати різні форми представлення досліджуваних територій у 3D просторі та будувати цифрову модель рельєфу (DEM) чи (або) місцевості (DSM), а також ортофотоплани, спираючись на великі колекції цифрових фотозображень та їх метадані. Наразі на ринку існує велика кількість конкуруючих пакетів ПЗ за цим напрямком, найвідомішими з яких є Agisoft Photoscan, Drone Deploy, Pix4D та ін. Професійні версії цих продуктів дають змогу вирішувати велику кількість завдань, що постають під час моніторингових досліджень дерев'янистих фітоценозів, представлених як високопов- нотними деревостанами, так і поодинокими чагарниковими угрупованнями рослинності.

На підставі фотографічних матеріалів, отриманих з БПЛА за допомогою цифрових стереофотограмметричних підходів, реалізовано алгоритми ідентифікації верхівок дерев (Mohan et al., 2017), встановлення їх висоти (Wallace et al., 2016), розділення крон дерев та оцінки їх площі (або діаметрів) проекцій (Panagiotidis et al., 2017), розпізнавання деревних видів за закономірностями форми поверхні крони (Brovkina et al., 2018) та інші (Puliti et al., 2017; Giannetti et al., 2018; Oteroa et al., 2018; Abdollahnejad et al., 2018). Аналіз наукових робіт за цією тематикою виявив певну неоднозначність у вихідних результатах, отриманих щойно переліченими методами (Goodbody et al., 2017), що спричинено високими показниками точності використовуваних алгоритмів для встановлення параметрів поодиноко ростучих дерев і кущів, а також паркових і старовікових деревос- танів, та зазвичай незадовільними результатами для зімкнутих листяних деревостанів. Однак зазначена технологія може вдало застосовуватись для покращення л і- соінвентиризаційних чи лісовпорядних робіт, або реалізації радіоекологічного моніторингу лісових екосистем в межах Чорнобильської зони відчуження, зокрема у важкодоступних місцях та в разі високих рівнів радіоактивного забруднення лісових ділянок. Значну перевагу зазначені підходи можуть мати для відбору репрезентативних ділянок лісу, як проміжної ланки за використання даних супутникового моніторингу, тому що ортофоплани і цифрові моделі просторових об'єктів, отримані цим способом, мають значно більшу роздільну здатність.

Мета дослідження - апробація стереофотограмметричного оброблення цифрових отриманих із БПЛА зображень для оцінки кількості дерев сосни звичайної та їх висот у Чорнобильській зоні відчуження.

Матеріал та методи дослідження. Дослідження проводили в лісовому фонді ДСП "Північна пуща" у Лубенському лісництві на південній межі 20 виділу 314 кварталу (географічні координати GPS WGS 84: N 51,354° E 29,990°), на круговій пробній площі радіусом 12,6 м, що представлена різновіковими молодими деревами сосни звичайної (до 30 років). Середня висота деревостану становила 12,6 м.

Аерофотозйомку виконано квадрокоптером компанії DJI, модель Pantom 4 Pro стандартної комплектації, на висоті 40 м від поверхні ґрунту. Стереофотограмметричну обробку здійснено за допомогою програмного продукту Agisoft Photoscan 1.4.4. Вихідні растри DSM і DEM оброблено зі застосуванням пакетів ПЗ QGIS 2.18.15 та ArcGIS 10.6. Встановлення розташування дерев та їх висот, на підставі аерозйомки, здійснено з використанням фільтру "Focal Statistics" групи інструментів "Spatial Analyst" ПЗ ArcGIS із радіусом пошуку максимальних значень (R) 0,5, 0,75 та 1,0 м на вихідному растрі Canopy height model (CHM), який розраховано як різницю DSM і DEM. Розміщення і висоту дерев у польових умовах ручним способом оцінено лазерно-оптичним далекоміром TruPulse 360B з використанням ПЗ MapSmart (Laser Technology, Inc.). Отримані польові дані використано як фактичні (контрольні) показники для оцінення якості ідентифікації дерев і встановлення їх висоти методом стереофотограмметричного оброблення фото з БПЛА.

Результати дослідження. На рис. 1 представлено, в межах круглої пробної площі, ортофоплан із фактичним розміщенням дерев і значеннями виміряних висот дерев ручним лазерно-оптичним далекоміром, а також частину CHM растра з ймовірними "верхівками" зі застосуванням фільтрування максимальних значень різних радіусів, що надалі використовуватимуться для можливостей розпізнавання дерев сосни звичайної.

Аналіз зображень на рис. 1 вказує на цілком закономірне збільшення кількості максимумів при фільтрації CHM растра радіусами менших розмірів. Так, при ідентифікації R=0,5 м з'являється велика кількість максимумів, що не відповідають реальним верхівкам стовбурів. Однак у верхньому діапазоні висот (12,5-15,4 м) практично всі реальні верхівки дерев були ідентифіковані (30 із 31 стовбурів дерев). Зі збільшенням радіуса фільтрації пікселів CHM спостерігається зменшення кількості виявлених максимумів, хоча зростає їх частка відповідності фактичним стовбурам дерев на круговій пробній площі (таблиця).

Обговорення результатів дослідження. Реалізація підходів дистанційної оцінки кількості і висоти дерев для зімкнутих молодих і середньовікових соснових деревостанів методами стереофотограмметричного оброблення зображень аерозйомки із БПЛА із наступним застосуванням алгоритму фільтрації максимальних значень має низку недоліків, пов'язаних із неможливістю детектування низьких дерев під пологом лісу та помилковим виділенням верхівок дерев, що розташовані в межах радіуса фільтрації.

Таблиця. Розподіл фактичних і прогнозованих висот

Описаними у роботі підходами неможливо здійснити вимірювання висоти для кожного дерева. Однак у лісотаксаційній науці верхня висота деревостану має важливіше значення, ніж середня висота, що зумовлено її меншою мінливістю порівняно зі середньою висотою внаслідок меншої залежності від проведення рубань, тому зазначений показник більш вдало використовується для розроблення нормативного забезпечення ходу росту деревостанів, при цьому обидва показники мають сильну тісноту зв'язку ^госШткіу, 1992). Тому оцінювання верхніх висот є доволі інформативним показником у створені відповідного інформаційного забезпечення.

Важливішою для практичного застосування зазначеної методології є саме точність визначення висоти вже для правильно ідентифікованих стовбурів дерев. Для оцінки похибок зазначених показників, порівняли значення висоти дерев, отримані в польових вимірюваннях та за допомогою аерозйомки за різних значень радіусів фільтрації максимальних значень (див. рис. 2).

Рис. 2. Співвідношення між значеннями висот дерев, отриманих різними способами

Порівняння фактичних висот дерев з оціненими аерозйомкою (рис. 2) вказує на зростання точності визначення висоти дерев зі збільшенням радіуса фільтрації максимальних значень CHM растра, що спричинено потраплянням щораз вищих дерев до вибірки зі збільшенням радіуса фільтрації. Якщо при R=0,5 м стандартне відхилення (SD) прогнозованих значень висоти дерев від фактичних становило 0,73 м (41 дерево), то при R=0,75-0,62 м (36 дерев) і R=1,0-0,44 м (27 дерев), відповідно зростають значення лінійного коефіцієнта кореляції між ознаками (r): при R=0,5 м він становить 0,67, при R=0,75-0,78 м та при R=1,0-0,88 м, які є статистично значущими (p<0,05). Правильне детектування високих дерев із доволі точним визначенням їх висоти у разі застосування фільтра пошуку максимумів R=1,0 м робить цілком прийнятним застосування методу для молодих і середньовікових деревостанів сосни звичайної. Однак потрібна подальша експериментальна робота у зазначеному напрямку для розробки алгоритмів перетворення дистанційних даних з БПЛА у інформацію, придатну для вирішення задач лісової науки і виробництва.

Висновки

За результатами проведених досліджень встановлено можливість автоматичної ідентифікації верхівок найвищих дерев сосни звичайної у зімкнутих деревостанах, використовуючи засоби ГІС після стереофотограмметричного оброблення зображень аерозйом- ки із БПЛА, що досягнуто підходами пошуку максимумів на вихідному растрі моделі висоти крон (CHM) із застосуванням фільтрів різних радіусів (0,5, 0,75 та 1,0 м). Застосовуючи фільтр радіусом 1,0 м, виявлено найменшу кількість виділених максимумів, однак усі вони відповідали реальним деревам, а також для них спостерігається найкраща точність у визначені висоти (Ј0=0,44 м). Стандартне відхилення у визначені висоти найвищих дерев за допомогою БПЛА наблизилося до рівнів ручних висотомірів. Особливо актуальними зазначені способи є для важко доступних і радіоактивно забруднених лісів Чорнобильської зони відчуження, де перебування людини тривалий час призводить до отримання нею значної дози зовнішнього іонізуючого випромінювання.

Размещено на Allbest.ru