Разработка методики актуализации информации о лесных ресурсах на основе данных с беспилотного летательного аппарата

Системной проблемой, сдерживающей эффективное лесопользование в Российской Федерации, является отсутствие достоверной информации о наличии лесных ресурсов. Отсутствие проведения плановых лесоустроительных работ не позволяет актуализировать таксационные и картографические базы данных предыдущего лесоустройства и вести государственный лесной реестр. В сложившейся ситуации арендаторы участков лесного фонда вынуждены проводить актуализацию материалов лесоустройства за счет собственных средств. Как известно, выполнение таких работ связано со значительными организационными и техническими издержками. Таким образом, существует острая необходимость в совершенствовании методов и технологий сбора и обработки информации о лесных ресурсах.
В настоящее время существует множество разнообразных методов мониторинга территории начиная от непосредственно полевых, до применения фото и лазерной съемки с воздушных судов, получения цифровых спутниковых изображений территории из космоса. Ранее на протяжении долгого времени авторами исследования для целей мониторинга и обновления информации о лесах использовались данные со спутниковых систем среднего и высокого разрешения. Со временем стал очевиден тот факт, что использование данных такого рода не дает необходимого уровня точности и, зачастую, не позволяет достоверно определить ряд таксационных параметров насаждений. После анализа современного иностранного и российского опыта дистанционного сбора информации о территории, было принято решение об использовании относительно недорогих и в то же время детальных методов съемки земной поверхности с применением беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
Коллективом авторов была разработана методика обновления информации о лесных ресурсах с использованием съемки с БПЛА. Методика включает набор методов обработки изображений, работы с картографическими и атрибутивными геоинформационными слоями, статистических методов расчета параметров лесных насаждений. Наибольший научный интерес представляет метод автоматизированного выделения крон деревьев.
Исходный материал со съемочной системы БПЛА был представлен цифровым снимком, на котором изображен лесной участок, пространственное разрешение снимка 5 сантиметров на пиксель. На изображении визуально различимы кроны деревьев и межкроновые пространства.
К изображению был применен ASF-фильтр (alternating sequential filtering) с размером окна в 2 пикселя. Данный метод фильтрации изображения относится к алгоритмам морфологической обработки растра. Суть метода заключается в использовании морфологических операций «открытие» и «закрытие» применительно к обрабатываемому изображению. Следующим шагом определялись локальные максимумы растра. Далее изображение было обработано методом водораздела. При использовании данного метода растр представляется в качестве трехмерной поверхности, точки которого заданы двумя пространственными координатами, а в качестве высоты выступает уровень яркости. Применение алгоритма сегментации по водоразделам часто приводит к эффекту избыточной сегментации, вызванной шумом и другими локальными неровностями на изображении. Подход, применяемый для управления избыточной сегментацией, основан на идее маркеров. Маркером является связная компонента, принадлежащая изображению. В нашем случае в качестве маркеров задавались выделенные ранее локальные максимумы вершин деревьев.
Результатом предложенной методики является набор контуров крон деревьев в лесном массиве, полученных автоматизировано с использованием описанной методики. После получения изображения с выделенными контурами крон была проведена процедура векторизации с целью интегрирования и последующей обработки в геоинформационной системе.
В качестве практического применения разработанных методов был выполнен проект актуализации таксационной информации об арендном участке лесного фонда на территории Архангельской области по заказу коммерческой организации. В результате были получены актуальные картографические и атрибутивные материалы, которые были переданы заказчику для руководства при ведении хозяйственной деятельности на лесном участке.
Исследование проводится при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Архангельской области в рамках научных проектов №14-07-98801 «р_север_а», 14-07-31076 «мол_а».