Моделирование древостоев для оценки видимости пламени через лесной полог с малых высот

Эффективность применения беспилотных летательных аппаратов для раннего обнаружения возгораний в лесах зависит от выбора авиационных платформ, регистрирующей аппаратуры, режимов обследования местности, геометрии визирования (Ambrosia, Zajkowski, 2015). Разнообразие возможных вариантов реализации процедур мониторинга лесов с помощью таких средств, особенно в свете расширения использования группировок малых аппаратов (Sherstjuk et al., 2019), требует исследования видимости объектов (очагов горения) при разных схемах контроля как в натурных, так и в вычислительных экспериментах. Настоящая работа нацелена на изучение влияния детальности воспроизведения структуры древостоев трехмерными моделями на показатели, отражающие видимость пламени через кроны в виртуальных сценах, и продолжает серию проведенных ранее изысканий (Мателенок, 2021, Matelenok et al., 2021).
В роли объектов-оригиналов выступают березовые древостои. Рассматриваются модели деревьев трех типов: модели в виде эллипсоидной оболочки, заполненной листовыми пластинками (тип I), модели на основе скелета трихотомической L-системы (тип II) и модели на основе данных лазерного сканирования местности (тип III). Модели разных типов, сравниваемые друг с другом, включают в себя массивы полигональных листовых пластинок в количестве, соответствующем выбранному значению индекса листовой поверхности, и различаются способом представления стволов, ветвей, а также расположением фитоэлементов. Модели I и II типа сгенерированы на базе параметрических описаний, модели III типа построены путем обработки облаков точек, полученных в ходе работ на тестовом участке Приозерского района Ленинградской области с помощью лазерного сканера Trimble X7 весной 2022 г. Для создания итоговых моделей был использован язык программирования R с дополнительными библиотеками, а также программное обеспечение Cloud Compare.
Вычислительные эксперименты по анализу видимости пламени проводились в виртуальных пространствах специализированного программного обеспечения от DIAL Gmbh, куда были внедрены построенные модели деревьев, а также модели пламени и отражающих поверхностей. При различном расположении элементов сцены определялась поверхностная плотность потока излучения очага горения при его визировании сквозь кроны, в результате были получены оценки коэффициента пропускания излучения пологом. Проведенные эксперименты показали, что в области малых угловых высот (0 – 40 град.) для моделей II и III типа наблюдается существенный разброс значений коэффициента, связанный с эпизодами экранирования излучения источника стволами и крупными ветвями. Вытянутость кроны в вертикальном направлении обуславливает уменьшение пропускания излучения единичным деревом при возрастании угловой высоты сенсора. В случае рассмотрения системы крон наблюдается зависимость пропускания на разных углах визирования от отношения линейных размеров крон и величины межкроновых промежутков. Максимальная разница в значениях коэффициента пропускания между моделями I и II типов составляет 25% и достигается в диапазоне углов 65 – 90 град (при индексе листовой поверхности, равном 2.5). Детальные трехмерные модели типа III обеспечивают более выраженное экранирование излучения, при этом коэффициент пропускания уменьшается относительно значений, отмечаемых для моделей II типа, почти в два раза (на углах визирования 40 – 60 град.).
Полученные данные показывают, что выбор способа модельного представления древостоев может существенно влиять на результаты вычислительных экспериментов по анализу видимости пламени. Это позволяет ставить вопрос о необходимости поиска баланса между вычислительными затратами на создание виртуальных моделей и сцен для таких целей и точностью отражения поведения реальной системы. Для решения подобных задач запланировано создание новых модельных описаний и продолжение серии экспериментов.