Использование лазерных сканеров RIEGL в лесном хозяйстве

Леса критически важны для обеспечения здоровья окружающей среды. Их способность регулировать климат и водные ресурсы, выполнять экологические функции и обеспечивать среду обитания для растений, животных и человека делает их основой биоразнообразия. Но, к сожалению, эти экологические основы быстро исчезают из-за проблем изменения климата 21 века и глобального потепления. Вырубка лесов не только считается одной из основных глобальных угроз сама по себе, но и оказывает негативное влияние на текущие условия произрастания лесных массивов.

Для отслеживания влияния на климат и лучшего доступа к информации о структуре леса и ее нарушениях, для управления лесными ресурсами, технологии лидарного сканирования являются незаменимыми инструментами. Использование данных лазерного сканирования не только экономит время, но и помогают в постобработке иных видов данных. Лидар (LiDAR) — это революционная технология дистанционного зондирования, которая получила признание ученых всего мира благодаря своей беспрецедентной точности. Использование лидаров значительно изменило подходы к получению цифровых пространственных данных во многих областях применения благодаря одновременно высокой точности и высокой производительности сбора данных.

В последнее время технология LiDAR произвела революцию в структурном анализе леса, сделав его жизненно важным инструментом для оценки растительности, в том числе - структуры крон (VCS). Это особенно востребовано при анализе густых и сложных лесных массивов, в которых невозможно проведение ручной оценки или тестовых рубок.

Неважно, насколько продвинута технология - важны инструменты, реализующие технологию на практике. Компания RIEGL является ведущим разработчиком и поставщиком лазерных сканеров и систем лазерного сканирования уже более 40 лет. Компания имеет подтвержденный опыт исследований и разработок, производя лазерные сканеры мирового класса с использованием передовых технологий, которые выполняют задачи измерения с высочайшей точностью.

Лидары в лесном хозяйстве

Прежде чем обсуждать самые последние достижения в этой области, начнем с основ. Бортовые лазерные системы (профилографы) были впервые представлены в конце 1970-х и начале 80-х годов, но коммерциализированы только в середине 90-х. Литературные источники, в которых говорится о LiDAR, отмечают первенство европейцев в этой области.

Профессора Фридриха Аккермана называют «папой» технологии LiDAR. Его интерес к изучению возможностей технологии LiDAR был основан на требованиях к созданию качественных цифровых моделей рельефа (DEM) в лесах.

В начале 2000-х годов развитие LiDAR в лесном хозяйстве продолжалось, поскольку технология использовалась для выполнения трехмерного (3D) анализа структуры леса и местности. Многие специалисты и исследователи в области лесного хозяйства считают LiDAR прорывным методом дистанционного зондирования (ДЗ) для применения в лесной промышленности.

Кроме того, способность лидара отображать топографию и лесной покров со сверхвысоким уровнем точности не имеет себе равных по сравнению с любыми другими данными дистанционного зондирования. На сегодняшний день разработаны методы оценки и вычленения отдельные лиственных деревьев, определение ряда заданных параметров инвентаризации леса, включая объем древесины и густоту стволов, расчет объема отдельных стволов и т. д. – все это делается, используя технологию LiDAR.

Виды лидаров

Классификация сенсоров LiDAR может быть выполнена на основе их платформ, базовых технологий и режима работы. Если датчик прикреплен к самолету, вертолету или беспилотной платформе, сканирование LiDAR будет называться воздушным лазерным сканированием (ВЛС). Если в технологии используются статические лазерные сканеры, то она называется наземным лазерным сканированием (НЛС).

Как воздушное (ВЛС), так и наземное (НЛС) лазерное сканирование являются хорошо зарекомендовавшими себя и известными технологиями для применения в лесных массивах. Если, с одной стороны, данные воздушного лазерного сканирования (ВЛС) позволяют картографировать леса в больших масштабах, данные наземного лазерного сканирования (НЛС), с другой стороны, предоставляют облака точек с высоким уровнем детализации для относительно небольших регионов. Таким образом, данные наземного лазерного сканирования (НЛС), охватывающие небольшие участки территории, снятой в ходе авиазалета методом воздушного лазерного сканирования (ВЛС), могут быть полезны для «калибровки» параметров обработки данных при проведении лесоустройства. Таким образом, две процедуры сбора данных оптимально дополняют друг друга.

Однако в последнее время (благодаря достижениям в области технологий) использование небольших беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) резко возросло. БПЛА были признаны важными инструментами дистанционного зондирования благодаря новым алгоритмам, таким как масштабно-инвариантное преобразование признаков (SIFT), которые могут напрямую привязываться к географическим координатам и исправлять изображения, используя сведения о положения съемочного устройства, полученные с невысокой точностью. Эти платформы могут быть изменены и оснащены различными датчиками, такими как датчики лазерного сканирования или цифровые камеры.

Есть несколько компаний, которые производят сканеры и системы сканирования для пользователей БПЛА. Одной из них, известной своими выдающимися технологиями, качеством сборки и эффективностью применения, является компания RIEGL Laser Measurement Systems

Технология RIEGL's Ultimate Waveform LiDAR™

Компания RIEGL предлагает гарантированные инновации в 3D, предоставляя пользователям высокоточные, чрезвычайно эффективные и высококачественные 3D-данные. Бренд завоевал доверие своих клиентов, взяв на себя обязательства поставлять качественные, надежные, долговечные и высокопроизводительные продукты и услуги. Приоритетом компании RIEGL является предоставление пользователям передового оборудования для всех видов технологий LiDAR, т. е. наземного, промышленного, мобильного, воздушного, батиметрического и лазерного сканирования – в том числе и на базе БПЛА - в сочетании с такими же современными программными пакетами обработки данных. Эта комбинация обеспечивает превосходное качество и производительность при сборе и обработке данных, что, в свою очередь, дает возможность эффективного применения систем RIEGL для широкого спектра геодезических приложений.

Оцифровка полной формы отраженного сигнала является основной технологией лазерных измерительных систем RIEGL. Технология основана на уникальных методах для разрешения неопределенностей дальности, вычленения нескольких отражений от одного исходного лазерного импульса, использовании оптимального распределения измерений по поверхности объекта, калиброванных амплитуд принятых сигналов и оценок отражательной способности поверхностей объекта, а также интеграции и коррекции компонентов системы. Кроме того, 3D-сканеры RIEGL обладают широким диапазоном рабочих характеристик.

В технологии Ultimate Waveform LiDAR™ от компании RIEGL особое внимание уделяется использованию импульсных лазерных измерений, в которых дальность определяется по времени прохождения сигнала; используются, для различные длины волн. Широкий ассортимент датчиков и систем RIEGL LiDAR обеспечивает чрезвычайно плотное облако точек, идеально подходящее для дальнейшей постобработки при решении задач в лесном хозяйстве. Отличное проникновение вглубь растительности и расчет комплексных моделей местности стали возможными благодаря регистрации нескольких отражений от одного импульса. Классификация точек лазерных отражений является основой для обнаружения деревьев, отслеживания роста, моделирования высоты и обнаружения валежника (CWD).

В следующем разделе мы рассмотрим примеры использования наземных, воздушных и беспилотных лазерных сканирующих систем RIEGL.

Воздушное лазерное сканирование (ВЛС)

Воздушное лазерное сканирование, или лазерная альтиметрия, представляет собой метод активного дистанционного зондирования, который определяет топографию поверхности Земли путем измерения длительности прохождения излучаемого лазерного импульса туда и обратно. Принцип включает в себя использование фотодиода, который регистрирует отраженное эхо от лазера, который излучает короткие инфракрасные импульсы к поверхности Земли. Он помогает получать трехмерные данные о больших площадях, например, сельскохозяйственных и лесных участках, с исключительной точностью, эффективностью и оперативностью. Кроме того, воздушное лазерное сканирование является одним из лучших и наиболее важных методов сбора данных для управления лесными ресурсами.

RIEGL производит широкий спектр бортовых сканеров и сканирующих систем. Серия RIEGL VQ-1560 специально разработана для съемки больших площадей. Эти двухканальные системы сканирования LiDAR предлагают дополнительные отсеки для двух камер, а высокопроизводительный блок инерциальных измерений (ИНС)/глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) дополняет систему. Используются две камеры: 150-мегапиксельная RGB-камера и тепловизионная или ближняя инфракрасная (NIR) камера. Первая используется как основная камера, а вторая — как дополнительная. В конструкции предусмотрен монтажный фланец для использования типовых люков или гиростабилизированных платформ, что делает систему готовой к интеграции с вертолетами и самолетами.

Одна из сканирующих систем серииRIEGL VQ-1560, получившая название VQ-1560i-DW - с двойной длиной волны, особенно подходит для применения в лесном хозяйстве. Она объединяет два лазерных луча с двумя разными длинами волн, т. е. зеленый (с длиной волны 532 нм) и инфракрасный (с длиной волны 1064 нм), каждый из которых работает с частотой повторения лазерных импульсов до 1 МГц, что дает в общей сложности более 1,3 миллиона измерений в секунду. Кроме того, формируется два отдельных облака точек с регистрацией интенсивности в зеленом и инфракрасном диапазоне длин волн. VQ-1560i-DW позволяет получать трехмерные спектральные индексы, такие как индекс вегетации, нормализованный зеленым (GNDVI), по всему пологу.

Таким образом, состояние лесов можно отслеживать, выявляя спектральные изменения в нижних частях крон деревьев, где разворачиваются первые признаки болезней деревьев. Кроме того, можно нанести на карту подлесок леса, который может вызвать лесные пожары. Эта возможность трехмерного вертикального спектрального картирования уникальна и предоставляет достоверные данные для проверки состояния лесных массивов в отношении видового состава пород деревьев, здоровья деревьев и структуры подлеска.

Например, на рис. 1 облако точек, полученное с помощью ВЛС, покрывает огромную лесную территорию. Показан пример визуализации информации о высоте полога леса, покрытии крон и маске растительности для конкретной области данного участка.

Возможность получать данные измерений на больших площадях и предоставлять подробные данные о больших лесных массивах делает воздушное лазерное сканирование особенно интересным для научных и исследовательских проектов. Например, профессор Йорг М. Хакер, главный научный сотрудник Airborne Research Australia и Университета Флиндерса, использовал бортовые лазерные сканеры RIEGL для многочисленных проектов. В 2020 году профессор Хакер вместе со своей командой задокументировал последствия грандиозных австралийских пожаров и участвовал в последующем восстановлении лесов.

Рис.1. Высота полога леса: 1) высота деревьев (показана цветовой шкалой от синего до красного) в соответствии с высотой над землей. 2) Карта проективного покрытия крон: местность окрашивается в зависимости от процента покрытия растительностью. 3) Маска растительности: участки растительности высотой 3 м и выше, превышающие 10 кв. м.

Наземное лазерное сканирование

Наземное лазерное сканирование (НЛС) представляет собой активный метод съемок, который работает аналогично воздушному лазерному сканированию, но со статических положений. В прибор добавляется привод горизонтального поворота сканирующего луча. Эта технология находит применение в самых разных областях, включая геодезию, инженерию, науки об окружающей среде и лесное хозяйство.

В области инвентаризации и мониторинга лесов НЛС показало большой потенциал. Основные плюсы: быстрое полуавтоматическое определение параметров насаждений, таких как густота деревьев, высота, диаметр на высоте груди (DBH), объемная оценка всего дерева, индивидуальное моделирование архитектуры ветвей и характеристика типов растительности. Данные с НЛС позволяют проводить точные измерения деревьев в лесу, которые выполняются и оцениваются с использованием статистических моделей и призваны ответить на вопрос вроде: «Сколько древесины находится в лесу?», «Каков годовой прирост?» и «Какой тип ущерба растительности имеет место, увеличивается он с течением времени или уменьшается?».

Процесс работы наземных лазерных сканеров показан на приведенных рисунках. В этом примере все данные были обработаны с помощью инструментария 3D Forest.

Рис.2. Профиль облака точек наземного лазерного сканирования.

Программное обеспечение 3D Forest

Это программное приложение с открытым исходным кодом, признанное большим числом исследователей во всем мире для сегментации, визуализации, измерения и экспорта различных параметров деревьев по данным наземного лазерного сканирования (НЛС). Изображение поперечного сечения леса, снятого наземным сканером, показано на рисунке 2, тогда как на рисунке 3 показано, как можно выполнить сегментацию, расчет высоты деревьев, покрытие кроны и создать выпуклые каркасные модели отдельных деревьев. Кроме того, выполнен расчет количества углерода, который поглощается в лесу; проведена оценка биоразнообразия. В большинстве случаев несколько сотен пробных площадей распределяются по изучаемой лесной площади, после чего проводятся очень точные измерения. Отметим, что существуют различия между государственной инвентаризацией лесов, которую обычно проводят государственные учреждения, и оперативной инвентаризацией лесов, поддерживающей устойчивое лесопользование лесохозяйственного предприятия.

В ходе съемок, наземные лазерные сканирующие системы RIEGL быстро и точно производят подробные и чрезвычайно малошумные 3D-данные. Все сканеры RIEGL — это прочные и портативные приборы, которые прошли тщательные испытания для обеспечения надежной работы даже в самых непредсказуемых и экстремальных условиях.

Одним из наземных лазерных сканеров RIEGL является RIEGL VZ-400i. Его можно использовать на штативе или установить на мобильной платформе в режиме Stop-and-Go, что позволяет сканировать область пространства на 360 градусов по горизонтали и на 100 градусов по вертикали. Круговой скан со стандартным расстоянием между точками (7 мм на расстоянии 10 м) снимается и записывается всего за 45 секунд, в результате чего получается 20 миллионов точек измерений в 3D, которые также можно раскрасить одновременно полученными фотографиями. Каждой точке измерения присваивается 3D-координата, которая сначала вычисляется в системе координат сканера, а затем автоматически привязывается к географическому положению с помощью данных ГНСС.

Рис.3. 1) Выделение отдельных деревьев в облаке точек, полученных методом наземного лазерного сканирования. 2) Облако точек сегментируется на отдельные деревья. Из сегментированных облаков точек получаются высоты деревьев и площадь покрытия крон. 3) Выпуклые оболочки отдельных деревьев рассчитываются по сегментированному облаку точек.

С одной стороны, это обеспечивает точную  геолокацию каждого отдельного дерева в общеземной системе координат. Но, что  гораздо важнее -  вся окружающая среда в радиусе видимости измеряется с точностью до миллиметра при одном единственном сканировании. Возможность работы с несколькими целями позволяет получать несколько эхо-сигналов для каждого отдельного измерительного импульса. Можно проникнуть даже в самую густую растительность, чтобы показать точные данные о каждом элементе лесного покрова от кроны дерева до земли. Чтобы получить цифровой двойник участка леса без «мертвых зон», сканер необходимо установить в нескольких разных местах. Технология RIEGL позволяет выполнять сканирование до 50 позиций в течение часа. Применяя так много позиций сканирования, можно полностью устранить «мертвые зоны».

Гюнтер Броннер, генеральный директор Umweltdata, австрийского поставщика услуг лазерных измерений для инвентаризации леса, работает с RIEGL VZ-400i более 2 лет. Для него это была очень привлекательная идея: предоставить утомительное и подверженное ошибкам ручное измерение деревьев сканеру. Но только RIEGL VZ-400i смог убедить его в своих возможностях. "Марки для привязки? - Они вам не нужны! Точное планирование точек установки? Выравнивание сканера? Забудьте об этом! 15 минут на сканирование? С VZ-400i сканирование занимает полминуты! Мы пробовали,  и результат нас убедил», — отзывы господина Броннера.

Рис.4. Выполнение съемки с использованием наземного лазерного сканера RIEGL VZ-400i

Лазерное сканирование с БПЛА  (БПЛС)

В последнее время беспилотные летательные аппараты (БПЛА) приобрели важное значение, поскольку они представляют собой экономически эффективное решение для исследований, требующих частых съемок  небольших территорий с воздуха. БПЛА, работая с малых высот, обеспечивают улучшенное пространственное разрешение и точность.

В недавних исследованиях использовались установленные на БПЛА системы лазерного сканирования (системы ULS) для оценки характеристик трехмерной структуры экосистем, включая объем древесины, оценку биомассы, объем связанного углерода и картирование биоразнообразия. Кроме того, в дополнение к данным наземного лазерного сканирования, воздушные данные, полученные с помощью лазерного сканирования на базе БПЛА, открывают новые перспективы в коммерческой инвентаризации лесов. Получение данных сканирования с помощью дрона позволяет по-другому взглянуть сверху и проникнуть сквозь лес под другим углом, чтобы получить еще более точные и полные сведения. На рисунках 5 и 6 показан процесс обработки облака точек БПЛС. На рис. 6 показаны отдельные деревья в необработанном облаке точек БПЛС, а затем на его основе создается объемная модель стволов и крон.

Данные были обработаны с помощью программного обеспечения Lis Pro 3D от Laserdata. Laserdata — это высокотехнологичная фирма, которая специализируется на администрировании, обработке и анализе данных облаков точек.

Рис.5. Поперечный профиль облака точек лазерных отражений, полученных с использованием БПЛА; окраска в соответствии с отражательной способностью поверхностей.

RIEGL предлагает широкий выбор датчиков и систем LiDAR для БПЛА, которые можно использовать с многочисленными известными БПЛА для сбора высокоплотных данных. Как правило, БПЛА используется в случае, если аэрофотосъемка с вертолета или самолета неэффективна из-за затрат, размера рассматриваемой области или времени, отведенного для сбора данных. Данные съемок с БПЛА используются для предоставления сегментированных облаков точек, отображающих отдельные деревья. Трехмерные модели стволов деревьев, аппроксимированных цилиндрами,  могут быть извлечены из объемных моделей для измерения биомассы.

RIEGL является первой компанией, которая представила полностью интегрированную систему, подходящую для съемок геодезической точности с использованием БПЛА, с эксклюзивной платформой RiCOPTER. Это складной октокоптер (схема X8) с дистанционным пилотированием, специально разработанный для лазерного сканирования (БПЛС) на базе БПЛА.

Комбинация данных беспилотного лазерного сканирования БПЛС и данных наземного лазерного сканирования (НЛС) приводит к получению облака точек повышенной информативности. Это также полезно для получения более подробных данных о конкретных точках всей сканируемой среды.

Различия между воздушным лазерным сканированием (ВЛС), наземным лазерным сканированием (НЛС) и беспилотным лазерным сканированием (БПЛС)

Все эти методы находят свое применение в лесотаксации и мониторинге леса. Воздушное лазерное сканирование (ВЛС) часто проводится с пилотируемых самолетов, что позволяет покрывать большие площади, но требует значительного бюджета и инфраструктуры. Наземное лазерное сканирование (НЛС) генерирует плотные облака точек, которые позволяют определять отдельные элементы крон, такие как стволы и ветви, для подходящих областей проекта. Таким образом, воздушное лазерное сканирование (ВЛС) может покрывать большие площади, тогда как наземное лазерное сканирование (НЛС) может предоставлять данные с чрезвычайно высоким разрешением. В дополнение к воздушному лазерному сканированию (ВЛС) и наземному лазерному сканированию (НЛС), беспилотное лазерное сканирование (БПЛС) представляет собой альтернативу двум предыдущим, предлагая очень разумные затраты на мобилизацию и требования к инфраструктуре с высокой скоростью картографирования — БПЛА очень экономичны по сравнению с пилотируемыми транспортными средствами.

На рисунках 7, 8 и 9 приведены примеры данных (виды сверху и в профиль) упоминаемых систем сканирования для типичного лесного массива, что позволит читателям самостоятельно оценить пригодность каждого сканера для соответствующих задач.

Рис.7. Вид сверху и поперечное сечение облака точек, полученных по данным воздушного лазерного сканирования лесного участка (плотность около 170 точек/м2): кроны и земля очень хорошо покрыты. Подходит для работы на больших площадях.

Рис.8. Вид сверху и поперечное сечение облака точек, полученных по данным наземного лазерного сканирования лесного участка (плотность около 90 точек/м2): обеспечивается очень высокая плотность съемки земли и стволов. Подходит для работы на отдельных небольших участках.

Рис.9. Вид сверху и поперечное сечение облака точек, полученных по данным лазерного сканирования лесного участка с БПЛА (плотность около 9000 точек/м2): из-за возможности съемки под наклоном обеспечивается исключительно высокая плотность съемки и крон, и земли, и стволов. Подходит для работы на отдельных небольших участках или средних по размеру территориях.

Заключение

Технология RIEGL Ultimate LiDAR™ с годами завоевала признание и доверие ученых и исследователей в лесоустроительной отрасли. Она обеспечивает чрезвычайно точный, эффективный и надежный процесс сбора данных для мониторинга и управления лесами. Возможность быстро отсканировать любой участок леса способствует улучшению управления лесным хозяйством и ростом эффективности природоохранной деятельности. Для коммерческого использования в лесном хозяйстве или научных проектах RIEGL Ultimate LiDAR™ предоставляет подробные данные для цифровой консервации состояния участка леса и моделирования будущих сценариев для принятия правильных решений по устойчивому развитию.