Таксация лесных массивов дистанционными методами
Дистанционные методы таксации леса
Аэрофотоснимки и съемка из космоса
Новые методы дистанционной таксации
Точность дистанционных методов
Дистанционные методы таксации леса. Для приведения лесов в известность, кроме глазомерных, выборочных и перечислительных, в настоящее время используются дистанционные методы его инвентаризации, к которым относится аэро- фото- и космическая съемки. Они осуществляются с различных летательных аппаратов – самолетов, вертолетов и в последнее время с космических кораблей.
Инвентаризация леса в ряде зарубежных стран также осуществляется с использованием аэрофотосъемки.
В США и Канаде чаще всего аэросъемку проводят в масштабе 1:15000 на цветной чувствительной к инфракрасным лучам пленке. Вместе с тем в этих странах наблюдается тенденция к дополнению сплошной мелкомасштабной съемки крупномасштабной, осуществляемой через определенные расстояния в выборочном порядке.
В Швеции при лесоустройстве используют черно-белые мелкомасштабные снимки (1:60000). При последующем использовании их увеличивают до масштабов 1:15000 и 1:20000.
В Северной Америке и Западной Европе при наземной таксации леса используют результаты визуального и стереоскопического анализов снимков и проводят измерение некоторых их параметров (сомкнутости полога, высоты деревьев и диаметров крон).
Аэрофотосъемкой называется совокупность процессов, позволяющих получить с самолета, вертолета или других летательных аппаратов фотографическое изображение земной поверхности. По полученным контактным отпечаткам составляются фотосхемы, фотопланы, топографические планы и карты. Аэрофотосъемка широко применяется во многих отраслях лесного хозяйства, в связи с чем выполняются различные виды фотографирования земной поверхности при различном положении главной оптической оси камеры аэрофотоаппарата (АФА). Если оптическая ось АФА отклоняется от вертикали до 3°, аэрофотосъемка будет плановой, при отклонении ее более 3°-наклонной (перспективной).
Наибольшее распространение получила плановая аэросъемка, которая применяется для составления планово-картографических материалов и широко используется лесоустроителями при инвентаризации лесного фонда. Различают одинарную, маршрутную и многомаршрутную (сплошную) аэрофотосъемку. При фотографировании какого-либо отдельного объекта (вырубка, пожарище, лесные культуры) проводится одинарная аэрофотосъемка.
Часто требуется фотографировать полосу местности, например при проектировании новой дороги или обследовании русла реки. В таких случаях съемка выполняется вдоль проектируемого объекта и называется маршрутной. Многомаршрутная, или сплошная, аэрофотосъемка применяется в тех случаях, когда необходимо заснять лесной массив, занимающий значительную площадь. Производится она путем проложения ряда прямолинейных параллельных маршрутов залета. При этом фотоизображение части территории должно повториться на аэроснимках смежного маршрута. Такое перекрытие между маршрутами называется поперечным и обычно составляет 30%.
При полете по заданному маршруту фотографирование осуществляется через определенные промежутки времени так, чтобы часть территории, сфотографированная на одном аэроснимке, изображалась и на смежном. Такое перекрытие аэроснимков необходимо для создания стерео модели местности и последующей фотограмметрической обработки. Два смежных аэроснимка составляют стереопару. Перекрытие вдоль направления полета называется продольным и выражается в процентах.
Обычно продольное перекрытие составляет 56-60%. Аэрофотосъемка может быть крупномасштабной, если масштаб фотографирования крупнее 1: 10000; среднемасштабной при масштабе от 1: 10000 до 1: 20000 и мелкомасштабной, если масштаб фотографирования 1: 20000 и мельче.
Применение того или иного вида аэрофотосъемки зависит от назначения самой съемки и предъявляемых к ней требований. Аэроснимки, полученные в результате плановой, перспективной или других видов аэрофотосъемки в крупном или мелких масштабах, различаются по фотограмметрической обработке и целям их использования в лесном хозяйстве и лесной промышленности.
Для воздушного фотографирования обычно применяют аэропленку, которая позволяет получить аэроснимки: черно-белые, цветные и спектрозональные.
Черно-белые аэропленки по спектральной чувствительности делятся на ортохроматические, панхроматические, инфрахроматические.
Широкое применение находят цветные аэропленки, которые передают цветное изображение объектов фотографирования.
Для съемки лесной растительности широко используется цветная аэропленка, получившая название спектрозональной. Спектрозональные аэропленки изготовляются двухслойные (СН-2М, СН-4, СН-5, СН-6, СН-8) и трехслойные (СН-23). Наиболее часто применяются аэропленка СН-6 и ее более чувствительный вариант СН-6М.
Для лесного дешифрирования обычно используются спектрозональные (ложноцветные) АФС, на которых цветовыми тонами переданы не естественные цвета древесных пород, а резко усилены различия между лесными объектами, в частности, между древесными породами (хвойные породы передаются разными оттенками зелено-синего цвета, лиственные - оттенками желто-оранжевого цвета). На АФС наносится фотоабрис квартала, на котором указываются просеки, визиры и их промеры.
В последнее время в практике обследования лесных, лесостепных и сельскохозяйственных угодий всё больше применяются средства гиперспектральной съемки и съемки в ближнем ИК-спектре. В связи с этим переход от обычного видимого спектра до ближнего ИК позволил не только увеличить количество получаемой информации, но и обеспечить регистрацию новых, ранее не доступных данных высокого пространственного разрешения.
Наиболее известным фактом является феноменально высокая отражательная способность зеленых растений в ближнем ИК, что активно используется при анализах изменений в растительном пологе.
Результаты гиперспектральной аэрофотосъемки эффективно используются для решения таких сложных задач, как:
· поиск и выявление древостоев с заданными свойствами в общей лесной массе;
· поиск деревьев подверженных заболеваниям либо ослабленных короедом и пр.;
· выявление уровня плодородия почв по интенсивности роста зеленой биомассы;
· выявление районов заболачивания зеленой растительности;
· выявление хода лесовозобновления в местах сильных лесных и полевых пожаров.
В целом методы авиационной гиперспектральной съемки позволяют детализировать лесной покров с выделением конкретного местоположения изучаемых деревьев и их окружения.
Аэрофотосъемка местности - это комплекс работ, включающий различные процессы:
· подготовительные мероприятия, заключающиеся в изучении местности, которая подлежит фотографированию, подготовке карт, проектировании маршрутов полетов самолета и в производстве расчета элементов аэрофотосъемки;
· летно-съемочные работы или фотографирование земной поверхности при помощи аэрофотоаппаратов;
· фотолабораторные работы по проявлению снятой пленки и изготовлению позитивов;
· работы по созданию на местности геодезической основы, которая необходима для дешифровки аэроснимков, исправления искажений, привязки аэроснимков к конкретным объектам, необходимой при составлении фотосхем и фотопланов;
· фотограмметрические работы, которые проводятся как в полевом, так и камеральном периодах, и связаны с обработкой аэрофотоснимков для составления планов и карт снятой местности.
Все эти процессы тесно связаны один с другим и взаимно перекрываются. Аэрофотосъемка каждого объекта должна выполняться одной и той же организацией от начала до сдачи окончательной продукции. В результате проведения этих работ изготовляются контактные отпечатки, репродукции с накидного монтажа аэрофотоснимков, фотосхемы или фотопланы, составленные по данным геодезической основы. Все эти аэрофотосъемочные материалы используются в дальнейшем для решения целого ряда вопросов в области лесного хозяйства и лесной промышленности.
Историябеспилотных способов аэрофотосъемки местности, как, впрочем, и сама история, развивается по спирали: в 1858 выполняя полет на воздушном шаре над Парижем, Гаспар Феликс Турнашон сделал первый в мире аэрофотоснимок, а уже в 1887 году французский фотограф Артур Батут разработал и выполнил первую беспилотную аэрофотосъёмку с помощью воздушного змея. Затем в аэрофотосъемке бурно развились идеи беспилотной авиации, что вылилось в запатентованный «Способ и средства для фотографирования пейзажей сверху » с помощью почтовых голубей немецкого аптекаря Юлиуса Нойброннера. Этот метод действительно широко применялся во время Первой Мировой войны. И только 24 апреля 1909 г. случилось первое использование кинокамеры, вмонтированной в летательный аппарат тяжелее воздуха" при съёмках короткометражного немого киноролика «Уилбур Райт и его самолёт». В настоящее время аэрофотосъемка делает очередной виток своей истории, становясь опять беспилотной.
При плановой съемке камера направлена вертикально вниз, под прямым углом к поверхности земли. На снимках мы видим плоскую картину (ортогональная проекция), напоминающую изображение на географических картах. При этом виде аэрофотосъемки мы можем определить взаиморасположение объектов на плоскости без учета их высот. Такой вид съемки в основном используется для создания фотопланов. Аналогичный продукт может быть получен с использованием спутниковой и традиционной аэрофотосъемки.
При перспективной (обзорной) съемке камера направлена под углом к горизонту. Такой вид съемки невозможен для спутников и традиционной "большой авиации". При перспективной аэрофотосъемке на снимках мы видим объемную картину (аксонометрическая проекция): не только крыши сооружений, но и боковые поверхности (стены). Таким образом, мы можем судить не только о взаиморасположении объектов на плоскости, но и об их форме. Кроме того, при перспективной съемке мы можем определить высоту объектов относительно друг друга. При определенных углах перспективной съемки в кадре может присутствовать линия горизонта. В этом случае мы получаем возможность увидеть на одном снимке то, как участок или сооружение вписаны в окружающий ландшафт и их взаиморасположение с отдаленными объектами (дальние объекты, леса, водоемы, населенные пункты). На основе нескольких перспективных снимков, сделанных с поворотом камеры вокруг вертикальной оси, могут быть собраны панорамные снимки, включая полные 360-градусные круговые панорамы.
Этапы аэрофотосъемочных работ. Опыт, накопленный в области применения аэрометодов показывает их эффективность по сравнению с традиционными методами сбора информации как в части значительного снижения трудоёмкости и сокращения сроков изысканий, так и в части широты охвата различных видов информации, необходимой для проектирования.
Аэроизыскания выполняют в три этапа: подготовительный, полевой и камеральный. В подготовительный период осуществляется сбор имеющейся на район изысканий топографической информации и материалов аэросъёмок прошлых лет, составляют проект производства аэросъёмочных, полевых и камеральных аэрофотогеодезических работ.
В полевой период производят: наземные геодезические работы по созданию планово-высотного обоснования аэросъёмок; закрепление и маркировку точек опорной сети; различные виды аэросъёмочных работ, привязку получаемых аэрофотоснимков.
Оборудование для беспилотной аэрофотосъемки используют небольшой, размахом до 3 м, беспилотный самолет с обычной, бытовой или студийной, фотокамерой на основе ПЗС матрицы. Наиболее популярны Samsung, Sony, Pentax. Фотографии с таких устройств годятся в целом для составления планов и схем. Аэрофотоснимки значительно более высокого качества дают зеркальные фотоаппараты - здесь лидерами и стандартом являются Canon 550D и Canon 5D Mark II. При этом, конечно же, находят применение и большие многообъективные системы.
Летно-съемочные работы, выполняемые фотоаппаратом на основе матричного сенсора (ПЗС – матрица), больше напоминают традиционный аналоговый метод аэрофотосъёмки.
Не менее важной, является система определения положения БПЛА/фотокамеры в пространстве. В простейшем случае это обычный малогабаритный GPS приемник с антенной, например Ublox. В настоящее время Российские производители комплексов с БЛА практически повсеместно переходят на приемники сигналов систем спутникового позиционирования совмещенного типа GPS/Глонасс. К сожалению, и они не могут обеспечить требуемую точность. Поэтому в более дорогих и серьезных аппаратах устанавливается дополнительный высокоточный приемник GPS, который позволяет при постобработке сырых данных определить координаты центра снимка с точностью до 5-10 см.
А если этот приемник используется вместе с наземными базовыми GPS станциями, то точность привязки кадров к координатам вырастет до 5 см. Для выполнения съемки создаются базовые GPS-станции, данные которых используются для вычисления дифференциальных поправок при определении траектории летательного аппарата. Для определения траектории летательного аппарата и уточнения угловых данных инерциальной системы применяется метод совместной обработки GPS-данных и данных инерциальной системы. Привязка снимков к координатам, как правило, выполняется при помощи программ, написанных специально под конкретный тип приемника и БЛА. Применение такого метода расчета повышает точность определения как угловых параметров, так и местоположения.
Точность GPS/Глонасс навигации и особенности систем автоматического управления БПЛА позволяют достигать следующих параметров при полете по маршруту аэрофотосъемки:
поперечное смещение от оси маршрута — ± 10 м;
удержание БПЛА на заданной высоте — ± 15 м;
расстояние от запроектированного центра фотографирования до точки срабатывания затвора фотоаппарата — ± 5 м;
изменение угла крена БПЛА на маршруте между двумя снимками — 10°;
изменение угла тангажа БПЛА на маршруте между двумя снимками — 6°.
Результатом цифровой аэрофотосъёмки местности являются цифровые аэрофотоснимки, а также зафиксированные в полете элементы внешнего ориентирования (линейные - Xs, Ys, Zs – координаты центра фотографирования; угловые - α, β, γ - ориентирование камеры относительно осей координат). Полученный аэронегатив (аэроснимок) содержит ряд искажений, величины которых определяются углом наклона оптической оси аэрофотоаппарата и колебанием рельефа местности, устранение которых осуществляется в процессе их компьютерной фотограмметрической обработки, и в частности – фотографического или цифрового преобразования, называемого трансформированием.
Во время полета беспилотник в автоматическом режиме рассчитывает свою скорость и частоту срабатывания затвора (скорость кадров) так, чтобы обеспечить заданное перекрытие кадров. Перекрытие снимков с БПЛА отвечает обычным требованиям для аэрофотосъемки и составляет, как правило, 60% кадра. Снимки с БПЛА перекрываются на 60% в продольном перекрытии и на 30% в поперечном перекрытии.
Важным этапом аэрогеодезических изысканий является дешифрирование – выявление (обнаружение и опознавание) и раскрытие содержания (познания) различных объектов и элементов местности по их изображениям на снимках, их качественных и количественных характеристик, своеобразных свойств и особенностей.
Осложняющим моментом в технологическом процессе инвентаризации лесов путем аэросъемки является несовершенство методов дешифрирования снимков. Современные методы решения этой задачи не обеспечивают качественной и с необходимой точностью расшифровки зафиксированных на снимках показателей.
Дальнейшие достижения в этой области лежат в области улучшения дешифрирования и распознавания отдельных категорий площадей и лесных массивов.
В камеральный период выполняют полную обработку результатов геодезических измерений, осуществляют фотограмметрическое сгущение методами аналитической фототриангуляции, осуществляют стереофотограмметрические работы по получению более полной информации о рельефе и изготовлению топографических планов и цифровых моделей местности (ЦММ) в единой системе координат.
В лесоустроительной практике (РФ) находит все более широкое применение аэросъемочный метод, непрерывно подвергающий локации определенную полосу местности лазерными фотоустройствами. Такого рода съемочные устройства именуются фотосканерами, а сам процесс этой своеобразной съемки называется сканированием, получающий развитие в цифровых фотограмметрических (стереодешифровочных) комплексах обеспечивающих получение всех количественных и качественных характеристик лесных насаждений по их изображению на аэро- и космоснимках.
Съемка методом сканирования имеет преимущества перед методом прямого фотографирования. Метод сканирования позволяет производить съемку в более узких зонах спектра и в большем числе зон, а это обеспечивает более четкое изображение снятого объекта. Результаты такой съемки, записанные на магнитную ленту, вводят в электронно-вычислительную машину и анализируют в каждой точке съемки.
В итоге обработки материалов получается карта с границами таксационных участков с указанием их площади и главнейших характеристик древесных пород (хвойные, лиственные и т.д.).
Точность дистанционных методов и область их применения. Точность дистанционных методов зависит от масштаба и качества снимков, применяемой аппаратуры для дешифрования и т.д. В целом эта точность пока ниже, чем наземная таксация, применяемая в Беларуси и в других странах СНГ, где ведется высокоинтенсивное хозяйство. В России точность дистанционных методов при использовании спектрозональных снимков примерно такая же, какая требуется для таксации лесов Севера и Сибири, что соответствует III и даже II разряду лесоустройства. В Беларуси точность таксации всех лесов соответствует I разряду по советской (1986) и российской лесоустроительной инструкции.
Применение аэроснимков в наших лесах сочетается с наземной таксацией. Это значительно повышает точность таксации, т.к. позволяет правильно устанавливать границы выдела, точно идентифицировать главную породу, определить степень неравномерности состава и точнее находить состав древостоя и многое другое. В настоящее время применение аэроснимков при таксации - это норма, которая обеспечивает высокий уровень инвентаризации лесов Беларуси.