NDVI

Мониторинг леса на новом уровне | Вегетационные индексы

« | Главная

Мониторинг леса на новом уровне – спектральное зондирование с помощью дронов.

Автор: Лысенко В.Ф., Пасечник Н.А., Опрышко А.А., Комарчук Д.С. | 28.11.2019

Мониторинг леса на новом уровне – спектральное зондирование с помощью дронов.


Лесные насаждения на территории Украины переживают не лучшие времена. Сокращение лесов обусловлено как массовой хищнической вырубкой в ряде областей, так и существенным изменением климата, которые взаимосвязаны. Летние температуры в стране существенно выросли, что объясняется как процессами «глобального потепления» так и влиянием непродуманной хозяйственной деятельности человека. Такое случалось и ранее, так еще в царские времена в Херсонской области передвижение огромных масс почвы началось после того как огромные

овечьи стада баронов Фальц-Файнов выели траву на Алешковских песках. Вызванные этим песчаные бури случались до 60-х годов прошлого века, пока не были предприняты меры против этого.

Вплоть до 20 века засухи на равнинной части страны были обыденным явлением. В 1891 году юг российской империи пережил небывалую засуху и вызванный ею страшный голод. В советские годы жестокие засухи фиксировались в 1921, 1928, 1947 годах.
Выдающийся ученый геолог и почвовед Василий Васильевич Докучаев, установивший само понятие «чернозем», для улучшения климата предложил целый комплекс мер среди которых:

  • высадка «живых изгородей» в степных участках;
  • засадка песков, бугров и неудобья сплошными лесами;

Большинство этих мероприятий были исполнены в 50-70 годы и последняя, крупная, но не критичная, засуха была в 1972 году.

«Ранние рыночные отношения» внесли свою лепту. Массовые промышленные заготовки пиломатериалов, вырубка ветрозащитных лесополос на дрова, сужение русла рек под «элитную застройку» сыграли свою роль и 1998 год стал последним годом без засухи.
Иными словами лес, это не только пиломатериалы и дрова — он критично важен сельскому хозяйству сам по себе. Но кроме человека попользоваться лесом «в свое удовольствие» желающих хватает и проблема с насекомыми вредителями крайне актуальна.

На песчаных почвах Киевской, Житомирской, Черниговской и Херсонской областей были созданы сосновые леса, которые подвержены нападению насекомых вредителя. Самым распространенным ствольным вредителем для них является жук короед-типограф. Данный вредитель крайне опасен, и в 2013 году изрядно порезвился в Российской федерации съев до 1 млн. гектаров хвойных насаждений, что без преувеличения сравнимо с экологической катастрофой. В обычных условиях жук короед-типограф представляет угрозу только для старых и слабых деревьев при ожидаемом повышении температуры и здоровые деревья попадают в зону риска. Для борьбы с вредителем приходится применять как химическую обработку так санитарную рубку леса для предотвращения эпидемии.

Короед типограф свето- и теплолюбив и поэтому, зачастую в сосновых лесах расселение начинается именно с вершин деревьев где его тяжело обнаружить визуально. Массовый лет наблюдается в мае-июне и при тёплой и сухой погоде через пол месяца – месяц, может наблюдаться лет сестринского поколения, при котором типограф уже заселяет деревья на корню. Поэтому, критично важно вовремя заметить наличие проблемы. Если обнаружить пораженное дерево на начальных стадиях, когда поражена верхняя часть веток сосны есть возможность сохранить деловую древесину ствола, что немаловажно.
Для данном этапе для мониторинга леса на промышленной основе могут применяться как спутники так и атмосферные летательные аппараты.

На 2019 год на орбите находится порядка 400 государственных и частных спутников предназначенных для агромониторинга. Некоторые данные дистанционного зондирования, можно бесплатно получить з сети Internet. Среди них наиболее известны такие платформы Sentinel-2 и Landsat-8, которые предоставляют данные как в оптическом диапазоне так и в инфракрасном. Но разрешающая способность таких снимков начинается от 10 м/пиксель, и когда они зафиксируют проблему проблема уже станет в полный рост. Спутниковые платформы могут дать и лучшее разрешение, в Украине это направление курирует «Національний центр управління та випробувань космічних засобів» (http://spacecenter.gov.ua/) и некоторые гос. органы имеют соответствующие квоты на получение таких данных. На коммерческой основе, такие данные можно получить от таких компаний как «SkyNet» «Global Vision Ltd» (http://skynet.vision/ua/) где разрешение снимков уже 50 см/пиксель. Ниже, представлены примеры фрагментов таких снимков от сентября 2018 года в оптическом и инфракрасном спектре. На снимках такого качества уже можно различить и отдельные деревья и кустарники. Исходный снимок имеет площадь в 144 км кв. (12 на 12 км) и цену порядка 10,8 Евро за 1 км кв. Соответственно, полный снимок будет стоить более полутора тысяч, и рассматривать таким образом лесопосадки, и, особенно, лесополосы — занятие весьма недешевое.


Спутниковый снимок высокого разрешения (спектральный)


Спутниковый снимок высокого разрешения (цветной)

Конкуренцию спутникам составляют беспилотные летательные аппараты (дроны), которые могут предоставлять данные спектрального зондирования гораздо более высокого разрешения. Преимуществом спутников является масштабность, но современные самолетные платформы дронов могут обеспечить вполне сравнимые площади мониторинга, при стоимости от 35 грн. за км2. Дополнительным преимуществом является автономность, оперативность, не зависимость от наличия облаков, а также обеспечение конфиденциальности данных. Последний фактор немаловажен, поскольку проводимая глубокая аналитика  использует данные высокого разрешения, которые, как правило, имеют закрытый характер.

На рынке доступно достаточно большая номенклатура оборудования для спектрального мониторинга с помощью дронов. Многие из  рекламируемых образцов являются стремлением адаптации готовых спутниковых технологий, что не всегда рационально. Для таких продуктов характерна коррекция освещения по наземных шаблонам, но если  для спутникового снимка шаблон можно найти, то для дрона, с высотой полета в сотню метров, будут проблемы. Обработка снимков, также, зачастую, проводится с использованием облачных серверов — удаленно. То есть, после съемок, снимки нужно, каким-то образом, переслать на удаленный (чужой) сервер для обработки, и, после этого, получить их обратно, что не способствует, как оперативности, так и конфиденциальности.

Примером автономного решения для оперативного мониторинга является система Slantrange, которая может монтироваться на самолетные платформы и рассчитана на обследование порядка 10 000 гектаров в день. На снимке представлен вариант смонтированный на базе БПЛА Spectator-М отечественного производства акционерного общества «Меридиан» им. С.П.Королева. Как видно оборудование вполне компактное и не представляет проблем ни при транспортировке, ни при хранении.

Одним из основных преимуществ системы является возможность просчитывать карты используя собственное программное обеспечение «SlantView», установленное на ноутбуке и не требующее для своей работы доступа к сети интернет или к удаленным серверам – т.е. работающее автономно. После переноса полученных снимков с карты памяти камеры в персональный компьютер, готовые результаты можно получить, в зависимости от площади съемки и мощности компьютера, через 30-90 минут. Действительно, для быстроты процесса обработки снимков, компьютер требуется достаточно мощный, такие на рынке представлены в большом ассортименте и позиционируются как игровые.

Программное обеспечение системы «SlantView» предназначено, непосредственно, для создания карт стрессовых индексов, как стандартных, таких как NDVI, так и индексов собственной разработки компании-производителя системы. Комплекс постоянно дорабатывается и обновляется и количество доступных вегетационных индексов увеличивается.

В отдельном окне выводятся фотоснимок исследуемого участка (в основном окне он выделен белой рамкой).


Рабочие окна программы «SlantView» — слева «Окно карты», справа «Окно снимков»

Для представленного на рисунке индекса Stress  зеленый цвет соответствует здоровым а цвет от бледно-зеленого до красного — проблемным участкам.

При этом, в рабочем окне отображается индикация, как координат точки где стоит курсор (на представленной копии экрана он не показывается), так и непосредственно значение индекса. По желанию оператора, в окне снимков могут выводится, как непосредственно черно-белое изображение по одному из четырех спектральных каналов, так и снимок в цвете, а так же, снимок в индексном представлении. Дополнительно, предусмотрена возможность фильтрации посторонних включений (почва, тени и т.д.)

Как видно на представленном изображении дерево еще не все находится в стрессовом состоянии.

Результаты наземных исследований:

Благодаря точному позиционированию, указанному на карте вегетационных индексов, найти «проблемные» деревья с помощью GPS было не сложно. Повреждения кроны дерева на фотографиях хорошо видны. Аналогично был обнаружен и сухостой, который является потенциальным источником распространения вредителей.

Благодаря имеющейся геолокации, при необходимости, по этим координатам можно будет наводить беспилотник опрыскиватель для борьбы с вредителями.

Программой SlantView рассчитанные данные по вегетационным индексам могут экспортироваться в стандартные форматы геоданных такие как kmz для бесплатного сервиса Google Earth

Иными словами, уже сейчас есть технические решения, позволяющие оперативно контролировать состояние леса и смотреть динамику его изменений с помощью локальных ресурсов. Объективный контроль позволит противодействовать, как распространению насекомых вредителей,  так и незаконным вырубкам, кроме того, с его помощью можно более эффективно планировать работы в лесах.

Наличие таких технологий внушает оптимизм, и хотелось бы, чтоб специалистам удалось восстановить утраченные позиции в лесном хозяйстве и вихри пустынь, доходившие в 19 веке до Киева, остались лишь в воспоминаниях.

Рубрики: БПЛА, Вегетационные индексы | Оставить отзыв »

Отзывы