ПЕРЕВОД ЛЕСНЫХ КУЛЬТУР В ПОКРЫТУЮ ЛЕСОМ ПЛОЩАДЬ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Автор: Шишкин Сергей Евгеньевич

ПЕРЕВОД ЛЕСНЫХ КУЛЬТУР В ПОКРЫТУЮ ЛЕСОМ ПЛОЩАДЬ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕСПИЛОТНЫХ

ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

С.Е.Шишкин,

Преподаватель

ГБПОУ ВО «Муромцевский лесотехнический техникум»

 

Аннотация: В статье рассматривается современный метод перевода лесных культур в земли покрытые лесной растительностью с использованием беспилотных летательных аппаратов мультироторного типа (далее — БПЛА). В статье освещается использование научно-технической дисциплины занимающейся определением размеров, формы и пространственного положения объектов по их фотографическим изображениям полученным с БПЛА. Обработка полученных изображений в специализированным программном обеспечении Agisoft Metashape Professional. Перевод лесных культур в земли покрытые лесной растительностью является одним из основных направлений в сфере лесного хозяйства. Целью использования БПЛА в лесном хозяйстве является сокращения временных и финансовых затрат на выполнение поставленных целей и задач, а также получение пространственных (мультиспектральных) данных для сбора необходимой информации.

Ключевые слова: Использование БПЛА, лесное хозяйство, воспроизводство лесов, лесные культуры, фотограмметрия.

В некоторых научных публикациях установлено, что естественное восстановления лесов позволяет обойтись без создания искусственных насаждений. Приводятся аргументы в пользу уменьшения затрат на лесовосстановление. Однако, как показывает опыт, не всегда естественное возобновление проходит успешно, особенно в условиях относительно богатых почв таежной зоны. С другой стороны, несвоевременность уходов за лесными культурами в ряде случаев приводит к формальному выполнению мероприятий по уходу за ними. В этом случае затраты, которые понесло предприятие при проведении лесокультурных работ: обработка почвы, закупка посадочного материала, работы по посадке культур, не приводят к положительному результату. Формальное проведение работ по восстановлению лесов не может привести к полноценному их восстановлению. Обследование созданных культур предполагает проведение работ по технической приемке, инвентаризации на 1, 3 и 5-е годы, а также проведение работ по переводу их в покрытые лесом земли. Последний вид работы наиболее важен, поскольку предполагает, что в возрасте перевода сформировалась на месте рубки лесная среда. В соответствии с существующими Правилами лесовосстановления, это обозначает, что произошло смыкание крон как минимум в рядах культур Таким образом, как создание культур, так и своевременный контроль за их качеством требуют достаточно больших трудозатрат. 

Новые открывающиеся возможности обработки изображений с БПЛА, а также использование опыта, полученного при применении материалов аэро- и космической съемки, позволяют вывести на современный качественный уровень аналитическое, измерительное и автоматизированное дешифрирование. При определенных условиях съемки и с учетом последующей фотограмметрической обработки снимки с БПЛА являются весьма информативными для определения лесотаксационных характеристик, оценки состояния насаждений, мониторинга процессов лесовосстановления. Анализ ортофотопланов и точных трехмерных цифровых моделей местности (ЦММ), созданных по данным с БПЛА, является надежной основой для выявления качественных и количественных характеристик структуры лесного фонда. Для целей исследования структуры и состояния естественных и искусственных насаждений особенно важно применять специализированные мульспектральные камеры. Изображения, полученные в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, после тональной и геометрической коррекции, географической привязки благодаря спектральным различиям лиственных и хвойных пород, способствуют определению состава насаждений. Несомненным плюсом изображений с БПЛА является то, что они обладают сверхвысоким пространственным разрешением

Цель проведенной работы – оценить возможности дешифрирования качественных и количественных характеристик вырубки, семенных куртин и лесных культур на основе материалов, полученных с БПЛА в программе Agisoft Metashape.

Объекты и методы: В представленной работе исследовались лесные культуры сосны обыкновенной в 96 квартале Андреевского участкового лесничества ГКУ ВО «Андреевское лесничество» Министерства лесного хозяйства Владимирской области. Тип леса до рубки – сосняк брусничный, свежий, состав 10С. Возраст в 1998 г. – 85 лет. Средняя высота – 18 м, диаметр – 20 см. Запас на 1 га – 250 м³/га. Год вырубки 2009, число пней на 1 га 893 шт./га.

Весной 2013 г. проведена обработка почвы созданием минерализованных полос трактором Форвардер в сцепе с плугом ПД-2. Проводилась посадка стандартными 2-х летними сеянцами сосны обыкновенной из Суоярвского лесного питомника вручную под меч Колесова густотой 3500 шт./га. Почва супесчаная, слабооподзоленная. Приживаемость 1-го года 97,7%, сохранность третьего 95,0%. Состав 6С2Б2Ос. +Е, густота общая 3840 шт. /га., из них сосны 2300 экз./га, березы 780 экз./га, осины 760 экз./га. 

Через 8 лет после посадки проведено обследование лесных культур. Заложены 3 пробные площади в разных местах вырубки размером 20×50 м. Обследован живой напочвенный покров (ЖНП) закладкой на каждой пробе по 10 площадок размером 1×1 м, всего 30 шт. с определением видового состава, площади проективного покрытия. Определена высота лесных культур, размеры их крон, число растений на площади, а также растения подлеска и подроста лиственных, появившихся на месте вырубки, их высота и количество.

 

 

Рис. 1 — Лесные культуры сосны обыкновенной 8-летнего возраста Андреевского участкового лесничества ГКУ ВО «Андреевское лесничество»

Параллельно была проведена аэрофотосъемка лесных культур беспилотным авиационным комплексом самолетного типа 29–30 июня 2020 года с высоты 200 м. Общая площадь аэрофотосъемки составила 1000 га, участок представляет собой прямоугольник размером 2×5 км. (рис.10). Аэрофотосъемка проводилась камерами SONY DSC-RX1R в видимом диапазоне (RGB) и Parrot Sequoia в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах (RED, REG,GRE, NIR). Пространственное разрешение в видимом диапазоне составило менее 5 см, в видимом и ближнем инфракрасном – 19 см. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2 — Местоположение лесных культур сосны обыкновенной на исследуемой территории, Андреевского участковое лесничество, кв. 96 (СК 1, СК 2, СК 3 – семенные куртины)

Материалы аэрофотосъемки обрабатывались в программе Agisoft Metashape Professional. Современные фотограмметрические инструменты обработки данных включают загрузку и выравнивание (фототриангуляцию) снимков, привязку снимков, построение плотного облака точек, классификацию облака точек, построение 3D модели, карты высот и ортофотоплана. Привязка снимков выполнена в программе Agisoft Metashape Professional с использованием импорта CSV-файла с координатами и высотными отметками. Система координат WGS 84. В результате обработки изображений получен ортофотоплан с пространственным разрешением 4,84 см/пиксель. Дополнительно материалы обрабатывались в программах Спутник Агро и Scanex Image Processor.

Результаты и обсуждение: Живой напочвенный покров (ЖНП) представлен в основном вереском (11%), брусникой (10%), черникой. (7%); рядом злаков: луговик извилистый (9%), вейник наземный (6%) Из зеленых мхов присутствовали плевроциум Шребера (12%), дикран метловидный (8%). Лишайники встречались в небольшом количестве, по микроповышениям, в основном кладония лесная (5%), остальные виды ЖНП встречались единично (марьяник лесной клевер луговой., иван-чай узколистный. Scop, золотарник обыкновенный и др.

Подлесок представлен небольшим количеством видов, в основном ива ушастая −. (140 шт./га), рябина (110 шт./га), можжевельник (90 шт./га). 

Количество подроста основных лесообразующих пород составило не менее 1560 шт./га, в основном береза бородавчатая 1200 шт./га и осина 360 шт./га. Таким образом, были получены следующие показатели: густота культур сосны 2300 шт./га, состав молодняка 6С3Б1Ос. 

Средняя высота культур сосны, по материалам исследования, составила 0,83 м; средняя высота березы 1,3 м; осины 1,4 м. Расстояние между рядами составило по результатам промеров 3,2–3,5 м. Визуально отмечено, что произошло смыкание крон в рядах, между рядами культуры не сомкнулись. 

Пространственное разрешение ортофотоплана при обработке материалов, полученных с применением БПЛА, позволяет хорошо идентифицировать ряды и междурядья лесных культур, отдельные проекции крон саженцев, проекции крон деревьев в семенных куртинах, стволы поваленных деревьев.

Общая площадь вырубки с рядами лесных культур, семенными куртинами и участками естественного возобновления составила 13,2 га (132 128 м²). На ортофотоплане были выделены контуры 3 участков семенных куртин, площадью 2327 м², 2749 м², 2038 м². Площадь участка естественного возобновления в границах вырубки, на котором отсутствуют ряды лесных культур, составила 26 455 м². Часть вырубки, на которой выделяются ряды лесных культур, занимает площадь 98559 м² (9,86 га).

Полученные в результате обработки изображений карта высот и ортофотоплан позволяют проводить анализ высотных характеристик рельефа и насаждений на вырубке. В пределах контура территории вырубки, на которой распознаются ряды лесных культур, был выделен участок площадью 1 га. На данной площади по ортофотоплану построены линии по рядам. Всего выделено 42 ряда. Схема размещения рядов представлена на рис. 3. Общая протяженность рядов в пределах контура на площади 1 га составила 4254,7 м. Площадь территории, на которой распознаются ряды лесных культур, составляет 9,86 га. Следовательно, общая протяженность рядов лесных культур на вырубке составит 41 951 м (рис. 10).

Рис. 3 — Схема размещения рядов лесных культур в пределах выделенного контура

Высоты лесных культур, измеренные по разнице точек высоты кроны и основания растений, рассчитанные по рядам культур, составили в среднем 0,81 м.

Для измерения расстояний между растениями в рядах были выделены 2 профиля в виде ломаных линий, размещённые по рядам лесных культур (рис. 4). Протяженность первого профиля составила 102,72 м, второго – 104,23 м. Длины профилей превышают 100 м, что обусловлено отклонением вершин (центров растений) от прямолинейного направления и, следовательно, удлинением ломаной линии. Каждая вершина ломаной линии находится над центром проекции кроны растения. В первом профиле было учтено 79 растений, во втором – 49.

Общее количество измерений составило 128 на 2 профиля общей протяженностью 206,95 м. Учитывая, что общая протяженность рядов в пределах 1 га составила 4254,7 м, общее количество растений составит 2631 шт./га. 

Среднее расстояние между растениями в ряду по результатам промеров на двух профилях составило 1,62 м. 

На каждом профиле проводилось измерение диаметров крон и высот растений. Средний диаметр кроны по всей выборке составил 0,96 м, а высот – 0,81 м. Сумма диаметров крон на профиле длиной 102,72 м составила 70,49 м, а на профиле протяженностью 104,23 м – 53,11 м. На основе диаметров проекций крон рассчитаны площади проекций крон. Сумма площадей проекций крон в первом профиле имеет величину 51,35 м², а на втором профиле – 48,36 м².

Рис. 4 — Схема размещения профилей для измерения расстояний между растениями в рядах (красные профили) и между рядами (желтый профиль)

Перпендикулярно направлению рядов лесных культур был заложен профиль для определения расстояний между рядами (рис. 11). Рассчитанные значения расстояний между рядами представлены на рис. 12. Среднее расстояние между рядами имеет величину 2,33 м.

После расчета коэффициентов Стьюдента выяснили, что для средних высот, исчисляемых разными методами, составило t_St = 0,63<1 и для средних диаметров кроны t_St = 0,26 < 1. Таким образом, различия по высоте растений и диаметру крон статистически недостоверны. 

Расстояние между рядами, по материалам наземных исследований, составило не более 3,5 м. При этом исследование после обработки БПЛА показало, что максимальное расстояние между рядами составило 4,69 м. минимальное – 1,36 м при среднем значении 2,33 м. В соответствиями с критериями и требованиями для лесовосстановления в минимальная высота культур сосны должна составлять 0,8 м и густота 2200 экз./га. Таким образом, исследуемые культуры можно перевести в покрытые лесом площади. 

Рис. 5 — Расстояния между рядами в пределах выделенного контура площадью 1 га

Сравнение результатов учета посадочного материала лесных древесных пород при наземном и дистанционном методах обследований

Исследования, выполненные с помощью БПЛА, позволяют сделать следующие выводы:

1.                 Различие по средним высотам и диаметрам крон, установленные при исследованиях наземным методом и с применением БПЛА, статистически недостоверны.

2.                 Расстояние между рядами лесных культур, определяемое с применением БПЛА, достаточно точное, как и при применении наземных методов обследования лесных культур.

3.                 Диаметры крон, определяемые с применением БПЛА позволяют рассчитать сомкнутость в рядах лесных культур. 

4.                 При использовании БПЛА перевод культур в покрытые лесом земли существенным образом упрощается. При снижении общих трудозатрат точность определения отдельных характеристик лесных культур выше.

Таблица 1 — Показатели после применения наземного способа и с применение БПЛА.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

[1] Cовершенствование технологии создания ортофотопланов по космическим изображениям высокого разрешения, «аэрокосмические исследования земли, фотограмметрия», Москва — 2015 московский государственный университет геодезии и картографии, Чибуничев А. Г. URL https://www.miigaik.ru/upload/iblock/fa8/fa8c302cf2b3c5a6d7aba68fbb23ecfb.pdf

[2] ТАКСАЦИЯ ЛЕСА Таксация отдельных деревьев. Учебное пособие для студентов очной, заочной форм обучения по направлению «Лесное дело» Издание второе, переработанное и дополненное Ижевск ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, Д.А. Корепанов – доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры лесоводства и лесных культур 2009;

[3] Приказ Минприроды России от 29.12.2021 N 1024 (ред. от 03.08.2023) «Об утверждении Правил лесовосстановления, формы, состава, порядка согласования проекта лесовосстановления, оснований для отказа в его согласовании, а также требований к формату в электронной форме проекта лесовосстановления» (Зарегистрировано в Минюсте России 11.02.2022 № 67240)

[4] Руководство «Построение ортофотоплана и цифровой модели местности (ЦММ) по данным аэрофотосъемки в программе Agisoft Metashape Pro 1.6 (с опорными точками и без)»

URL https://www.agisoft.com/pdf/MS_1.6_tutorial_ru_Orthomosaic_DEM.pdf

 

© С.Е.Шишкин