• 1
  • 1
  • 1
  • snimok1
  • snimok2
  • snimok3
  • Hram

ЭкоГеоПроект

Технология воздушного лазерного сканирования (LIDAR) для целей таксации леса

   Воздушное лазерное сканирование (LIDAR) — это система дистанционного зондирования, изначально разработанная для картографирования земной поверхности, которая позволяет строить точные трехмерные модели рельефа местности и древостоев.

 

  Воздущный лазерный сканер (LIDAR) — это сенсор, а именно лазер, обладающий собственным источником света, что позволяет применять его в любое время суток независимо от освещения. Эта возможность вытекает из того факта, что LIDAR является средством дистанционного зондирования, т.е. регистрирует собственное, а не отраженное солнечное излучение. Однако неблагоприятное состояние атмосферы: дождь, туман, дымка, низкая облачность - может помешать съемке.

  Воздущный лазерный сканер (LIDAR) признан  превосходным инструментом для картографирования растительного покрова, благодаря возможности лазерного луча частично отражаться от полога леса, а частично проникать до уровня земли. Это позволяет эффективно произвести измерения высоты и густоты растительности. За годы разработки и усовершенствования лидар и технологии первичной обработки данных стали надежными и действующими инструментами.

  Применение технологии   Воздушного лазерного сканирования (ЛИДАР) представляет собой относительно простой и относительно короткий технологический цикл по отношению к классическим аэрофотосъемочным технологиям. При реализации лазерно-локационных технологий целый ряд практически значимых материалов появляется через несколько дней или даже часов после завершения аэросъемочной части работ. Имеются в виду такие материалы, как совокупности (облака) лазерных точек, разделенные по их морфологической принадлежности (земля, растительность, поверхности водоемов, кровли зданий, провода ЛЭП и др.), цифровые модели рельефа, ортофотомозаика, а также многие контурные объекты и модели географических объектов в трехмерном представлении. Очень важно отметить, что все упомянутые материалы уже в момент возникновения полностью координированы, т.е. определены в некоторой заранее заданной системе геодезических или географических координат и в дальнейшем принципиально не требуется проведения никаких дополнительных мероприятий по координатной коррекции или преобразованию. Также важно то, что на практике подготовка всех этих материалов осуществляется в полевых условиях, в результате чего собственно камеральная фаза обработки начинается в существенно более подготовленных условиях, что, в свою очередь, также способствует сокращению технологического цикла.

  Воздушное лазерное сканирование  (LIDAR) является более экономичным методом инвентаризации леса. Применение его приносит экономию средств при планировании и осуществлении операций с использованием высокоточных данных о лесных ресурсах. По сравнению с традиционными материалами учёта на основании полевых измерений, материалы лидарной инвентаризации отличаются высоким пространственным разрешением и точностью измерений. Также крупномасштабное управление природными ресурсами оптимизировано благодаря стандартизированной информации.

 

Чем масштабнее проект, тем меньше издержек.

  Применение лидарных технологий в инвентаризации лесов способствует извлечению большей прибыли за счет эффекта масштаба. Благодаря увеличению размера проекта и унификации охватываемых территорий, стоимость обработки данных в пересчёте на гектар значительно сокращается.

 Воздушное лазерное сканирование (ЛИДАР) становится привлекательной альтернативой традиционной технологии для крупномасштабного геопространственного сбора данных, являясь сегодня ценным геодезическим и картографическим инструментом. Он позволяет осуществлять аэрофотосъемку в расширенном диапазоне экологических условий. 

Применение      Воздушного лазерного сканирования (LIDAR)для таксации леса

 Леса являются одними из самых биологически разнообразных, структурно сложных и богатых углеродом экосистем. Понять сложности леса и обобщить измерения от участка до крупных лесных районов можно, используя современные технологии дистанционного зондирования.

  Лесное хозяйство – одна из первых областей применения технологии LIDAR, поскольку точная топографическая информация местности под покровом деревьев чрезвычайно важна как для отрасли лесного хозяйства, так и для управления природными ресурсами, но труднодоступна традиционными методами. Данные LIDAR обладают более высокой точностью и плотностью воздушных данных, позволяют осуществить оценку различных биофизических свойств леса и характеристику структуры леса,  и в целом незаменимы для изучения территорий покрытых лесом.

  Воздушные   Лазерные сканеры с небольшим диаметром зоны охвата и высокой плотностью точек обеспечивают возможность получить очень точную информацию леса. Технологии Воздушного лазерного сканирования (LIDAR) имеют множество потенциальных применений в лесных районах, таких как определение деградации лесов и изменения в землепользовании, а также общая характеристика леса. В тропических лесах примерно половина биомассы состоит из углерода. Улучшения способностей картирования биомассы через дистанционные методы позволят осуществить более точные оценки запасов углерода. Такой прогресс особенно важен в тропических лесах, которые содержат большой процент углерода и, следовательно, имеют большой потенциал для уменьшения углекислого газа в атмосфере. Оценка количества углерода, содержащегося в лесах, является ключевой задачей для понимания глобального углеродного цикла. Прямая оценка углерода в сложной структуре леса - трудная задача для обычных методов измерения.        Лазерный сканер измеряет вертикальную структуры леса и выводит точность пространственной организации и оценку количества биомассы на новый уровень.

  Технология Воздушного лазерного сканирования (LiDAR) находит наибольшую эффективность на больших инвентарных площадях. Несомненно, является наиболее точным, наиболее экономически эффективным и быстрым способом сбора данных для инвентаризации лесов на сегодняшнем рынке. LIDAR-данные обычно используются для учета бореальных лесов, но также идеально подходит для древесных насаждений.

Зарубежный опыт применения Воздушного лазерного сканирования (LiDAR)для целей таксации леса

  В Канаде, США и Европе отмечается бум в области применения лазерных технологий для исследования лесов и в других тематических приложениях.

  На примере зарубежного опыта использования метода лазерной локации, совмещенного с цифровой аэрофото- и видеосъемкой, спутниковой навигацией и геопозиционированием, сопровождаемого цифровой спутниковой съемкой в оптическом и радио диапазонах и интегрированных в геоинформационных системах для целей дистанционного зондирования природной среды, землеустройства и лесоинвентаризации, можно проследить, что он  позволяет проводить дистанционный мониторинг земель и лесов с высокой эффективностью, при минимуме наземных работ и значительной экономии времени и финансовых средств.

   В феврале 2006 года компания Forestal Arauco SA заключила контракт с Digimapas Chile Aerofotogrametria Ltd. (DMCL) на приобретение  карт-материалов почти 30 тысяч квадратных километров лесных массивов в Чили на основе применения  Воздушного лазерного сканирования (LiDAR) и полученных данных ортофото. Forestal Аrauco использовала полученные данные для обновления инвентаризации лесов, а также с целью профилактики эрозии, контроля за качеством леса, планирования дереводобычи, инфраструктурного планирования для прокладки новых транспортных дорог и т.д.

 

Изображение 1. A LiDAR canopy map

   Поверхностное геологическое картирование местности с густой растительностью всегда было трудной задачей для геологов. Воздушное лазерное сканирование (LiDAR) представляет собой очень мощный инструмент для выявления различных поверхностных отложений и форм рельефов в разрезе разнообразного ландшафта.

   Совместный проект по исследованию окружающей среды, для изучения активных сейсмоопасных разломов в юго-восточных Альпах, в Словении, был профинансирован компанией Natural Environment Research Council (NERC). Команда ученых из департаментов геологии и географии Лестеровского Университета  Великобритании разработала в 2006г. технологию с использованием мощного лазера установленного на самолете, которая может использоваться в горной местности и выявить детали рельефа лесной подстилки, в том числе следы активных разломов.

   Топографические изображения границ разломов двух крупных пластин Idrija и Ravne в Словении, на основе данных Воздушного лазерного сканирования (LiDAR), показали геоморфологические и структурные особенности, которые проливают свет на общую архитектуру и историю разлома двух систем.

 

 

Изображение 2. A 2m shaded relief image of the Idrija study area created using last returns

  В 2011году FINNMAP стала первой компанией осуществившей проекты с применением ЛИДАР в  Непале. Среди прочих - совместный с FRA Nepal Project, Department of Forest Research and Survey и DFRS (Ministryof Forest and SoilConservation), для определения возможностей использования данных Воздушного лазерного сканирования (ЛИДАР) при инвентаризации лесов в горных и отдаленных областях. 22 блока по 50 кв. км., разбросанные в регионах Terai и Shiwalik были отсканированы с плотностью 1p/m2 и сделаны ортофотоснимки с разрешением 50см.

  Оценка лесных ресурсов Непала – проект двустороннего сотрудничества между правительствами Непала и Финляндии (2010-2014гг.) охватывает осуществление оценки лесных ресурсов на территории всей страны. Основные задачи проекта: укрепление институционального потенциала, поддержание информационных систем лесного сектора, сбор данных по всем лесным ресурсам и совместное использование данных организациями лесного хозяйства. Изменение климата приобретает все большее значение и требует обновления на карте лесного покрытия, получения свежих данных о состоянии биомассы, почвы и т.д.

На национальном уровне сбор данных осуществляется с помощью технологии дистанционного зондирования (LiDAR).

  Canopy Mapping – международная компания по целлюлозно-бумажному производству, с заводами в Северной Америке и Азии, заключила контракт с Lasermap на LiDAR-аэросъемку территории более 4000 км ². Полученные LIDAR-данные, собранные при плотности 1т/4 кв м, в сочетании с плотностью изображения были использованы для оценки лесных запасов и топографических исследований (рельеф земли) с целью планирования будущей деятельности лесопиления.

  Lasermap также осуществила проект для Лесного Управления Министерства природных ресурсов и лесного хозяйства Квебека. Министерство несет ответственность за планирование всей области и управление природными ресурсами, а также управляет всей горно-лесопильной деятельностью. Кроме того Министерство участвует в интенсивных экологических исследованиях лесного хозяйства и имеет полномочия по защите дикой природы и среды его обитания. Министерство заключило контракт с Lasermap на выполнение LIDAR-аэросъемки покрытия площадью 1670 км ² в нижнем районе реки Сен-Лоренс. Данный проект был осуществлен в рамках экспериментального проекта для отображения растительного навеса (самая высокая поверхность), растительности под «колпаком» (кусты и кустарники) и картографирования рельефа земли.Lasermap успешно предоставила точные LIDAR-данные средней плотностью 1 pt/m ². Комбинированные изображения интенсивности были предоставлены в различных форматах (ASCII, LAS, ESRI-Grid, MicroStation и AutoCad).

  Полет над дремучими джунглями Белиза (Центральная Америка) стал новым словом в археологии. С высоты птичьего полета ученым удалось наблюдать сложную инфраструктуру городских поселений, оставшихся от одной из самых интересных древних цивилизаций – майя. Исследование было проведено по инициативе ученых из Университета Центральной Флориды на средства NASA в апреле 2009 года.

Применение новых технологий в археологии позволило за четыре дня собрать данные, эквивалентные результатам 25 лет упорного труда археологов.

  Воздушный лазерный сканер (LiDAR, Light Detection and Ranging) был установлен на борту самолета Cessna 337. Эта технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах, позволяет получать снимки земной поверхности с разрешением в десять раз выше, чем обычное. Лазерные лучи Воздушного лазерного сканера легко проникли через плотную завесу листвы джунглей. С их помощью удалось получить очень четкие снимки древних поселений и окружающей инфраструктуры, а также оценить воздействие майя на окружающую среду. Объектом исследования стал древний город майя Каракол и его окрестности на площади около 200 кв. км.

  Специалисты-антропологи из Флориды вели ручные раскопки Каракола на протяжении 25 лет. За это время им удалось создать точную карту поселения на площади 25 кв. км. Использование Воздушного лазерного сканера позволило за несколько дней получить массу новых важных результатов. Были обнаружены тысячи новых построек, 11 мощеных дорог, десятки тысяч сельскохозяйственных террас – результат, поражающий воображение любого археолога. Удалось точно определить размеры города – более 177 кв. км, а также подтвердить оценки его населения – по меньшей мере 115 тысяч человек (в 650 г. н. э.).


  Изображение 3. Сельскохозяйственные террасы в древнем Караколе (цветное изображение по данным лидара)// Caracol Archaeological Project

 

Исчезнувшая культура майя издавна привлекала археологов, однако ее исследование технологически затруднено тяжелыми условиями влажных экваториальных джунглей в холмистой местности. Лидар легко преодолевает эти трудности, осуществляя успешное дистанционное зондирование зон, интересующих археологов.

Как отмечалось ранее, лазерная локация, составляющая новейшие методы и технологии геоинформатики при современном приборном обеспечении, является высокоэффективным инструментом в решении многих исследовательских и практических задач лесной таксации, лесоведения и лесоэкологического мониторинга, что принципиально важно также для оперативности и точности получаемой информации о земной поверхности.

При воздушной лазерной съемке достигается «сантиметровая» точность измерения геометрических параметров деревьев, которая сопоставима только с наземными инструментальными измерениями на пробных площадях. Уровень производительности при выполнении измерений морфометрических параметров деревьев лазерно-локационным методом (с использованием современной компьютерной техники) не сопоставим с трудоемкими и дорогостоящими наземными измерениями и превосходит их на порядки.

Принципиальным отличием лазерной локации от классической аэрофотосъемки является то, что лазерный луч, проникая сквозь полог леса до самой земли, сканирует все ярусы растительности с высокой плотностью (5–10 и более лазерных точек сканирования на 1 кв. м), позволяя получать трехмерные изображения отдельных деревьев с высокой точностью. Полученный «лазерный портрет древостоя» позволяет наблюдать его на экране монитора с любой точки, произвольно меняя проекции (ракурсы) изображения, что очень важно, в частности, для анализа морфологической и пространственной структуры насаждения и анализа распределения органического вещества в лесных биогеоценозах. При этом отпадает необходимость в рутинной и достаточно длительной обработке изображений (получение стереоэффекта, вычисление высот деревьев методом продольных параллаксов и пр.),  характерной для классических фотограмметрических методов обработки снимков.

 

LIDAR как средство съемки и источник геопространственных данных является самым  значимым инструментом для целей таксации леса в современном мире.