Визначення зімкнутості намету деревостану за матеріалами знімання безпілотними літальним апаратами Українського Полісся

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВП НУБіП України «Бережанський агротехнічний інститут»

Національний університет біоресурсів і природокористування України

ВИЗНАЧЕННЯ ЗІМКНУТОСТІ НАМЕТУ ДЕРЕВОСТАНУ ЗА МАТЕРІАЛАМИ ЗНІМАННЯ БЕЗПІЛОТНИМИ ЛІТАЛЬНИМИ АПАРАТАМИ УКРАЇНСЬКОГО ПОЛІССЯ

Д. І. БІДОЛАХ, кандидат сільськогосподарських наук, доцент

А. М. БІЛОУС, доктор сільськогосподарських наук, професор

В. С. КУЗЬОВИЧ, кандидат сільськогосподарських наук, доцент

Анотація

деревостан зімкнутість намет ортофотоплан

Питання підвищення якості визначення зімкнутості намету деревостану є актуальним і практично значущим для лісового та садово-паркового господарства. Проте за окомірному визначенні зімкнутості виникає суб'єктивність його сприйняття, а за використання інструментальних методів підвищується трудомісткість робіт.

Метою дослідження є вдосконалення способів визначення зімкнутості намету деревостану шляхом підвищення якості та достовірності вимірювань завдяки визначенню середньозваженого значення зімкнутості в цілому за площею, а також усунення суб'єктивізму виконавців. Для досягнення цієї мети ми запропонували використання аерофотознімання насадження з безпілотного літального апарату з подальшим визначенням відношення площі цього насадження, яка розташоване під кронами дерев, до його загальної площі, що досягається шляхом оброблення ортофотоплану у середовищі геоінформаційної системи.

Спосіб визначення зімкнутості деревостану, який ми запропонували, дає змогу виправляти неточності традиційних методів, які використовують при проведенні лісо- та парковпорядкування. При цьому, використання матеріалів БПЛА-знімання у середовищі ГІС дає змогу підвищувати якість вимірювань унаслідок аналізу всієї площі виділу та уникати суб'єктивності одержаних результатів завдяки комп'ютерній обробці даних.

Результати проведеного дослідження відповідають загальній тенденції одержаних висновків щодо перспективи використання матеріалів ДЗЗ (у тому числі результатів БПЛА-знімання) для визначення лісівничо-таксаційних показників деревостанів. Використання підходу, який ми запропонували, для досліджень лісових і паркових насаджень дає змогу проводити визначення горизонтальної зімкнутості деревостану зі зменшенням трудомісткості польових робіт, автоматизувати процес отримання інформації та підвищити їх точність.

Ключові слова: зімкнутість деревостану, повнота насадження, безпілотний літальний апарат, ГІС.

Annotation

Bidolah, D. I., Bilous, A. M., Kuzevich, V. S. (2020). Determination of the canopy density of forest stand by the materials of UAV survey.

The issues of improving the quality of determining the canopy density of the forest stand are relevant and have practical importance for forestry and horticulture. However, the eye examination of canopy is a subjective of its perception and use of instrumental methods makes this process more complex.

The aim of the study is to improve methods for determining the canopy density by increasing the quality and reliability of measurements by determining the weighted average value of density in the whole territory, as well as eliminating the subjectivity of performers. To achieve this goal, we propose the use of aerial photography of the territory from an unmanned aerial vehicle with the subsequent determination of the ratio of the area, which is under the tree crowns to the total area of the territory, which is achieved by processing the orthogonal photographic plan in the environment of the geographic information system.

The method, what we propose for determining the canopy density of the forest stand allows us to correct inaccuracies in traditional methods that we use in forest and park management. Moreover, the use of UAV survey materials in a GIS environment allows to improve the quality of measurements due to the analysis of the entire area of the territory and to avoid the subjectivity of the results due to computer processing of data.

The results of our study correspond to the general trend of the findings on the prospects of using remote sensing materials (including the results of UAV surveys) for determining the biometric indicators of forest stands. Our approach to research of the forest and park territories allows to determine the horizontal canopy density of the forest stand with a decrease in the complexity of field work, automate the process of obtaining information and increase the accuracy.

Keywords: tree stand closeness, planting completeness, unmanned aerial vehicle, GIS.

Актуальність

Зімкнутість намету деревостану є важливим лісівничо-таксаційним показником, який використовують у лісівництві та садово-парковому господарстві. Він визначає відношення суми площ горизонтальних проекцій крон дерев до загальної площі деревостану, яке виражене у відсотках або частках одиниці відповідної повної зімкнутості. Цей показник є дуже близьким до поняття «повнота деревостану», який характеризує ступінь щільності розміщення дерев у деревостані та залежить від виду деревних рослин, їхнього віку, кліматичних умов та місця зростання лісу (Anuchin, 1982).

Зімкнутість використовують у процесі проектування рубок догляду за лісом, дослідження взаємодії та росту деревних рослин у насадженні, вивчення процесів впливу зміни освітлення на ріст деревостану, розвитку підросту, підліска та живого надґрунтового покриву, а також для проектування ландшафтів. Проте цей показник переважно встановлюють окомірним способом, він залежить від суб'єктивного сприйняття просторової організації насадження (Girs et al., 2012). Саме тому питання достовірного визначення зімкнутості намету деревостану є актуальним і має практичне значення у сфері лісового та садово-паркового господарства.

Розвиток сучасних технологій дав поштовх до розробки нових підходів щодо визначення параметрів лісового насадження та передбачає покращення способів отримання інформації про лісівничо-таксаційні показники з використанням останніх досягнень науки та техніки для ефективного ведення лісового господарства. Серед цих методів важливе місце посідає сучасний інструментарій, комп'ютерні технології, методи дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) і геоінформаційні системи (ГІС).

Аналіз останніх досліджень та публікацій

Багато науковців (Purves et al., 2007; Canham et al., 1999; Davies & Pommerening, 2008; Pretzsch et al., 2015; Thorpe et al., 2010; Sevko & Kotsan, 2012; Sergeeva et al., 2002; Yuskevych et al., 2019) у своїх працях приділяють увагу дослідженню впливу зімкнутості та повноти деревоста- ну на інші показники, що характеризують ріст і розвиток лісу. Зокрема, автори (Purves et al., 2007; Pretzsch et al., 2015) зазначають, що зімкнутість лісового намету формується сукупністю крон деревно-кущових рослин і впливає на ріст дерев, інтенсивність поглинання вуглецю, очищення повітря від домішок, а також вітростій- кість. При цьому особливості змикання крон деревно-чагарникових рослин є основною детермінантою світлового потоку (Canham et al., 1999), який своєю чергою впливає на розвиток усіх компонентів деревос- тану та проходження екологічних, біологічних та біохімічних процесів у лісі. Прогнозування зміни будови намету деревостану також потребує розуміння особливостей розвитку крон окремих рослин та їх залежності від таких показників, як вид і розмір дерева, а також специфіки місцевої конкуренції між окремими особинами (Thorpe et al., 2010).

Для потреб ландшафтної архітектури, відповідно до досліджень (Sergeeva et al., 2002), вивчення зімкнутості крон є одним із найважливіших показників, який відображає стан об'єкта благоустрою в цілому. Наявність картографічної основи зі схемою горизонтальної структури зелених насаджень (або цифрової моделі з просторовим розподілом дерев) дає змогу ландшафтному архітектору обґрунтовано проектувати композиційні прийоми ландшафтного дизайну (Yuskevych et al., 2019; Sevko & Kotsan, 2012). Таку схему досить зручно отримувати з матеріалів ДЗЗ, опрацювавши їх у геоін- формаційній системі ГІС (Bidolakh et al., 2018; Khokthong et al., 2019). Такий підхід створює умови для кращого проектування дорожньо-стежкової мережі, розрахунку допустимого рекреаційного навантаження, благоустрою та упорядкування території, сприяючи раціональному використанню наявної зімкнутості для створення оптимальних умов рекреації (Sevko & Kotsan, 2012).

Як відомо (Anuchin, 1982), традиційно зімкнутість намету визначають як відношення суми площ горизонтальних проекцій крон дерев (без урахування їх перекриття) до загальної площі деревостану, виражається у відсотках або частках одиниці. Недоліками цього способу є його трудомісткість, що пов'язана з необхідністю визначення суми площ горизонтальних проекцій крон, виникнення систематичних помилок через складність вилучення із результатів вимірювання площ перекриття крон і необхідність виконання додаткових картографічних робіт для отримання загальної площі деревостану. Тому, зазвичай, цей спосіб реалізують окомірно ін- женери-таксатори на підставі попереднього тренування окоміру на пробних площах, що вносить відповідний суб'єктивізм до результатів роботи.

Відомі також методи визначення зімкнутості деревостану за матеріалами космічного знімання з наступним програмним опрацюванням методами фотограмметрії (Purves et al., 2007; Thorpe et al., 2010; Rylskiy, 2018; Girs et al., 2012; Sevko & Kotsan, 2012; Tolkach & Bakhur, 2013). Проте недоліком таких підходів є їх трудомісткість, висока вартість матеріалів космічного знімання, особливо високого просторового розрізнення, та неможливість планування часу проведення знімання території.

Тому сучасний напрям досліджень за цією тематикою (Purves et al., 2007; Thorpe et al., 2010; Bidolakh et al., 2018; Umarhadi et al., 2018; Khokthong et al., 2019; Sevko & Kotsan, 2012; Girs et al., 2012) спрямований на оброблення матеріалів ДЗЗ за результатами знімання з БПЛА, які дають інформацію про просторову структуру горизонтальних проекцій крон у ГІС, з метою вивчення зімкнутості намету. Такий підхід дає змогу також визначати просторову щільність деревно-кущових рослин, що, своєю чергою, можна використати для встановлення загальної площі, біомаси та структури насаджень (Purves et al., 2007), а також класифікації насаджень за типами лісопаркових ландшафтів (Girs et al., 2012). Станом на сьогодні науковці опрацьовуютьтакож нові підходи щодо використання як картографічної основи для досліджень лісівничо-таксаційних показників ортофотоплану, отриманого з безпілотних літальних апаратів (Umarhadi et al., 2018; Khokthong et al., 2019; Hernandez et al., 2016; Bidolakh et al., 2018).

Згадані недоліки методів досліджень і перспективи використання БПЛА для дослідження лісівничо-таксаційних показників насаджень зумовлюють необхідність розроблення нового способу визначення горизонтальної зімкнутості деревостану без необхідності виконання натурних обмірів, шляхом усунення суб'єктивізму окомірного способу, здешевлення вартості витрат, спрощення та підвищення точності виконання вимірювань.

Метою дослідження є вдосконалення способів визначення зімкнутості намету деревостану шляхом підвищення якості та достовірності вимірювань завдяки визначенню середньозваженого значення зімкнутості в цілому за площею, а також усунення суб'єктивізму виконавців. Для досягнення цієї мети ми запропонували використання ортофотоплану, який одержаний за результатами аерофотознімання території з безпілотного літального апарату, для подальшого визначення відношення площі насадження, що розташована під кронами дерев, до загальної площі об'єкта дослідження, шляхом опрацювання цього картографічного матеріалу у середовищі геоінформаційної системи.

Матеріали і методи дослідження

Об'єктом дослідження обрано спосіб визначення горизонтальної зімкнутості деревостану у лісових та садово-паркових насадженнях. Предметом дослідження стали можливості вдосконалення процесу визначення зімкнутості насаджень шляхом використання сучасних методів.

Дослідження проводили у лісових насадженнях на території двох лісогосподарських підприємств: ДП «Бережанське лісомисливське господарство» та Бережанського районного державного агропромислового підприємства «Бережанирайагроліс» (табл. 1). Польові дослідження проводили таким чином. Після калібрування компаса БПЛА DJI Phantom 4 і отримання чіткого супутникового сигналу в системах позиціонування GPS і Гло- насс виконували обліт насадження, що підлягає дослідженню, за попередньо спланованим маршрутом. При цьому виконували аерофотознімання із забезпеченням достатнього повздовжнього (60 %) та поперечного (30 %) перекриття сусідніх знімків. Після цього серію аерофотознімків експортували на комп'ютер для здійснення їх поєднання і трансформації з метою створення ортофотоплану за допомогою програми Agisoft PhotoScan.

Опрацювання отриманого картографічного матеріалу, який прив'язаний до відповідної системи координат (УСК 2000), дає змогу проводити керовану класифікацію у середовищі ГІС (у нашому випадку ArcGis 10.2) для визначення кількості пікселів площі горизонтальних проекцій крон дерев (N1). Визначення загальної кількості пікселів площі ділянки (N2) дає можливість отримати розрахункове значення горизонтальної зімкнутості насадження (Z), вираженого у відсотках або частках одиниці за формулами 1 і 2 відповідно.

1. Основні лісівничо-таксаційні показники дослідних ділянок

Визначення зімкнутості насаджень для зазначених ділянок (це можуть бути площі цілих ділянок або їх частини) дає змогу отримати середньозважений показник для цілої ділянки, на відміну від наявних методів, які дають результат лише для площі, що лежить у зоні видимості для дослідника. Це, на нашу думку, підвищує об'єктивність, точність і достовірність результатів підходу, який ми запропонували.

Одержану таким чином інформацію можна використовувати для потреб лісо- та парковпорядкування, визначення планувальної структури лісопаркових насаджень, а також для виконання інших наукових досліджень.

Рис. 1 Робоче вікно програми у процесі класифікації

Результати дослідження та їх обговорення. Для визначення горизонтальної зімкнутості деревостану проводили автоматизований розрахунок відношення кількості пікселів, що належать до вкритих рослинністю площ, до загальної кількості пік селів дослідної ділянки за матеріалами БПЛА-знімання у ГІС Агсв^ 10.2. Для одержання цієї інформації проводили керовану класифікацію методом навчальної вибірки з використанням способу «Мінімальна відстань» і розподілом пікселів на дві групи (вкриті й не вкриті рослинністю площі). Процес виконання класифікації фрагментів ортофотоплану ділянки у середовищі ГІС АгсвЇ8 10.2 наведено на рис. 1, а результати класифікації - на рис. 2.

Рис. 2 Порівняння матеріалів БПЛА-знімання і результатів класифікації на прикладі дослідної ділянки № 7 (лісове насадження)

Для аналізу якості результатів визначення горизонтальної зімкнутості деревостану проведено їх порівняння із значеннями повноти за даними таксаційного опису для кожної ділянки (табл. 2). Такий підхід відповідає результатам досліджень окремих авторів (Яуккіу, 2018; ТоікасЬ & БакЬиг, 2013), які рекомендують повноту насадження визначати через зімкнутість крон завдяки тому, що ці показники перебувають у тісному кореляційно-му зв'язку. При цьому слід враховувати відомий факт (Anuchin, 1982), що в молодняках зімкнутість зазвичай вища, ніж повнота, в середньовіко- вих і пристигаючих деревостанах ці показники наближено збігаються, а у стиглих i перестійних деревостанах повнота вища, ніж зімкнутість.

Проведений аналіз даних табл. 2 засвідчив, що зімкнутість, визначена за цією методикою, в цілому дає вищі значення за повноту. При цьому розбіжності лежать у межах таксаційної похибки (допустима до одиниці повноти). Слід також зауважити більші відхилення для насаджень з участю сосни звичайної (як виду з ажурною кроною). Залежності між розрахунковою горизонтальною зімкнутістю за матеріалами БПЛА-зні- мання та повнотою відповідно до таксаційного опису можна виразити полі- номіальним рівнянням 3 із величиною достовірності апроксимації Я²= 0,78.

Р = 184,652³ - 404,842² + 295,452 -71,07 (3)

Ці результати узгоджуються із висновками, отриманими іншими авторами у процесі аналізу матеріалів ДЗЗ лазерного сканування за результатами аерознімання (Яу^кіу, 2018) та за космічними знімками високої роздільної здатності (ТоікаеЬ & БакЬиг, 2013) для визначення зімкнутості намету та повноти деревостану. Тому ми підтвердили можливість використання також матеріалів знімання з БПЛА для цих цілей.

Слід зазначити, що специфіка знімання з квадрокоптера обмежує територію, що підлягає обстеженню, до 20-30 га за один політ (за висоти знімання 100 м). Це, своєю чергою, обмежує можливості застосування цього підходу для дослідження окремих ділянок із метою обґрунтування призначення рубок, уточнення зімкнутості та інших досліджень на невеликих територіях. Крім того, цей підхід не рекомендують використовувати для невкритих лісовою рослинністю земель. Тому потрібно проводити попереднє дешифрування ортофотоплану з виокремленням ділянок, які не підлягають дослідженню.

Ми додатково провели дослідження можливості визначення зімкнутості крон для об'єктів благоустрою як важливого показника для обґрунтованого проектування композиційних прийомів і визначення балансу території на прикладі центрального скверу у м. Бережани (Тернопільська

2. Результати визначення зімкнутості за даними БПЛА-знімання на дослідних ділянках

Рис. 3 Графік взаємозв'язку між повнотою деревостану та розрахунковою зімкнутістю намету

область). Для цього за вищезгаданою методикою побудовано ортофотоплан за матеріалами БПЛА-знімання (рис. 4А), проведено керовану класифікацію за п'ятьма класами (деревно-кущові рослини, трав'яне, ґрунтове і тверде покриття та інші території), що наведена на рис. 4Б та може бути використана для визначення балансу території, а також виокремлено деревно-кущову рослинність для визначення зімкнутості крон (рис. 4В). Результати обчислення балансу території для цієї ділянки наведено в табл.3

Розрахункова зімкнутість крон для цієї ділянки (відношення кількості пікселів класу деревно-чагарникової рослинності до загальної кількості пікселів) становить 0,41.

3. Розрахунок балансу території скверу за даними БПЛА-знімання

На нашу думку, пропоноване рішення визначення зімкнутості де- ревостану дає змогу виправляти неточності традиційних методів, які використовують під час проведення лісо- та парковпорядкування. При цьому, використання матеріалів БПЛА-знімання у середовищі ГІС дає змогу прискорювати, підвищувати якість вимірювань унаслідок аналізу всієї території ділянки (виділу) та уникати суб'єктивності одержаних результатів завдяки комп 'ютерному обробленню даних. Крім того, одержані результати знімання та класифікації території можуть зберігатись у цифровому вигляді для побудови картографічних матеріалів, подальших досліджень, моніторингу змін зімкнутості та архівуватись для під- тверджувальних документів.

Рис. 4 Результати класифікації БПЛА-знімання зелених насаджень центрального скверу у м. Бережани

Висновки і перспективи

Результати проведеного дослідження відповідають загальній тенденції одержаних висновків щодо перспективи використання матеріалів ДЗЗ (у т. ч. результатів БПЛА-знімання) для визначення лісівничо-таксаційних показників насаджень. Новизною за пропонованого підходу є те, що опрацювання інформації здійснюється за прив'язаними до системи глобального позиціонування матеріалами аерофотознімання (ортофотоплан) із безпілотного літального апарату у середовищі геоінформаційної системи з наступним визначенням відношення кількості пікселів, що належать до вкритих рослинністю площ, до загальної кількості пікселів дослідної ділянки та збереженням просторової інформації в цифровому вигляді для подальших досліджень.

Використання запропонованого нами підходу для дослідження лісових і паркових насаджень дає змогу проводити визначення горизонтальної зімкнутості насаджень зі зменшенням трудомісткості польових робіт,автоматизувати процес отримання інформації та підвищити її якість та точність. Такий спосіб може бути корисним для потреб лісо- та парковпо- рядкування, визначення планувальної структури лісопаркових насаджень, балансу території, а також для проведення інших наукових досліджень. За матеріалами проведених робіт розроблено та запатентовано корисну модель «Спосіб визначення горизонтальної зімкнутості деревостану» (ВМоІакЬ еї аі., 2019).

Список літератури

1. Anuchin, N. P. (1982). Forest taxation. Textbook for high schools (5-th edition supplemented). Moskva: Forest industry [in Russian].

2. Bidolakh, D. I., Kuziovych, V. S., & Bilous, А. М. (2019). The method of horizontal closure of stand determining (Patent V. 5). Pat. 131980 UA, MPK (2018/01) A01G 23/00 (2006.01) G01B 11/24) [in Ukrainian].

3. Bidolakh, D. I., Kuzjovych, V. S., & Ostapchuk, O. S. (2018). Landscape and architectural research of parks using modern technologies. RS Global., 6 (24), 3, 7-12. h tt ps://doi.org/10.31435/rsglobal_ wos/12062018/5760

4. Canham, C. D., Kobe, R. K., Latty, E. F., & Chazdon, R. L. (1999). Interspecific and Intraspecific Variation in Tree Seedling Survival: Effects of Allocation to Roots versus Carbohydrate Reserves. Oecologia, 121 (1), 1-11. Retrieved from www.jstor.org/sta- ble/4222434.

5. Davies, O., & Pommerening, A. (2008). The contribution of structural indices to the modelling of Sitka spruce (Picea sitch- ensis) and birch (Betula spp.) crowns. Forest Ecology and Management, 256 (1-2), 68-77. https://doi.org/10.1016/j. foreco.2008.03.052

6. Girs, О. А., Myronyuk, V. V., & Kutya, М. М. (2012). Forest park identification of Kyiv green zone using remote sensing data. Science reports of NULES of Ukraine, 7, 36 [in Ukrainian]. Hernandez, J. G., Gonzalez-Ferreiro, E., Sar- mento, A., Silva, J., Nunes, A., Correia, A. C.,... Diaz-Varela, R. (2016). Using high resolution UAV imagery to estimate tree variables in Pinus pinea plantation in Portugal. Forest Systems, 25 (2), 09. https://doi. org/10.5424/fs/2016252-08895 Khokthong, W., Zemp, D. C., Irawan, B., Sundawati, L., Kreft, H., & Holscher, D. (2019). Drone-Based Assessment of Canopy Cover for Analyzing Tree Mortality in an Oil Palm Agroforest. Frontiers in Forests and Global Change, 2. https://doi.org/10.3389/ ffgc.2019.00012

7. Pretzsch, H., Biber, P., Uhl, E., Dahlhausen, J., Rotzer, T., Caldentey, J.,... Pauleit, S. (2015). Crown size and growing space requirement of common tree species in urban centres, parks, and forests. Urban Forestry & Urban Greening, 14 (3), 466-479. https://doi. org/10.1016/j.ufug.2015.04.006 Purves, D. W., Lichstein, J. W., & Pacala, S. W. (2007). Crown Plasticity and Competition for Canopy Space: A New Spatially Implicit Model Parameterized for 250 North American Tree Species. PLOS ONE, 2 (9), e870. https:// doi.org/10.1371/journal.pone.0000870 Rylskiy, I. A. (2018). Approaches to the determination of taxation indicators of forests using aerospace images and lidar data. InterCarto. InterGis. 24 (2), 216-240 [in Russian]. https://doi.org/10.24057/2414- 9179-2018-2-24-216-240 Sergeeva, O. S., Piankov, S. V., & Soboleva, E. B. (2002). Using gis-technologies in the inventory of green plantations (by the example of the city of perm). Materials of international conference. Materials of international conference. InterKarto 8: GIS for sustainable development of territories, Helsinki; Sankt-Petersburg [in Russian]. Sevko, O., & Kotsan, V. (2012). Assessment of the influence of spatial structure on taxation indicators of stands using a digital model of spatial distribution of stands. Works by BGTU, 1, 57-59 [in Russian].

8. Thorpe, H. C., Astrup, R., Trowbridge, A., & Coates, K. D. (2010). Competition and tree crowns: A neighborhood analysis of three boreal tree species. Forest Ecology and Management, 259 (8), 1586-1596. https:// doi.org/10.1016/j.foreco.2010.01.035

9. Tolkach, I. V., & Bakhur, O. S. (2013). Estimation of basic taxation parameters by digital images using Quantum GIS. Actual problems of the forest complex, 37 [in Russian].

10. Umarhadi, D. A., Danoedoro, P., Wicaksono, P., Widayani, P., Nurbandi, W., & Juni- ansah, A. (2018). The Comparison of Canopy Density Measurement Using UAV and Hemispherical Photography for Remote Sensing Based Mapping. 2018 4th International Conference on Science and Technology (ICST), 1-5. https://doi.org/10.1109/ ICSTC.2018.8528670

11. Yuskevych, T. V., Vytseha, R. R., & Hrynyk, H. H. (2019). The Dependence of Crown Indicators on Morphological and Taxonomic Parameters of pine trees of Introduced Species in Western Ukraine. Scientific Bulletin of UNFU, 29 (5), 75-81 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15421/40290515

Размещено на Allbest.ru