Воздушное лазерное сканирование для уточнения таксационных характеристик древостоев

УДК

630*522.2+630*524.2+629.78

DOI:

10.37482/0536-1036-2020-6-42-54

Аннотация

На сегодняшний день для мониторинга лесов, оценки лесных земель и постановки их на кадастровый учет разрабатываются новейшие бесконтактные методы и технологии изучения лесного фонда. Применение воздушного лазерного сканирования при инвентаризации лесов призвано решить стоящие перед лесоустройством задачи. Лазерное сканирование – единственный метод сбора данных о реальной поверхности, покрытой лесной растительностью, который позволяет получать данные о форме, местоположении и отражательной характеристике исследуемых лесных объектов. Результатом воздушного лазерного сканирования является 3D-массив лазерных отражений с плотностью до нескольких десятков точек на 1 м² и точностью определения их координат менее 10 см в плане и по высоте. Для съемки используются различные сканирующие системы импортного производства. Воздушное лазерное сканирование растительного покрова Земли по множеству характеристик в настоящее время превосходит все существующие технологии оценки количественных и качественных характеристик древостоев. Этот метод оценки и инвентаризации лесов не имеет конкурентов в сфере мониторинга и таксации лесных насаждений, обладает достаточной точностью картографирования древесной растительности, вплоть до подеревной съемки земель, покрытых лесом. Предложенная нами методика определения таксационных показателей (породного состава, густоты, запаса, высоты и диаметра древостоев) прошла проверку на лесном участке Всеволожского района Ленинградской области. Породный состав и густота устанавливались по горизонтальным проекциям крон деревьев, высота деревьев – с помощью программного обеспечения Global Mapper, их средний диаметр – по известным в таксации уравнениям связи диаметра и высоты. Запас насаждения рассчитывался по формулам Дементьева, Денцина и Кювье. Установлено, что результаты определения таксационных показателей посредством воздушного лазерного сканирования могут использоваться при мониторинге лесов наравне с данными глазомерно-измерительной таксации, поскольку полученные сведения о древостое не выходят за пределы допустимых ошибок, указанных в лесоустроительной инструкции.

Сведения об авторах

В.Ф. Ковязин, д-р биол. наук, проф.; ResearcherID: Y-5917-2018, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3118-8515
К.П. Виноградов, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: B-4864-2018, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9339-0316
А.А. Киценко, аспирант; ResearcherID: AAP-2113-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0114-3252
Е.А. Васильева, инж.; ResearcherID: AAH-3855-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1020-2573
Санкт-Петербургский горный университет, 21-я линия В.О., д. 2, Санкт-Петербург, Россия, 199106; e-mail: vfkedr@mail.ru, kostya1495@mail.ru, kna1994@bk.ru, katrinvasileva1997@icloud.com

Ключевые слова

воздушное лазерное сканирование, древостой, мониторинг, таксационные показатели

Для цитирования

Ковязин В.Ф., Виноградов К.П., Киценко А.А., Васильева Е.А. Воздушное лазерное сканирование для уточнения таксационных характеристик древостоев // Изв. вузов. Лесн. журн. 2020. № 6. С. 42–54. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-6-42-54

Литература

1. Аналитическая записка о состоянии и использовании земель на территории Всеволожского района Ленинградской области в рамках выполнения работ по Государственному контракту № 0008-16-17 от 19.06. 2017 г. 2017. 129 с. // Росреестр. Режим доступа: https://rosreestr.ru/upload/Doc/16-upr/Аналитическая_записка_Ленинградская_область.pdf (дата обращения: 18.05.19). [Analytical Note on the State and Use of Land in the Territory of the Vsevolozhsk District of the Leningrad Region within the Performance of Works under the State Contract No. 0008-16-17 Dated on 19.06.2017. Rosreestr, 2017. 129 p.].
2. Анучин Н.П. Лесная таксация. М.: Лесн. пром-сть, 1977. 511 с. [Anuchin N.P. Forest Valuation. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1977. 511 p.].
3. Варыгин К.А., Данилин И.М., Рыльский И.А. Инвентаризация и мониторинг лесов на основе лазерной локации, цифровой аэро- и космической фотосъемки и спутникового геопозиционирования // Материалы 3-й междунар.-практ. конф. по лесоустройству. Новосибирск, 2012. 56 с. [Varygin K.A., Danilin I.M., Rylskiy I.A. Forest Inventory and Monitoring Based on Laser Detection and Ranging, Digital Aerial and Space Photography and Satellite Geolocation. Proceedings of the 3rd International Practical Conference on Forest Management. Novosibirsk, 2012. 56 p.].
4. Данилин И.М. Морфологическая структура, продуктивность и дистанционные методы таксации древостоев Сибири: автореф. дис. ... д-ра с.-х. наук. Красноярск, 2003. 35 с. [Danilin I.M. Morphological Structure, Productivity and Remote Methods of Valuation of Siberian Tree Stands: Dr. Agric. Sci. Diss. Abs. Krasnoyarsk, Sukachev Institute of Forest SB RAS, 2003. 35 p.].
5. Данилин И.М., Медведев Е.М. Некоторые результаты международного проекта по исследованию возможностей лазерной, радарной и цифровой аэросъемки лесов // Изв. вузов. Лесн. журн. 2008. № 1. С. 15–23. [Danilin I.M., Medvedev E.M. Some Results of International Project on Investigation of Possibilities for Laser, Radar and Digital Aerial Survey of Forests. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2008, no. 1, pp. 15–23]. URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/b1a/b1adb20eb1cbc07b009065c60bf89a9f.pdf
6. Демаков Ю.П., Пуряев А.С., Черных В.Л., Черных Л.В. Использование аллометрических зависимостей для оценки фитомассы различных фракций деревьев и моделирования их динамики // Вестн. Поволж. гос. ун-та. Сер.: Лес. Экология. Природопользование. 2015. № 2(26). С. 19–36. [Demakov Yu.P., Puryaev A.S., Chernyh V.L. Allometric Dependances Application to Assess Phytomass of Various Fractions of Trees and Simulation of Their Dynamics. Vestnik Povolzhskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta. Ser.: Les. Ekologiya. Prirodopol’zovaniye [Vestnik of Volga State University of Technology. Series: Forest. Ecology. Nature Management], 2015, no. 2(26), pp. 19–36].
7. Дмитриев И.Д., Мурахтанов Е.С., Сухих В.И. Лесная авиация и аэрофотосъемка. 2-е изд. М.: Агропромиздат, 1989. 366 с. [Dmitriyev I.D., Murakhtanov E.S., Sukhikh V.I. Forest Aviation and Aerial Photography. Moscow, Agropromizdat Publ., 1989. 366 p.].
8. Ефремова М.Н., Шевелев С.Л. Упрощенные формулы для определения объемов стволов березы // Лесохоз. информ.: электрон. сетевой журн. 2018. № 3. С. 81–86. Режим доступа: http://lhi.vniilm.ru/ (дата обращения: 21.05.19). [Efremova M.N., Shevelev S.L. Simplified Formulas for Determining the Volumes of the Trunks of Birch. Lesokhozyaystvennaya informatsiya [Forestry information], 2018, no. 3, pp. 81–86]. DOI: 10.24419/LHI.2304-3083.2018.3.10
9. Ковязин В.Ф., Богданов В.Л., Гарманов В.В., Осипов А.Г. Мониторинг зеленых насаждений с применением беспилотных летательных аппаратов // Аграр. науч. журн. Естеств., техн. и экон. науки. 2016. № 4. С. 14–19. [Kovyazin V.F.,  Bogdanov V.L., Garmanov V.V. Monitoring of Green Plantations with the Use of Unmanned Aerial Vehicles. Agrarnyy nauchnyy zhurnal [The Agrarian Scientific Journal], 2016, no. 4, pp. 14–19].
10. Ковязин В.Ф., Мартынов А.Н., Мельников Е.С, Аникин А.С., Минаев В.Н., Беляева Н.В. Основы лесного хозяйства и таксация леса. СПб.: Лань, 2012. 432 с. [Kovyazin V.F., Martynov A.N., Mel’nikov E.S., Anikin A.S., Minayev V.N., Belyayeva N.V. Basics of Forestry and Forest Inventory. Saint Petersburg, Lan’ Publ., 2012. 432 p.].
11. Крутов Н.Г. Дешифрирование снимков: методические указания к выполнению лабораторных работ. Вологда: ВоГУ, 2014. 55 с. [Krutov N.G. Image Interpretation: Laboratory Operations Manual. Vologda, VSU Publ., 2014. 55 p.].
12. Кузьмичев В.В. Закономерности роста древостоев. Новосибирск: Наука, 1977. 160 с. [Kuz’michev V.V. Patterns of Tree Growth. Novosibirsk, Nauka Publ., 1977. 160 p.].
13. Медведев Е.М., Данилин И.М., Мельников С.Р. Лазерная локация земли и леса. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Геолидар, Красноярск: Ин-т леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2007. 230 с. [Medvedev E.M. Laser Detection and Ranging of Land and Forest. Moscow, Geolidar Publ., 2007. 230 p.].
14. Мошкалев А.Г., Давидов Г.М., Яновский Л.Н., Моисеев В.С., Столяров Д.П., Бурневский Ю.И. Лесотаксационный справочник по Северо-Западу СССР. Л.: ЛТА, 1984. 319 с. [Moshkalev A.G., Davidov G.M., Yanovskiy L.N., Moiseyev V.S., Stolyarov D.P., Burnevskiy Yu.I. Forest Inventory Handbook for the North-West of the USSR. Leningrad, LTA Publ., 1984. 319 p.].
15. Об утверждении Лесоустроительной инструкции: приказ М-ва природных ресурсов и экологии РФ от 29 марта 2018 г. № 122. М., 2018. 25 с. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/542621790/ (дата обращения: 10.05.19) [On the Approval of Forest Management Instruction: Order of the Ministry of Natural Resources and Environment of the Russian Federation Dated March 29, 2018, No. 122. Moscow, 2018. 25 p.].
16. Самойлович Г.Г. Применение аэрофотосъемки и авиации в лесном хозяйстве. Л., 1972. 64 с. [Samoylovich G.G. The Use of Aerial Photography and Aviation in Forestry. Leningrad, 1972. 64 p.].
17. Стариков А.В., Батурин К.В. Применение лазерного сканирования в технологии учета древесины // Лесотехн. журн. 2015. № 4. С. 114–122. [Starikov A.V., Baturin K.V. The Use of Laser Scanning Technology of Accounting for Wood. Lesotekhnicheskiy zhurnal [Forestry Engineering Journal], 2015, no. 4, pp. 114–122]. DOI: 10.12737/17409
18. Третьяков Н.В., Горский П.В., Самойлович Г.Г. Справочник таксатора. М.; Л.: Гослесбумиздат, 1952. 853 с. [Tret’yakov N.V., Gorskiy P.V., Samoylovich G.G. Forest Cruiser Handbook. Moscow, Goslesbumizdat Publ., 1952. 853 p.].
19. Abegg M., Kükenbrink D., Zell J., Schaepman M.E., Morsdorf F. Terrestrial Laser Scanning for Forest Inventories – Tree Diameter Distribution and Scanner Location Impact on Occlusion. Forests, 2017, vol. 8, iss. 6, art. 184. DOI: 10.3390/f8060184
20. Bienert A., Maas H.-G., Scheller S. Analysis of the Information Content of Terrestrial Laserscanner Point Clouds for the Automatic Determination of Forest Inventory Parameters. Proceedings of the International Workshop on 3D Remote Sensing in Forestry, Vienna, February 14–15, 2006. Vienna, BOKU, 2006, pp. 55–60.
21. Bienert A., Scheller S., Keane E., Mullooly G., Mohan F. Application of Terrestrial Laser Scanners for the Determination of Forest Inventory Parameters. ISPRS Archives: Proceedings of the ISPRS Commission V Symposium “Image Engineering and Vision Metrology”, Dresden, Germany, September 25–27, 2006. Dresden, 2006, vol. XXXVI, part 5. 5 p. 22. Cabo C., Ordóñez C., López-Sánchez C.A., Armesto J. Automatic Dendrometry: Tree Detection, Tree Height and Diameter Estimation Using Terrestrial Laser Scanning. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2018, vol. 69, pp. 164–174. DOI: 10.1016/j.jag.2018.01.011
23. Dassot M., Colin A., Santenoise P., Fournier M., Constant T. Terrestrial Laser Scanning for Measuring the Solid Wood Volume, Including Branches, of Adult Standing Trees in the Forest Environment. Computers and Electronics in Agriculture, 2012, vol. 89, pp. 86–93. DOI: 10.1016/j.compag.2012.08.005
24. Disney M., Burt A., Calders K., Raumonen P., Gonzalez De Tanago Meñaca J. et al. New Applications of 3D Measurement and Modelling for Quantifying Forest Structure and Biomass. Proceedings of the International Conference Global Vegetation Monitoring and Modelling (GV2M), Avignon, France, February 3–7, 2014. Avignon, INRA, 2014, pp. 208–209.
25. Global Mapper: Getting Started Guide. Blue Marble Geographics, 2018. 24 p. Available at: https://www.bluemarblegeo.com/docs/guides/global-mapper-19-gettingstarted-guide-en.pdf (accessed 13.10.19).
26. Lovell J.L., Jupp D.L.B., Newnham G.J., Culvenor D.S. Measuring Tree Stem Diameters Using Intensity Profiles from Ground-Based Scanning Lidar from a Fixed Viewpoint. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2011, vol. 66, iss. 1, pp. 46–55. DOI: 10.1016/j.isprsjprs.2010.08.006
27. Maltamo M., Næsset E., Vauhkonen J. Forestry Applications of Airborne Laser Scanning. Dordrecht, Springer, 2014. 464 p. DOI: 10.1007/978-94-017-8663-8
28. McElhinny C., Gibbons P., Brack C., Bauhus J. Forest and Woodland Stand Structural Complexity: Its Definition and Measurement. Forest Ecology and Management, 2005, vol. 218, iss. 1-3, pp. 1–24. DOI: 10.1016/j.foreco.2005.08.034
29. Næsset E. Predicting Forest Stand Characteristics with Airborne Scanning Laser Using a Practical Two-Stage Procedure and Field Data. Remote Sensing Environment, 2002, vol. 80, iss. 1, pp. 88–99. DOI: 10.1016/S0034-4257(01)00290-5
30. Wulder M.A., Franklin S.E. Remote Sensing of Forest Environments. New York, Springer, 2003. 519 p. DOI: 10.1007/978-1-4615-0306-4

Ссылка на английскую версию:

Airborne Laser Scanning for Clarification of the Valuation Indicators of Forest Stands

AIRBORNE LASER SCANNING FOR CLARIFICATION OF THE VALUATION INDICATORS OF FOREST STANDS

V.F. Kovyazin, Doctor of Biology, Prof.; ResearcherID: Y-5917-2018, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3118-8515
K.P. Vinogradov, Candidate of Engineering, Assoc. Prof.; ResearcherID: B-4864-2018, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9339-0316
A.A. Kitcenko, Postgraduate Student; ResearcherID: AAP-2113-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0114-3252
Е.А. Vasilyeva, Engineer; ResearcherID: AAH-3855-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1020-2573
Saint-Petersburg Mining University, 21-ya liniya Vasil’yevskogo ostrova, 2, Saint Petersburg, 199106, Russian Federation; e-mail: vfkedr@mail.ru, kostya1495@mail.ru, kna1994@bk.ru, katrinvasileva1997@icloud.com

Nowadays the latest non-contact methods and technologies for studying the forest fund are being developed for forest monitoring improvement, forest lands assessment and their cadastral registration. It is the use of airborne laser scanning (ALS) in forest inventory that is designed to solve the challenges forest management facing. Laser scanning is the only method of collecting data on the real surface covered with forest vegetation, which allows to obtain data on the shape, location and reflectivity of the studied forest objects. The result of ALS is a 3D array of laser reflections with a density of up to several dozens of points per 1 m² and accuracy of determining their coordinates of less than 10 cm in plan and height. Various imported scanning systems are used for surveying. The ALS of the Earth’s vegetation cover is superior to all existing technologies for assessing the quantitative and qualitative parameters of forest stands in a set of characteristics. This method of assessment and inventory of forests has no competitors in the field of monitoring and valuation of forest stands. It also has sufficient accuracy in mapping woody vegetation, up to the tree survey of forested lands. The article proposes a method for determining valuation indicators: species composition, density, stock, height and diameter of forest stands according to the results of ALS in the forest area of the Vsevolozhsk district (Leningrad region). The species composition and density were determined by horizontal projections of tree crowns. The heights of the trees were determined using the Global Mapper software, and their average diameter was found using the diameter and height relationship equations known in forest valuation. The planting stock was calculated using the equations of Dementiev, Dentsin and G. Cuvier. It was found that the results of determining the valuation indicators by means of ALS can be used in forest monitoring along with the data of visual valuation, since the obtained information on the forest stand stays within the limits of permissible errors specified in the forest management instruction.
For citation: Kovyazin V.F., Vinogradov K.P., Kitcenko A.A., Vasilyeva Е.A. Airborne Laser Scanning for Clarification of the Valuation Indicators of Forest Stands. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2020, no. 6, pp. 42–54. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-6-42-54

Keywords: airborne laser scanning, tree stand, monitoring, valuation indicators.

Поступила 13.10.19 / Received on October 13, 2019