Методика измерения высот деревьев по материалам цифровой наземной фотосъемки

Введение. Измерение высот деревьев при инвентаризации городских насаждений или таксации лесов является одной из наиболее трудоемких и дорогостоящих операций при проведении полевых работ. С целью уменьшения затрат времени и снижения стоимости измерение высот деревьев предлагается проводить не в полевых, а в камеральных условиях путем дешифрирования этого таксационного показателя по материалам наземной цифровой фотосъемки.

Цель исследований. Для повышения производительности инвентаризационных работ и снижения их стоимости авторами предлагается разработать методику дешифрирования высоты деревьев по материалам наземной цифровой фотосъемки, обработанных на компьютере. Предлагаемая методика позволяет отказаться от измерения высоты дерева высотомером и оценить габитус деревьев, а также параметры их кроны.

Материалы и методы исследований. Для разработки и апробации предлагаемой методики проводились следующие виды работ. При полевых работах рабочий производил измерение диаметра дерева мерной вилкой. Таксатор в это время делал съемку дерева цифровым фотоаппаратом так, чтобы все дерево в целом и рабочий размещались в кадре. Таким образом, рост рабочего использовался для расчета высоты дерева. Был проверен вариант методики, когда при измерении высоты дерева использовался двухметровый шест. Но анализ полученных снимков показал, что в условиях, когда шест затененен кроной дерева, его, несмотря на то, что он был окрашен в оранжевый цвет, трудно различить на фотоизображении.

В это же время таксатор диктовал в микрофон цифрового фотоаппарата номер дерева, ее породу и состояние, а также диаметр дерева, определенный рабочим. После этого съемка дерева прекращалась, и таксатор с рабочим переходили к другому дереву.

При выполнении фотосъемки оператору следует стоять так, чтобы солнце находилось позади него, но желательно производить съемку в пасмурную погоду с тем, чтобы снизить контрастность изображения освещенных и затененных частей дерева [2]. Таксатор, производящий измерение диаметра, должен стоять на таком же расстоянии от цифрового фотоаппарата, как и ствол измеряемого дерева.

Фотосъемка должна производиться на таком расстоянии от дерева, чтобы в кадр входило все дерево. В загущенных посадках, когда нельзя соблюсти это условие, следует уменьшить фокусное расстояние объектива фотоаппарата.

Результаты исследований и их обсуждение . Для оценки точности измерения высоты деревьев по материалам цифровой съемки были измерены в сквере «Серебряный» г. Красноярска 100 деревьев высотой до 10 м трех пород: лиственница сибирская, береза повислая, яблоня сибирская. Вначале производилось измерение высот деревьев по материалам цифровой фотосъемки, а затем – измерение высот деревьев на местности.

Для натурных измерений в сквере при высоте дерева до 6 м включительно для измерения высот использовался шестиметровый шест, при большей высоте производилось измерение высоты дерева с помощью теодолита. Для исключения случайной ошибки измерений высота деревьев измерялась дважды.

В камеральных условиях оценивалась высота дерева. Для этого изображение дерева, снятого цифровым фотоаппаратом, вносилось в память компьютера и выводилось на монитор компьютера. Затем с помощью программы «Paint» измерялись относительные высоты дерева и человека. С помощью пакета «Excel» по формуле (1) с вычислялась высота дерева, а затем протяженность и диаметр кроны.

H д = ( T / P)* L ч ,                                                         (1)

Н д – высота дерева, м;

Т – разность относительных координат между основанием дерева и его вершиной;

Р – разность относительных координат между основанием дерева и головой человека, стоящего рядом с деревом;

L ч – рост человека, м.

Разница в оценке высоты дерева по материалам цифровой фотосъемки колеблется от 0,9 м до 1,0 м. Среднее отклонение абсолютных значений составляет 0,436 м. Средняя систематическая ошибка измерений – 0,68 %. Остальные статистические данные приведены в табл. 1.

Статистические показатели измерения высот деревьев (высота от 2 до 10 м)

Таблица 1

Показатель	Высота, м	Разница с дешифрированной высотой
		м	%
Среднее арифметическое	4,78	-0,03	-2,14
Среднее квадратическое отклонение	3,43	0,27	9,97
Максимум	10	-	-
Минимум	2	-	-

При оценке высот деревьев высотой до 25 м оценка высоты дерева по формуле (1) дает значительные ошибки. Это вызвано тем, что у высоких деревьев расстояние от фотоаппарата до вершины дерева значительно больше, чем от фотоаппарата до основания дерева. Так, при расстоянии от фотоаппарата до дерева 20 м расстояние от фотоаппарата до вершины дерева 32 м. Таким образом, масштаб фотоизображения дерева у его основания и у вершины различный, что и приводит к ошибке оценки дерева по его фотоизображению.

Для устранения погрешностей при оценке высот высоких деревьев по материалам цифровой фотосъемки был проведен следующий эксперимент.

В г. Красноярске были измерены с помощью высотомера ВК-1 100 деревьев сосны обыкновенной и березы повислой с высотой от 19 до 24 м. Эти деревья были также сняты с помощью цифрового фотоаппарата Canon А 570 с фокусным расстоянием объектива 35 мм, что позволило производить съемку деревьев так, чтобы в кадр входило все дерево с расстояния 20–25 м. Условия съемки и необходимые требования к ней были приведены выше. Затем в камеральных условиях была произведена оценка высот деревьев по формуле (1).

Для устранения ошибки измерений была найдена зависимость расчетной высоты дерева от высоты дерева, полученной при помощи формулы (1). Зависимость была найдена путем построения графика, на котором по оси Y отмечались высоты деревьев, измеренные с помощью высотомера, а по оси X – высоты деревьев, вычисленные по формуле (1). Полученная зависимость имеет следующий вид:

y = 0,1777x3 - 8,4665x2 + 134,54x - 689,48,                                (2)

где y – высота дерева, м;

x – высота дерева, определенная по формуле (1), м.

Коэффициент детерминации полученного уравнения R² = 0,7662, что свидетельствует о тесной связи рассматриваемых высот. Основные статистические данные оценки высот путем дешифрирования наземных цифровых снимков деревьев приведены в табл. 2.

Статистические показатели измерения высот деревьев (высота от 19 до 24 м)

Таблица 2

Показатель	Высота, м	Разница с дешифрированной высотой
		м	%
Среднее арифметическое	22,71	-0,13	-0,66
Среднее квадратическое отклонение	2,77	0,66	3,10
Максимум	24	-	-
Минимум	19	-	-

Выводы

Точность измерения высот деревьев, требуемая при таксации лесопарковых лесов и для инвентаризации городских насаждений, соответствует полученной точности дешифрирования высот деревьев по материалам наземной цифровой фотосъемки. Следовательно, методика оценки высоты деревьев по материалам их цифровой фотосъемки может использоваться при ландшафтной таксации лесов и инвентаризации городских насаждений.

Преимуществом данной методики является то, что проектировщик, используя материалы инвентаризации, может оценить внешний вид дерева, размеры его кроны, состояние. Эти данные позволяют более точно оценить эстетическую ценность и санитарно-гигиенические показатели измеряемого дерева. Также полученные материалы фотосъемки могут использоваться и для дешифрирования других таксационных показателей [3].

Кроме того, данная методика более экономична. По существующей методике необходимо проводить измерения высот всех обследуемых деревьев, независимо от того, потребуются ли эти данные в дальнейшем.

Но, как показывает практика, данные инвентаризации нужны только для небольшой части деревьев, которые необходимо по каким-либо причинам снести или провести им обрезку кроны. По остальным деревьям инвентаризационные данные не востребуются. По предлагаемой методике измерения высот проводятся только у тех деревьев, данные о которых необходимы проектировщику. Материалы цифровой фотосъемки остальных деревьев хранятся на диске и всегда могут быть востребованы для дальнейшей обработки.