Методы дистанционного зондирования земли в лесной промышленности

DOI:

Основываясь на богатой традиции дистанционного зондирования лесов с использованием аэрофотосъемки, появление цифровых изображений с бортовых и спутниковых платформ открыло новые горизонты для дистанционного зондирования Земли. Сегодня широкий спектр сложных датчиков предоставляет данные с пространственным, спектральным, радиометрическим и временным разрешением, которые приближаются или превосходят аэрофотосъемку, а также имеются возможности для получения изображений в синоптическом региональном, континентальном и планетарном масштабах.

В результате этих технических достижений, наряду с улучшением практики ведения лесного хозяйства и ростом экологических проблем, ожидания от информации, полученной с помощью дистанционного зондирования лесов, способствует резкому росту интереса в различных областях применения, начиная от базовой инвентаризации лесов и управления ими, состояния экосистем, лесных пожаров и болезней леса и заканчивая более широкими контекстами устойчивого освоения ресурсов, национальной и международной политики, экологических и глобальных изменений.

Со временем акцент на количественной обработке и анализе данных усилился настолько, что значительная часть пользователей полагается на точные, высококачественные данные для получения подробной информации о поверхностном покрове, биофизической и структурной информации, о покрытых лесом районах Земли в определенных местах и в определенное время. Эта информация может иметь экономическую, социальную, стратегическую, политическую или экологическую ценность, но без нее трудно оправдать значительные усилия и затраты на создание возможностей зондирования Земли.

Цель исследования: провести обзор программ, используемых для дистанционного наблюдения поверхности Земли.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• •    проанализировать существующие технологий дистанционного зондирования Земли;

• •    обозначить основные достоинства и недостатки данных технологий;

• •    обосновать перспективное применение и использование ДЗЗ в масштабах лесной промышленности.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Согласно литературным данным [1-3] технологии дистанционного зондирования Земли представляют собой ряд процессов, которые собирают информацию о выбранном объекте, территории или различных явлениях без непосредственного контакта с ними. К зондированию могут относиться съемки, которые проводятся с различных платформ: существующих космических аппаратов, а также многофункциональных летательных аппаратов, судов, подводных лодок и наземных многопрофильных станций.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Технология на платформе космических аппаратов [4] заключается в использовании орбитального спутника с высокопроизводительной видеокамерой, что позволяет производить снимки с многократным увеличением, а также под выбранным углом, это способствует выполнению качественной съемки для дальнейшего применения снимков в различных сферах производства.

На рисунке 1 показана фотография, сделанная с орбитального спутника Landsat.

Рисунок 1. Снимок с орбитального спутника Landsat.

Figure 1. Image from the orbiting Landsat satellite.

Данная технология имеет ряд достоинств и недостатков. К недостаткам можно отнести необходимость использования высокотехнологических и дорогостоящих технических средств для обмена данными, что затрудняет процесс формирования источника информации дистанционного зондирования Земли для частных физических лиц или организаций, имеющих скромные источники финансирования. Такой аппаратурой могут воспользоваться только те люди, которые работают в этой сфере деятельности или косвенно касающиеся ее, соответственно, студенты или преподаватели не могут прикоснуться к такой программе для получения новой информации. К достоинствам следует отнести высокое качество и оперативность наблюдения.

Технологии на базе аппаратов космического базирования является эффективным инструментом в борьбе с лесными пожарами. Они позволяют оперативно обнаруживать возгорания и контролировать их распространение. Конечной целью обработки данных дистанционного зондирования является распознавание объектов или ситуаций, попадающих в поле обзора, и определение их положения в пространстве [5]. Важное место занимают технологии космического мониторинга линейных объектов (ЛЭП). Ввиду того, что через лесные массивы пролегают дороги (железные, автомобильные, лесные и др.) возрастает вероятность возникновения лесных пожаров [5].

Одним из основных преимуществ технологии дистанционного зондирования Земли является возможность получения информации о пожаре на большом участке территории, что позволяет более эффективно планировать операции по его тушению. Кроме того, с помощью дистанционного зондирования Земли можно получать информацию о температуре и влажности воздуха, что позволяет прогнозировать вероятность возникновения лесных пожаров и принимать меры по их предотвращению. Использование данной технологии также позволяет существенно сократить время, необходимое для обнаружения и локализации пожара, что в свою очередь может спасти множество жизней и значительные материальные ресурсы [6].

Аэрофотосъемка позволяет собрать максимально полную информацию об изменении лесных насаждений, термических точек и позволяет верно оценивать точную геопозицию происходящего. Чаще всего, в настоящее время используют для таких целей беспилотные летательные аппараты (квадрокоптеры), которые разработаны для гражданских целей и различаются по своим летным характеристикам и объему функций (рисунок 2).

Область возможного применения беспилотных летательных аппаратов гражданской направленности имеет широкий спектр, начиная от природопользования, заканчивая обороной вооруженных сил Российской Федерации. Достоинства беспилотных летательных аппаратов в аэрофотосъемке следующие: возможность фотоаппарата принимать вертикальное и горизонтальное положение, дешевизна устройства.

Рисунок 2. Снимок с квадрокоптера.

Figure 2. A picture from a quadrocopter.

Существуют и успешно работают системы мониторинга на основе стационарных видеокамер, размещённых на вышках сотовой связи.

Системы работают по алгоритму: камеры видеонаблюдения, установленные на вышках операторов group special mobile (GSM)-связи и направленные на участки лесного фонда, фиксируют изображения, похожие на дым. Это сигнал для систем: если есть дым, значит, в этой зоне присутствует возгорание. Процесс полностью автоматизирован: искусственный интеллект обрабатывает отснятые кадры и отделяет изображения дыма от похожих, например, от изображений облаков, тумана и пыли. Таким образом, диспетчер задействован только в процессе подтверждения и классификации пожара.

Главное условие эффективности видеомониторинга — правильно проведённое предварительное проектирование, которое позволяет определить, какие участки леса будут под охраной, сколько леса можно покрыть заданным количеством камер и насколько надёжно те будут работать [7, 8].

Разработчики системы «Лесохранитель» [9] отмечают, что качество покрытия зависит от многих факторов, включая высоту подвеса, рельеф местности, прозрачность атмосферы, характеристики выбранного оборудования, процент загораживаемой опорой территории и многое другое.

В настоящее время в Красноярске организовано подразделение на базе лесопожарного центра для дистанционного мониторинга лесных пожаров. Там находится диспетчерская служба (рисунок 3), которая с помощью камер осуществляет обнаружение дым-точек и информирование лесничеств о возгораниях на их территориях. На данный момент в распоряжении диспетчерской службы находится 144

камеры, расположенных на вышках сотовой связи по всему Красноярскому краю.

Рисунок 3. Место работы операторов системы «Лесоохранитель» (Красноярск).

Figure 3. The place of work of the operators of the Forest Conservator system (Krasnoyarsk).

Для слежения за лесами в пожароопасный период на вышках сотовой связи устанавливаются поворотные IP-видеокамеры. Целевая функция – нахождение максимума покрытия опасных участков зонами видимости камер. Учитываются: координаты и высоты вышек, горимость лесов, рельеф, оптическая прозрачность атмосферы, исключаются точки с неоправданно высокими затратами на связь и т.д. Все камеры подключены в единую систему.

На рисунке 4 представлено схема работы системы мониторинга лесных пожаров «Лесохранитель».

По результатам работы этой системы можно сделать вывод, что не менее 35% пожаров, возникающих в непосредственной близости от населенных пунктов (а это лесные массивы, которые чаще всего горят) фиксируются системой и это способствует максимально оперативному их тушению.

Рисунок 4. Схема работы системы «Лесоохранитель».

Figure 4. Scheme of operation of the "Forest Conservator" system.

Применение технологий ДЗЗ в лесной промышленности минимизирует ручной труд, связанный с обследованием и мониторингом лесных ресурсов. Это позволяет сократить число пожаров и снизить их негативное влияние, пресечь значительные объемы незаконных рубок, проводить регулярный мониторинг состояния лесов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• 1.    В настоящее время существует и успешно применяется множество технологий дистанционного зондирования Земли. Эти технологии можно рассматривать как отдельные изолированные системы, так и в виде комплексной глобальной системы мониторинга, поскольку некоторые решения можно использовать в глобальном масштабе, а некоторые только в узкой области контроля и наблюдений.

• 2.    Технологии ДЗЗ имеют свои достоинства и недостатки. К достоинствам спутникового зондирования можно отнести высокопроизводительные и качественные фотографии, а также быстрый обмен данных между серверами. К недостаткам такой системы относится малый круг возможного использования; это значит, что лишь некоторые специалисты могут воспользоваться информацией.

• 3.    Применение стационарных камер и беспилотных летательных аппаратов для отрасли лесного хозяйства является неотъемлемой частью современных проектных решений, поскольку применение таких технологий расширяет зону контроля и наблюдения, возможность оперативного принятия решений. Это сравнительно

недорогие и доступные решения. С помощью квадрокоптеров возможно контролировать термические очаги, несанкционированные рубки. Это позволяет противодействовать нарушению целостности лесного фонда и сокращению объема лесных ресурсов.