Создание цифровой модели стационарного участка радиационного мониторинга леса с использованием наземной лазерной съёмки

В результате аварии на Чернобыльской атомной станции и других ядерных аварий и инцидентов в Российской Федерации пострадало более 2 млн га лесов [1], при этом радиоактивное загрязнение лесов имеет сложный структурный характер и отличается высокой мозаичностью [2, 3].

Важным аспектом в изучении радиоактивно загрязнённых лесных экосистем, различных биологических и генетических процессов, происходящих в популяциях лесных организмов, а также механизмов миграции радионуклидов является определение пространственной структуры наблюдаемых древостоев, их таксационных характеристик, особенностей рельефа участка и т.д.

Перспективным направлением лесотаксационных исследований считается лазерное сканирование [4]. Использование наземных лазерных сканеров (лидаров) позволяет значительно увеличить объём собираемой информации и одновременно снизить трудозатраты на проведение полевых работ по сравнению с традиционными методами. Это имеет особое значение для специалистов в области лесной радиоэкологии, работающих в условиях высокого радиоактивного загрязнения. Действующие нормы радиационной безопасности (НРБ99/2009) устанавливают предел годовой эффективной дозы дополнительного облучения в 1 мЗв для категории «население», к которой относятся работники лесного хозяйства, включая сотрудников организаций, подведомственных Рослесхозу [5, 6].

Обеспечению требований НРБ могут способствовать технологии, позволяющие сократить время пребывания специалистов на лесных участках в зонах радиоактивного загрязнения без ухудшения качества и эффективности полевых работ.

Цель работы – изучить возможности применения наземного лазерного сканирования для исследования лесов, загрязнённых радионуклидами. В рамках работы решались следующие задачи:

/ провести тестовую съёмку лесного участка в зоне радиоактивного загрязнения с использованием сканера FJD Trion P1;

^ создать цифровой подеревный план, совмещённый со схемами уровней плотности радиоактивного загрязнения и мощности амбиентного эквивалента дозы гамма-излучения на обследуемом участке;

^ разработать эффективный алгоритм работ по определению пространственной структуры насаждений на стационарных участках, оптимизированный с учётом использования лидарной съёмки.

Объект и методы исследований

Работы выполняли на участке российского сегмента радиационного мониторинга лесов (РМЛ) Союзного государства в Государственном казённом учреждении (ГКУ) Брянской области «Злынковское лесничество». Стационарный участок РМЛ СУ-17Р расположен в Новозыбковском участковом лесничестве (кв. 207, выд. 3), вблизи отселённого н.п. Святск (рис. 1). Участок площадью 0,25 га (50 х 50 м) заложен в соответствии с методикой1 в 2021 г. в лесных культурах, созданных в 1986 г. на землях, выведенных из сельскохозяйственного оборота в связи с радиоактивным загрязнением в результате аварии на Чернобыльской АЭС. Схема смешения культур – Д-Д-Д–Е-Е-Е–С-С-С–Е-Е-Е–Д-Д-Д–Е-Е-Е, расстояние между рядами – около 3 м. При первичном радиационном обследовании в 1993 г. участок имел плотность радиоактивного загрязнения свыше 1 480 кБк/м2 и был приравнён к зоне отчуждения [7]. По состоянию на 2025 г. средняя плотность поверхностного загрязнения почвы цезием-137 составляла 740 кБк/м2, участок относится к зоне высокой степени радиоактивного загрязнения (555–1 480 кБк/м2) [8].

Рис. 1. Расположение стационарного участка СУ-17Р на карте радиоактивного загрязнения Брянской обл. [9]

На участке были выполнены следующие работы:

• 1.    Измерение мощности амбиентного эквивалента дозы гамма-излучения (МАЭД) по регулярной сетке с шагом 16,33 м.

• 2.    Отбор проб почвы и лесной подстилки для определения удельной активности цезия-137 и плотности радиоактивного загрязнения почвы.

• 3.    Подеревный перечёт в рядах культур.

• 4.    Наземное лазерное сканирование (лидар-ная съёмка).

• 5.    Инструментальное нивелирование.

Для измерения МАЭД использовали дозиметр-радиометр поисковый МКС-РМ1401к. МАЭД определяли в точках отбора проб почвы и лесной подстилки на высоте 1 м от уровня почвы до достижения приборной неопределённости измерения 10%.

Отбор проб почвы и лесной подстилки осуществляли цилиндрическим пробоотборником диаметром 0,04 м [10] на глубину 15 см по регулярной сетке с шагом 8,33 м. Точечные пробы с помощью специального почвенного ножа разделяли на подстилку и минеральную часть и упаковывали в двойные полиэтиленовые пакеты для транспортировки в лабораторию радиационного контроля. Отобранные пробы почвы и лесной подстилки высушивали до воздушно-сухого состояния и гомогенизировали. В полученных счётных образцах определяли содержание цезия-137. Измерение проводили гамма-спектрометрическим методом с помощью спектрометра Гамма-1П (НПО "Аспект", Россия), оснащённого детектором высокого разрешения из особо чистого германия. Для обработки данных применяли программное обеспечение SpectraLine-BG (ООО ЛСРМ, Россия) [11].

Подеревный перечёт выполняли в рядах культур с маркировкой (оригинальной нумерацией каждого дерева при помощи пластиковых бирок) и измерением диаметров на высоте 1,3 м.

Рис. 2. Процесс наземной лазерной съёмки участка сканером FJD Trion P1

Рис. 3. Маршрут съёмки в рамках одной сессии

Данный сканер (лидар) оснащён лазером класса 1 и поддерживает технологии инерциальной навигации, а также одновременной локализации (определение своего местоположения) и картографирования (сканирование) – SLAM (Simultaneous Localization And Mapping)2 [12]. Поле зрения сканера составляет 360°/59°, скорость сканирования – 200 000 т/с. Рабочая дальность – 40 м при 10%-м альбедо. Заявляемая производителем погрешность измерения – ±20 мм. Диапазон рабочих температур прибора – от -10 до +45 °С, класс пыле-влагозащищённо-сти – IP54. Trion P1 имеет невысокие показатели по скорости и дальности сканирования, но при этом существенно легче многих аналогов (1,1 кг) и является одним из наиболее доступных по цене приборов (по состоянию на январь 2026 г.).

Нивелирование участка проведено по условно-регулярной сетке из 16 точек при помощи оптического нивелира Pentax AP-228.

Съёмка участка с использованием GNSS-приёмника не осуществлялась, модуль GNSS RTK не использовался из-за отсутствия доступа к базовым станциям во время проведения работ.

Лидарная съёмка проводилась в течение одной сессии по схеме «сходящаяся спираль» от границ к центру участка с завершением в исходной точке для замыкания траектории (рис. 3).

Продолжительность съёмки составила 16 мин 51 с. Прибор перемещали в среднем на высоте приблизительно 1,3 м от уровня земли.

По результатам сканирования был создан цифровой план участка и выполнено натурное сравнение плана с фактическим расположением деревьев, определены номера идентифицированных деревьев.

Первичные данные лазерной съёмки были преобразованы с использованием программного обеспечения FJD Trion Model, которое поставляется в комплекте с устройством. Затем сформированный файл облака точек подвергся обработке в программе CloudCompare3 (распространяемой под лицензией GNU General Public License version 3.0) с применением плагина 3DFin [13]. Для объединения полученных показателей была создана база данных, связанная с пространственной моделью участка в геоинформационной системе QGIS4, распространяемой по лицензии GNU. Для обработки полученных пространственных данных использовали также лицензионную ГИС MapInfo.

Результаты и обсуждение

Объект достаточно сложен для сканирования, так как здесь сочетаются участки с разной просматриваемостью (рис. 4).

По данным подеревного перечёта, на стационарном участке насчитывается 330 деревьев (табл. 1).

Автоматическое определение пространственного положения деревьев в рядах дуба, сосны и груши с хорошей просматриваемостью на уровне детектора прибора составило более 90%. В рядах ели идентифицировано менее 20% деревьев, что связано, прежде всего, с низким уровнем начала их крон (живые и отмершие ветви опускаются до 1 м от уровня земли и ниже).

Поскольку берёза в насаждении имеет естественное происхождение, она случайным образом распределена по всей площади культур. В рядах дуба и сосны было определено более 90%

Рис. 4. Общий вид насаждения на стационарном участке

Таблица 1. Результаты подеревного перечёта на участке

Порода Общее кол-во деревьев, шт. Диаметр, см Кол-во идентифицированных деревьев средний min max шт. % Ель 138 14,6 5,7 26,0 26 19 Берёза 90 23,1 6,5 38,0 50 55 Дуб 75 13,6 4,6 38,0 72 96 Дуб (сухостой) 32 13,6 3,0 12,7 16 50 Сосна 26 25,7 13,0 42,5 24 92 Груша 1 20,0 - - 1 100 берёзы, а в рядах ели точность её распознавания составила менее 20%.

Положение не идентифицированных по данным лидарной съёмки деревьев было определено методом линейных засечек.

Деляночные столбы, ограничивающие участок, чётко выделяются в облаке точек. Точность определения их координат в цифровом плане соответствует требованиям ОСТ 56-109–99, что подтверждается сравнением с результатами традиционных измерений (с использованием мерной ленты и геодезической буссоли). В то же время точность определения высот по данным лидарной съёмки оказалась недостаточной, в связи с чем для корректного построения рельефа были использованы данные оптического нивелирования.

С учётом полученных результатов предложен следующий алгоритм работ по определению координат деревьев на пробных площадях/ста-ционарных участках:

/ Сканирование участка с помощью FJD Trion P1.

^ Подеревный перечёт и натурная маркировка стволов.

^ Создание цифрового плана.

^ Проверка соответствия деревьев на плане и в натуре.

^ Определение положения «потерянных» деревьев методом линейных засечек или методом прямоугольных координат.

^ Внесение исправлений в план.

При наличии портативного компьютера достаточной мощности обработка полученного облака точек и построение цифрового плана могут быть выполнены одновременно с полевыми работами. Время обработки облака точек зависит от производительности компьютера. Так, полевой компьютер (ноутбук) с процессором Intel Core i7 1165G7 и оперативной памятью 32 Gb обрабатывает файл данных, полученный с лидара, примерно 30 мин, общее время обработки до построения подеревного плана занимает около 2 ч.

Для проверки соответствия размещения деревьев полученный план загружают в RTK-планшет, для чего используют мобильную ГИС-про-грамму Q-Field или её аналог.

Результатом работы является цифровой план стационарного участка, включающий векторные слои подеревного перечёта, рельефа и фиксированных точек отбора проб, а также атрибутивные данные измерений МАЭД, гамма-спектрометрии почвы, подстилки и лесной растительности. Он может пополняться архивными материалами и результатами обследований последующих лет, в том числе данными альфа- и бета-спектрометрии, почвенно-химического анализа, информацией о структуре подлеска и напочвенного покрова, запасе лесных горючих материалов и т.д.

В рамках наших исследований план создан в условной системе координат. В процессе дальнейшей работы планируется осуществить привязку плана с помощью GNSS-приёмника в системе координат WGS-84.

Пример плана стационарного участка с отображением натурной разметки (точек измерений

МАЭД и отбора проб), расположения деревьев, рельефа и удельной активности 137Cs в слое лесной подстилки приведён на рис. 5.

Применение лидарной съёмки обеспечивает значительное сокращение временных затрат на определение пространственной структуры древостоя по сравнению с традиционными методами.

Продолжительность съёмки составила 16 мин 51 с; для маркировки деревьев, подерев-ного перечёта с измерением диаметров и определения «потерянных» деревьев потребовалось около 3 ч. Все работы выполнял один человек. Общие затраты времени составили менее 3,5 чел. ч на участок площадью 0,25 га, или 14 чел. ч на 1 га. При выполнении работ традиционным способом с аналогичной точностью (тахеометрическая съёмка) потребовалось бы не менее двух человек, а трудозатраты превысили бы 42 чел. ч на 1 га. Таким образом, время пребывания исследователей в зоне радиоактивного загрязнения сокращается почти в 3 раза. На исследуемом участке это обеспечит снижение дозы облучения на ~0,02 мЗв в расчёте на 1 га.

Предложенные в работах [6, 14] подходы к оценке дозовой нагрузки на человека при пребывании в лесу основаны на определении значения МАЭД нормализованного по плотности загрязнения почвы соответствующим радионуклидом. Средние значения МАЭДнорм Cs находятся в диапазоне 1,36-1,50х10-3(мкЗв/ч)/(кБк/м2). Следовательно, в зонах высокой и крайне высокой степени загрязнения лесов, где плотность загрязнения почвы варьирует от 185 до 7 400 кБк/м2, снижение дозы облучения в расчёте на 1 га составит от 0,007 до 0,310 мЗв. Сокращение времени полевых работ является критически важным для специалистов, участвовавших в ликвидации радиационных аварий и инцидентов, а также для тех, кто постоянно проживает в зонах радиоактивного загрязнения, поскольку эти группы подвергаются повышенному риску. На сегодняшний день в 55 населённых пунктах Брянской обл. средняя накопленная эффективная доза (СНЭД) облучения жителей уже превысила

Рис. 5. План стационарного участка.

Визуализированы: разметка, расположение деревьев, удельная активность лесной подстилки и рельеф

норму, установленную НРБ-99/2009 за период жизни для населения (70 мЗв) [15, 16].

Применение FJD Trion P1 существенно ускоряет полевые работы по определению структуры насаждений, однако не позволяет полностью отказаться от традиционных методов измерений. Дальнейшее повышение эффективности лазерного сканирования может быть достигнуто за счёт использования GNSS RTK-модуля или перехода на лидары с увеличенной скоростью сканирования, рабочей дальностью и точностью GNSS-позиционирования. Это позволит не только сократить время полевых работ, но и обеспечить автоматическую идентификацию крон, высот и диаметров деревьев [4, 17, 18] для построения цифровых двойников участков.

Заключение

Лазерный сканер FJD Trion P1 с используемым комплексом программ позволяет осуществлять сканирование лесных участков, загрязнённых радионуклидами, с идентификацией пространственного размещения деревьев.

В насаждениях с высокой полнотой при хорошей просматриваемости на уровне 1,3 м можно определить координаты более 90% деревьев. Затруднено сканирование в еловых насаждениях, где живые и отмершие ветви опускаются до 1 м от уровня земли и ниже, а также в насаждениях с густым подлеском.

Применение сканера обеспечивает снижение временных затрат на проведение полевых работ. Ограничениями служат проходимость и просматриваемость лесных участков, а также небольшая эффективная дальность сканирования.

Предложенный алгоритм работ существенно снижает трудозатраты на создание подеревных планов стационарных участков и позволяет устранить ограничения, связанные с просматриваемостью лесных участков и техническими характеристиками прибора. Предлагаемый подход обеспечивает сбор данных для создания цифровой радиоэкологической модели лесного участка, что существенно расширяет возможности для изучения радиоактивного загрязнения лесных экосистем.

Работа выполнена в рамках темы Государственного задания Рослесхоза «Изучение наследственных свойств, качества и радиационных параметров семян основных лесообразующих пород в зонах радиоактивного загрязнения лесов в целях лесовосстановления и лесоразведения» за 2025 г.