Выполнение подеревной съемки леса площадью более чем 500 га в день. Миф или реальность?
Для ответа на данный вопрос мы хотим поделиться с Вами результатами проекта по воздушному лазерному сканированию лесного участка с последующим определением положения каждого дерева и составлением пересчётной ведомости, выполненного совместно компаниями ООО "АВТОДОР-ИНЖИНИРИНГ" и TOPODRONE.
Перед нами была поставлена непростая задача – оперативно провести подеревную съемку территории строительства нового участка трассы автомобильной дороги Москва-Казань, покрытую густой лесной растительностью общей площадью порядка 100 га. Следует отметить, что работы планировалось проводились в неблагоприятный период года при температуре ниже -10 градусов, сильном ветре и высоком снежном покрове.
Учитывая, что при применении стандартных технологий наземной тахеометрической съемки данный проект возможно было выполнить в течение как минимум месяца полевых работ, а производительность одной бригады составила бы не более 1-2 га в день, было решено использовать высокопроизводительное и доступное по цене оборудование для наземного и воздушного лазерного сканирования TOPODRONE LiDAR 100 Lite.
Важно отметить, что выполнение полевых работ было достаточно простым и не заняло много времени.
На пункт планово-высотного обоснования с известными координатами была установлена базовая станция – ГНСС приемник, сохраняющий статические измерения с частотой 1 Гц.
Рис. 1. TOPODRONE LiDAR 100 Lite, установленный на борт DJI Matrice 300.
Планирование маршрутов воздушного лазерного сканирования проводилось в профессиональном ПО UgCS Pro. Немаловажным преимуществом данного ПО является возможность рассчитывать траекторию полета дрона, огибающую рельеф местности, а также легкость построения калибровочной части полета, необходимой для подготовки к работе IMU.
Рис. 2. Пример облака точек ВЛС.
Затем мы провели воздушное лазерное сканирование (ВЛС) территории с применением оборудования TOPODRONE LiDAR 100 Lite, установленного на квадрокоптер DJI Matrice 300, с поперечным перекрытием маршрутов 30% с высоты 70 метров. При этом ширина полосы сканирования с одного маршрута составила в среднем 150 метров. Плотность облака точек составляет от 300 до 100 точек/кв.м. и позволяет различить ствол каждого дерева, линии электропередач, заборы, здания и сооружения и другие объекты.
Рис. 3. Пример облака точек.
Дополнительно для последующей раскраски облака точек в реальные цвета выполнена аэрофотосъемка территории геодезическим квадрокоптером TOPODRONE DJI Mavic 2 Pro PPK на высоте 120 метров с поперечным и продольным перекрытием 80%.
Рис. 4. Материалы ВЛС в RGB цветах, позволяют различить породы деревьев.
Рис. 5. Материалы ВЛС в RGB цветах, позволяют различить породы деревьев.
По результатам ВЛС было построено высокодетальное облако точек. Сам процесс обработки данных не занял много времени, в среднем материалы лазерного сканирования с одного полета квадрокоптера обрабатываются в течение 20 минут, в результате получается высокоточное и детальное облако точек.
Первый этап камеральной обработки материалов воздушного лазерного сканирования – это уравнивание траектории полета в программном обеспечении TOPOLiDAR, модуль ПО Post Processing, для чего используются совместно данные ГНСС измерений и инерциальной системы IMU (Inertial Measurement Unit).
На втором этапе выполнена генерация геопривязанного облака точек в ПО TOPOLiDAR.
Следует отметить, что ПО TOPOLiDAR, разработанное компанией TOPODRONE, имеет несколько модулей и позволяет выполнять расчет высокоточной траектории с учетом данных ГНСС и IMU, а также обеспечивает беспрецедентную точность и скорость генерации 3D облаков воздушного и наземного лазерного сканирования. Например, за один полет протяжённостью 28 минут были измерены миллионы лазерных отражений, а время обработки этих данных в ПО TOPOLiDAR для создания высокоточной трехмерной модели составило порядка 1,5 минут.
Рис. 6. Расчет траектории в ПО TOPOLiDAR, модуль Post Processing.
На третьем этапе в ПО LiDAR360 мы произвели уравнивание маршрутов ВЛС (так называемую функцию Strip Alignment) и объединили их в единую трехмерную модель.
По результатам автоматической классификации была выделена поверхность рельефа, относительно которой построено нормализованная по высоте трехмерная модель.
Следующим шагом выполнено интерактивное определение отдельно стоящих деревьев и подготовлена отчетная ведомость с указанием номера дерева, высоты ствола и размера кроны.
Рис. 7. Результат автоматической классификации отдельно стоящих деревьев.
Рис. 8. Классификация отдельных деревьев, в таблице указаны: координаты x, y, высота ствола, диаметр кроны, объем кроны, а также уникальный идентификатор дерева.
Для уточнения диаметра стволов деревьев и их породы мы провели наземное лазерное сканирование тестового участка территории тем же самым оборудованием TOPODRONE LiDAR 100 Lite, установленным на геодезический рюкзак TOPODRONE LiDAR Backpack. В результате автоматической обработки было получено высокодетальное облако точек, которое без использования опорных точек было совмещено с результатами воздушного лазерного сканирования.
Комплект оборудования TOPODRONE LiDAR Backpack обеспечивает уникальную возможность использования в полном объеме возможностей лазерных сканеров TOPODRONE LiDAR 100 Lite и TOPODRONE LiDAR 200 Ultra, имеющих обзор в 360 градусов для сканирования с земли и получения дополнительных более детальных данных, недоступных для ВЛС, при этом пользователю нет необходимости закупать еще один дорогостоящий сканирующий комплект, а всего лишь установить имеющийся сканер на TOPODRONE LiDAR Backpack.
Рис. 9. TOPODRONE LiDAR Backpack, установка лазерного сканера на геодезический рюкзак.
Рис. 10. Материалы наземного лазерного сканирования.
Рис. 11. Материалы наземного лазерного сканирования в RGB цветах.
Наземное лазерное сканирование позволило нам получить более детальную и точную информацию о диаметре стволов, размере кроны на калибровочном участке, которая в последующем будет использоваться для автоматического расчета диаметров стволов деревьев по всей площади воздушного лазерного сканирования.
Рис. 12. Измерение диаметра отдельно стоящего дерева.
Рис. 13. Измерение диаметра уже срубленного дерева, в правом углу отчетливо дешифрируется пень только что срубленного дерева.
Для контроля точности построения трехмерной модели местности был измерен ряд контрольных точек, расположенных на перепадах рельефа, а также использовались координаты базовой станции, которая четко дешифрируется в облаке точек.
Рис. 14. Контроль точности по высоте.
Рис. 15. Контроль точности по высоте.
Рис. 16. Расположение координат базовой станции в облаке точек.
Следует отметить, что ключевыми задачами, требующими решения при обработке полученных данных, являются:
- Точное определение границ крон отдельных деревьев по данным лазерного сканирования;
- Вычисление диаметра деревьев с отсутствующими 3D точками на уровне груди;
- Определение пород деревьев;
- Вычисление объёма ствола;
- Определение фактической стоимости древесины на основе оценки выхода разных сортиментов.
Существующие функции программного обеспечения LiDAR360 позволяют реализовать часть этих функций, но с большими погрешностями. Например, стандартные функции определения стволов дают только 60-70% доминирующих деревьев, пропуская стволы второго-третьего ярусов и подлесок.
Для получения высокоточных данных была использована облачная обработка результатов сьемки в сервисе ForestScanner. В данном сервисе реализованы алгоритмы точной идентификации деревьев в облаках точек, полученных методами фотограмметрии и лазерного сканирования. При этом учитывается возможное близкое расположение деревьев, при котором кроны смыкаются. Также особое внимание в алгоритмах уделено особенностям структуры естественных лесов, которые значительно отличаются от плантаций. В естественных лесах много вариантов архитектуры крон деревьев, вызванной процессами конкуренции деревьев между собой. Облачный сервис ForestScanner позволяет идентифицировать такие деревья, разделить их между собой, измерить высоту, диаметр кроны, посчитать объём кроны.
Рис. 17. Кроны каждого дерева, высота самой высокой точки каждого дерева на облаке точек.
Рис. 18. Расчет диаметров стволов на высоте груди (1,3 м).
Рис. 19. Определение пород деревьев.
При высокой плотности насаждений, большого числа стволов на единицу площади и наличия подлеска у ряда деревьев невозможно прямое измерение диаметра ствола по облаку точек.
Используя наземное лазерное сканирование, были получены данные для создания обучающей выборки, на основе которой было проведено обучение алгоритмов искусственного интеллекта ForestScanner. В результате выполнения работ для каждого дерева была измерена высота с точностью 4 см, определен диаметр с точностью 2 см, определена порода с точностью 98%, была выполнена виртуальная разрезка стволов на сортименты и определена рыночная стоимость древесины.
При использовании этого сервиса дополнительно могут быть определены:
- Высота основания кроны;
- Форма ствола (исключение фаутных деревьев и деревьев с низким качеством);
- Возраст деревьев;
- Качество древесины;
- Сортиментный план;
- Подрост (лесовосстановление).
Выводы
Следует отметить важность данного проекта по контролю за ходом выполнения проектно-изыскательских и строительно-монтажных работ, который в значительной мере экономит средства инвестора при проведении инженерно-топографических изысканий, оформлении лесоустроительной документации, а также позволяет провести оперативный мониторинг работ по рубке леса и провести количественный анализ фактически срубленной древесины.
Успешная реализация подобного амбициозного проекта по оперативному мониторингу и подеревной съемке была во многом предопределена технические возможностями оборудования и программного обеспечения компании TOPODRONE.
Лазерный сканер TOPODRONE LiDAR 100 Lite обладает рядом неоспоримых преимуществ:
- Низкий вес оборудования. Общий вес TOPODRONE LiDAR 100 Lite составляет 950 грамм.
- Высокая точность. Комплект лазерного сканирования обеспечивает точность 3-5 см построения плотного облака точек
- Выполнение наземного и воздушного лазерного сканирование одним комплектом оборудования. Нами обеспечивается уникальная возможность установки TOPODRONE LiDAR 100 Lite и TOPODRONE LiDAR 200 Ultra на квадрокоптеры DJI Matrice 200/210 и DJI Matrice 300 для выполнения воздушного лазерного сканирования, а также на TOPODRONE LiDAR Backpack для проведения наземной съемки.
- Высокая скорость выполнения полевых и камеральных работ. За один полёт (36 минут для дрона DJI Matrice 300) возможно отснять от 50 до 100 га территории, а время камеральной обработки от момента скачивания данных с прибора до построения плотного облака точек составляет не более 20 минут.
- Съемка в ночное время. Результаты лазерного сканирования не зависят от освещенности, поэтому воздушное лазерное сканирование возможно проводить в любое время суток – даже ночью, что немаловажно для северных территорий.
