Наземное лазерное сканирование в лесном хозяйстве Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

УДК 63:528.7 А.И. Данилин

Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, Красноярск

НАЗЕМНОЕ ЛАЗЕРНОЕ СКАНИРОВАНИЕ В ЛЕСНОМ ХОЗЯЙСТВЕ

На сегодняшний день в лесном хозяйстве России полный бардак.

Лесные ресурсы целенаправленно и систематически разворовываются. В некоторых регионах практически отсутствует контроль над деятельностью лесозаготовителей. Контрабандная древесина экспортируется в страны Азии и Европы в круглом виде, чем наносится много миллиардный ущерб экономике России [1].

В свете этих событий предлагается интегрировать в лесоустройство и лесное хозяйство технологии лазерного сканирования, для обеспечения высокоэффективного, достоверного и контролируемого мониторинга лесного фонда и использования лесных ресурсов.

Введение

Наземное лазерное сканирование (НЛС) сегодня активно применяется в архитектуре, горнодобывающей и нефтегазовой промышленности, энергетике, дорожном строительстве и других областях, а с недавнего времени и в лесном хозяйстве. Первыми, кто апробировал технологию наземного лазерного сканирования в леса, были немецкие специалисты [2].

НЛС новая технология, которая используется там, где необходимы достоверные и очень точные пространственные данные. Например, при измерении деформаций поверхностей, создании 3D (трехмерных) моделей сложных технологических сооружений, съемки фасадов зданий, измерении геометрических параметров недоступных объектов, создании трёхмерных моделей древостоев [2].

НЛС аналогично традиционным фотограмметрическим методам, но позволяет получать координаты с одной точки стояния с возможностью контроля измерений непосредственно в полевых условиях, при этом обеспечивая более высокую точность измерений по сравнению с фотограмметрическими методами при одинаковом удалении от снимаемого объекта. Данные сканирования доступны для пользователя в любое время в цифровом виде, для этого необходимы персональный компьютер и специализированное программное обеспечение [5].

НЛС применяется в комплексе с цифровыми панорамными фотокамерами и системами определения географических координат GPS/ГЛОНАСС [2, 4].

Принцип сканирования

Идея лазерного сканирования (ЛС) заключается в получении пространственных координатных моделей различных объектов с помощью лазерных сканеров. НЛС излучают лазерные импульсы с частотой до 240000 измерений в секунду. Основой конструкции сканера является зеркало, которое перемещает лазерный пучок в горизонтальном и вертикальном

направлении. Каждый одиночный лазерный импульс, отражаясь от объекта, возвращается на приемник лазерного излучения. Зная скорость распространения лазерного излучения (соответствующей скорости света), а также время, прошедшее с момента излучения импульса до его отражения и регистрации приемником, можно очень точно определить расстояние до объекта.

Основным продуктом НЛС является пространственная (трёхмерная) модель объекта, описанная огромным количеством точек, каждая из которых имеет координаты X, Y, Z. Четвертой характеристикой каждой точки является значение интенсивности отраженного сигнала. Это очень удобно для визуализации измерений. Интенсивность отраженного сигнала зависит от составляющего материала объекта, его структуры цвета и т.д.

Пространственная модель объекта, описанная множеством точек, называется «облаком точек». С помощью специального программного обеспечения (ПО) полученные «облака точек» «сшиваются» друг с другом. Объединенное «облако точек» может быть трансформировано в любую требуемую систему координат [5, 7].

На полученной пространственной (трёхмерной) модели выполняются измерения различных геометрических параметров (расстояния, углы, диаметры, радиусы кривизны и т.д.). Также «облако» можно вращать, виртуально меняя положение наблюдателя и угол зрения.

Программное обеспечение и обработка данных

Условно ПО можно разделить на 2 класса - базовое и дополнительное.

Базовое ПО обычно изготавливается и поставляется производителем оборудования. К базовому ПО относятся программы, основными функциями которых являются управление конкретным прибором, аккумулирование данных измерений, генерация пространственных координат точек, трансформация «облака» точек, экспорт данных в обменные форматы. Эти программы обычно «производят» облако точек высокой плотности или триангуляционную сеть.

После первичной обработки данных сканирования (фильтрация, нормализация, разрежение), выполняется построение векторных моделей. Это осуществляется построением треугольников с вершинами в точках «облака» (триангуляционная или полигональная модель), либо используется набор примитивов (точка, вектор, плоскость, цилиндр, сфера и т.д.) [5].

Полученные векторные данные экспортируются в программы трехмерной векторной графикой (дополнительное ПО), такие как AutoCad, ArcView, MicroStation и другие.

Дополнительные программные средства являются универсальными. С точки зрения используемого оборудования, их основное предназначение, это построение трехмерных моделей или планов (разрезов, сечений и т.п.) на основе облака точек или исходной сети. Сегодня такое разделение весьма условно. Производители базового программного обеспечения стремятся интегрировать в свои продукты функции дополнительного программного

обеспечения, такие как моделирование и распознавание объектов, классификация точек, построение векторных моделей объектов и т.п.

НЛС в лесном хозяйстве

Точность определения линейных размеров и положения объектов в пространстве зависит от отражательных свойств поверхности (цвет, текстура), удаленности объекта (от 3 до 1500 метров), типа применяемого сканера (фазовый и импульсный методы измерений) и может достигать десятых долей миллиметра (рис. 1).

а) б)

Рис. 1. Сканируемый объект, находящийся на расстоянии 7.8 м (а) и 94.8 м (б) от сканера [3]

На сегодняшний день выпускается более 10 моделей наземных лазерных сканеров, таких производителей как Leica Geosystems (Швеция), Riegl (Австрия), Optech Inc. (Канада), iQvolution (Германия), Trimble Corp. (США) и Callidus Precision Systems GmbH (Германия). НЛС различаются по техническим характеристикам, это угол поля зрения сканера, максимальная и минимальная дальность измерений, расходимость лазерного луча, безопасность для человека и другие.

Вопрос выбора лазерного сканера достаточно сложен. Исходить следует из потребностей в получении пространственных данных. При сканировании леса целесообразно применять сканеры с большим «полем зрения», высокой частотой сканирования и возможностью фиксации первого и/или последнего отражения, что позволяет разделять отраженный сигнал от растительности и поверхности земли - «пробивать растительность» [6].

С помощью НЛС и цифровой фотокамеры, возможно, определять следующие характеристики:

- Видовой состав насаждений;

- Диаметры ствола на любой высоте, без валки дерева;

- Высоту деревьев;

- Площадь проекции кроны;

- вертикальную и горизонтальную протяженность кроны;

- Наличие пороков и повреждений древесины вредителями;

- Протяженность безсучковой части ствола [2];

Наземные лазерные сканеры могут

применяться в лесном хозяйстве при решении следующих задач:

- Закладка постоянных пробных площадей (составление таблиц хода роста, влияние антропогенных факторов);

- Освидетельствов ание мест рубок (определение объема перерубов, недорубов, брошенных порубочных остатков) данные сканирования могут являться доказательствами в суде;

- Определение объемов заготовленной древесины на нижних и верхних складах (контроль над деятельностью лесозаготовителей) данные сканирования могут являться доказательствами в суде;

- Мониторинг состояния лесного фонда (выявление повреждений вредителями, болезнями, оценка качества древесины).

Выводы

Особенно важным является тот факт, что системы НЛС позволяют производить высокоточные измерения удаленных объектов с недоступной ранее скоростью. Например, современные тахеометры позволяют измерять со скоростью 2 точки в секунду, тогда как лазерные сканеры от 2000 до 240000 измерений(!) в секунду [8].

Точность современных наземных сканеров при измерении линейных размеров составляет 6-15 миллиметров на 200 - 800 метров, а при определении местоположения объектов в пространстве в среднем 6 миллиметров на 100 метров.

В целом НЛС - это принципиально новая технология, с высокой автоматизацией, точностью и возможностью обмера недоступных объектов, а также колоссальной скоростью измерений. За счет этого достигается высокая экономическая эффективность. Объем полевых работ сводится к минимуму, и остается нужным лишь для калибровки результатов съемки.

Рис. 2. Дальностное (лазерно-локационное) изображение древостоя [9]

1. Все о Российских лесах www.forest.ru

2. Haala M., Reulke R; Ties M., Aschoff T. // Combination of terrestrial laser scanning with high resolution panoramic images for investigations in forest application and tree species recognition. PDF файл с www.sciencedirect.com

3. Gordon S., Lichti D., Stewart M. // Application of high-resolution, ground-based laser scanner for deformation measurement. PDF файл с www.sciencedirect.com

4. Данилин И.М., Медведев Е.М., Мельников С.Р. Лазерная локация Земли и леса: Учеб. пособ. Красноярск: Ин-т леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2005. С. 70-78

5. Компания «Йена Инструмент», г. Москва www.jena.ru

6. Компания «Геокосмос», г. Москва www.geokosmos.ru

7. Компания «Геополигон», г. Москва www.geopoligon.ru

8. Компания «Навгеоком», г. Москва www.navgeocom.ru

9. Watt P.J., Donoghue D.N.M., Dunford R.W. // Forest parameters extraction using terrestrial laser scanning. PDF файл из сети Интернет

© А.И. Данилин, 2006