Способ определения продуктивности насаждений Российский патент 2024 года по МПК A01G23/00 

Область использования: лесное хозяйство, экологический мониторинг. Изобретение относится к лесному хозяйству и может быть использовано при мониторинге лесов аэрокосмическими средствами.

Показателем продуктивности лесов является бонитет. В России используют единую для страны бонитировочную шкалу классов бонитета [см. например, «Общесоюзные нормативы для таксации лесов» Справочник, стр.112, табл.32]. Классификационным признаком бонитировочной шкалы является средняя высота насаждений H [м] в соответствующем возрасте. Дробность отечественной шкалы составляет по высоте 4 м, по запасу V [м³/га] -20 %, в соответствии с чем выделены шесть классов бонитета. При этом все шесть классов продуктивности находятся в пропорции:

Класс Ia I II III IV V Прирост в год м³/га 10,96 9,59 8,22 6,85 5,48 4,11

За период становления лесной науки разработано множество методов натурной таксации насаждений с измерением параметров: Н (м) - высота дерева в м, d_1,3 - диаметр ствола на высоте 1,3 м, полнота (П) насаждения, N - количество деревьев в насаждении, диаметр кроны Д (м) и др.

Получили развитие дистанционные методы мониторинга лесов путем получения изображения древесного полога и его программной обработки.

Аналогом для заявленного технического решения является «Способ оценки биомассы растительности» Патент RU 2155472, А 01.G, 23/00, 2000 г. В способе аналоге получают спектрозональное изображение подстилающей поверхности, последовательно преобразуют участки изображения в цифровые матрицы (m x n) зависимости яркости I (x, y) от пространственных координат, вычисляют числовые характеристики матриц, отличающийся тем, что осуществляют попиксельное совмещение матриц, элементы которых составлены из зональных отношений яркости r_λ = 550 / r_λ = 610 спектрального изображения и матриц радиолокационного изображения тех же участков, осуществляют векторизацию элементов и получают результирующие матрицы, дополнительно вычисляют автокорреляционные функции В (0) результирующих матриц, а запас биомассы участков рассчитывают по регрессионной зависимости:

где V - объем биомассы, т/га;

В (0) - текущее значение в нуле автокореляционной функции электрического сигнала результирующей матрицы участка;

α, β - коэффициенты регрессионной зависимости (α=100, β=2,2);

В_к (0) - значение в нуле автокорреляционной функции результирующей матрицы контрольного участка, В_к (0) = 90.

Недостатком аналога является использование при вычислении биомассы только внешних структурных параметров изображения древесного полога, в то время как продуктивность лесов существенно зависит от непосредственного поглощения лучистой энергии светового потока листьями, хвоей крон деревьев и превращения ее в биомассу.

Ближайшим аналогом является «Способ определения прироста запаса насаждений», Патент RU2277325, А. 01G, 23/00 - 2004 г. Способ ближайшего аналога включает получение изображений лесных массивов в виде зависимости яркости I (x, y) от пространственных координат, преобразование функции яркости изображения в цифровую матрицу дискретных отчетов размерностью (m x n) элементов, программный расчет пространственного спектра изображения анализируемой матрицы и определение прикрепляющей точки D_ср = 1/F_ср огивы насаждения анализируемого участка, расчет запаса насаждений по числовым характеристикам анализируемой матрицы и массовым таблицам, отличающийся тем, что изображения лесных массивов, содержащих пробные площадки, осуществляют на временном лаге в несколько лет в одни и те же вегетационные периоды года, программным расчетом матрицы вычисляют площадь рельефа древесного полога S_р, анализируемого участка, а прирост запаса насаждений Р_м рассчитывают по формуле:

где F_ср1, F_ср2 - средняя частота пространственного спектра матриц изображений, полученных в начале и конце временного лага;

S_ср1, S_ср2 - площади рельефа древесных пологов анализируемого участка в том же временном интервале;

D_ср - средний диаметр кроны древесного полога;

F_ср - средняя частота пространственного спектра матриц изображений.

К недостаткам ближайшего аналога следует отнести:

- использование в аналитическом выражении формулы изобретения только внешних структурных параметров древесного полога;

- не учитываются внутренние параметры фотосинтеза, влияющие на продуктивность как цветность крон и флуоресценцию хлорофилла (эффективность поглощения лучистой энергии побегами крон).

Чем больше параметров измеряется и учитывается в интегральном показателе продуктивности, тем устойчивее и точнее результат заявленного способа.

Задача, решаемая заявленным способом, состоит в повышении точности, оперативности и статистической устойчивости оценки прироста запаса путем дополнительного измерения внутренних параметров фотосинтеза - цветности древесного полога и коэффициента поглощения светового потока побегами крон. Поставленная задача решается тем, что способ определения продуктивности насаждений включает зондирование древесного полога с беспилотного летательного аппарата цифровой видеокамерой и спектрометром с привязкой измерений по координатам посредством глобальной позиционирующей системы «ГЛОНАСС», вычисление структурных характеристик древесного полога программной обработкой изображений: средней частоты F_ср пространственного спектра; диаметра кроны Д_ср = 1/F_ср модельного дерева участка; площади рельефа S_р древесного полога; полноты древостоя через отношение геометрической площади участка S_{геометр} к площади рельефа S_р, измерение характеристик эффективности преобразования светового потока в биомассу: цветности древесного полога по спектрограммам коэффициента спектральной яркости (КСЯ) с расчетом нормализированного дифференциального вегетационного индекса NDVI; наземные измерения посредством флуориметра коэффициента (К) поглощения падающего светового потока заготовками побегов крон, определение продуктивности [P%] по измерениям на временном лаге в несколько лет (Δ=Т₂ - Т₁) через отношение:

Изобретение подтверждается чертежами, где:

фиг. 1 - семейство КСЯ в зависимости от цветности древесного полога;

фиг. 2 - изменение объема продуцирующей фитомассы (Ф) в зависимости от NDVI;

фиг. 3 - серия полос переизлучения молекул вещества при квантовом взаимодействии со световым потоком;

фиг. 4 - спектр облучения а) и смещенный спектр отклика б) побегов крон деревьев;

фиг. 5 - функциональная схема дистанционного зондирования наблюдаемого участка;

фиг. 6 - наземная лабораторная установка измерения коэффициента поглощения светового потока побегами крон.

Техническая сущность способа состоит в следующем.

Дистанционный мониторинг лесных массивов состоит в получении цифровых изображений древесных пологов видеокамерой и измерении их коэффициентов спектральной яркости (КСЯ) спектрометром. Задача состоит в том, чтобы связать интегральные показатели матрицы изображения с таксационными параметрами древостоя. Известно, что распределение количества деревьев в насаждении по ступеням толщины не зависит ни от типа, ни от полноты, ни от бонитета, а характеризуются так называемой огивой насаждения [см., например Н.П. Анучин «Лесная таксация», учебник, 5-е издание. - М.: Лесная промышленность. - С. 271-273]. Прикрепляющая точка огивы насаждения делит ступени толщины деревьев в насаждении в пропорции 60 % тонких (d < ) и 40 % толстых (d < ). Для статистической устойчивости результатов следует оперировать средними значениями показателей. Средний диаметр кроны D_ср = 1/F_ср определяют вычислением средней частоты пространственного спектра изображения. Пространственный спектр Фурье матрицы I (x, y) вычисляют стандартной процедурой специализированного программного обеспечения [см., Пакет программ для обработки изображений в науках о Земле, «ER MAPPER Reference», Earth Resource Mapping, Pty Lid, Western Australia, 6005, 1998. - P. 295].

После определения прикрепляющей точки огивы насаждения по массовым таблицам [см., Справочник «Общесоюзные нормативы для таксации лесов» - М. Из-во «Колос». - С. 29-338. Табл. 130-140. стр. 346.] определяют параметры модельного дерева (в частности, для способа ближайшего аналога расчетные параметры составили: F_ср1 = 0,28; F_ср2 = 0,26; Д_ср1 = 3,5 м; Д_ср2 = 3,8 м). По массовым таблицам определяют видовое число f, высоту h (м), ступени толщины (d_1,3). Для расчета запаса необходимо вычислить полноту насаждения.

По определению полнота древостоя характеризует степень использования им занимаемого пространства. Полноту участка определяют через отношение суммы площадей проекции крон к линейной площади таксируемого насаждения:

где, N_cp - среднее количество деревьев на участке.

После преобразований [см., ближайший аналог] получено, что относительный прирост запаса выражается через интегральные характеристики матрицы изображения (участка, кадра изображения):

При известном аналитическом выражении функции I (x, y) площадь рельефа вычисляют как поверхностный интеграл от этой функции [см., Пискунов Н.С. Дифференциальные и интегральные исчисления для ВТУЗов, учебник, 5-е издание, т. 2. - М.: Наука, 1964. - С. 73-74]:

Поскольку сама функция I (x, y) задана массивом дискретных отсчетов, необходимо иметь аналитическое выражение апроксимирующей функции. Наибольшую точность вычислений обеспечивает апроксимация функций бесконечным тригонометрическим рядом, коэффициенты разложения которого суть коэффициента Фурье. Расчет осуществлялся по специализированной авторской программе [см. ближайший аналог, описание заявки, стр. 7-8].

Расчетные параметры для способа аналога составили S_ср1 = 32,2 га; S_ср2 = 26,3 га. Прирост запаса 28 % на интервале 5 лет или 5,6 % в год.

Продуктивность насаждений определяется не только внешними структурными параметрами древесного полога, но и способностью вегетирующих органов (листьев, хвои) поглощать энергию светового потока.

В видимой области спектра кроны древесных пород имеют одну и ту же закономерность хода кривых КСЯ. Закономерность изменения КСЯ древесных пород иллюстрируется графиками фиг. 1 [см., например, Сухих В.И. Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве. - Йошкар-Ола: Из-во МарГТУ, 2005. - С. 21. - Рис. 2.8]. Количественной характеристикой цветности древесного полога служит крутизна наклона, так называемого нормализированного дифференциального вегетационного индекса NDVI:

где I - коэффициент спектральной яркости [см., например, Жирин В.М. Приближенная оценка фитомассы лесного покрова с использованием вегетационного индекса// материалы второго Всероссийского совещания «Аэрокосмические методы и геоинформационные системы в лесоведении и лесном хозяйстве». - М.: МГУЛ, 1998. - С.112-122].

Количественная зависимость объема фитомассы (усл. ед.) древесного полога от значений NDVI иллюстрируется графиком фиг. 2.

Крутизна (производная) функции фитомассы через приращения (фиг. 2):

Высокая производная свидетельствует о высокой чувствительности фактора цветности в общем показателе продуктивности насаждений. Следующим фактором продуктивности является показатель непосредственного поглощения светового потока фотосинтезирующими органами насаждения. Энергию поглощения определяют как разницу полной энергии потока минус энергию отражения:

В отраженном спектре содержится вся информация о состоянии фотосинтетических органов исследуемых образцов: эффективность поглощения лучистой энергии, состояние фотосинтезирующих органов, минеральный состав питания и увлажненность почв. Подобная информация не может быть получена при визуальных наблюдениях или дистанционном зондировании.

Известны полосы переизлучения (Нельмана, Бальмера, Пашена) молекулами вещества при их взаимодействии с квантами солнечного света. Полосы переизлучения иллюстрируются фиг. 3. В результате взаимодействия наблюдается смещение спектра в длинноволновую область (красное смещение). Измеряя смещение, определяют эффективность поглощения лучистой энергии. На рисунке фиг. 4 представлены спектры падающего и отраженных потоков, измеренные флуориметром. Состав прибора флуориметра представлен в примере реализации. По определению [см., например, Заездный А.М. Основы расчетов по статистической радиотехнике. М.: Связь-издат., 1969. - С. 86-92.], энергию спектрального потока вычисляют из соотношения:

Разница энергий падающего и отраженного потоков, равна энергии поглощенного побегами потока ΔW:

Аналитическое выражение представляет собой разницу интегральных сумм. Геометрический смысл интеграла - площадь под кривой функции. На рис. 4 геометрические площади можно рассчитать численно. Коэффициент поглощения равен отношению разности площадей функций а) б). Применительно к графику фиг. 4 отношение (K) составило: 13/34 = 0,37.

Пример реализации способа

Заявленный способ может быть реализован по схеме фиг. 5, фиг. 6. Комплект элементов дистанционного зондирования фиг. 5 включает беспилотный летательный аппарат (БПЛА) (1), внутри которого размещены измерительные приборы - цифровая видеокамера (2) типа Panasoniс модель ДМС-ТZ 18, Lumex с разрешением меньше 0,5 м (1,4 x 10⁷ пикселей в кадре), цифровой видеоспектрометр (3) типа «Кварц» с разрешением меньше или равно 3 нм, бортовой аппаратуры потребителей глобальной национальной системы ГЛОНАСС (4), подключенные к ботовому запоминающему устройству (5). После съемок и посадки БПЛА массив измерений скачивают в устройство хранения массивов измерений (6), наземного комплекса целевой обработки информации на базе персональной ЭВМ (7) типа «Intel» в составе устройства ввода информации (8), процессора (9), оперативного запоминающего устройства (10), винчестера (11), дисплея (12), принтера (13), клавиатуры (14), устройства вывода (15), сопряженного с сетью «Internet».

На базе перечисленных элементов схемы фиг. 5 реализуют расчет среднего диаметра кроны модельного дерева обрабатываемого участка Д_ср и расчет средней площади рельефа древесного полога S_ср. Вторым независимым каналом измерений характеристик древесного полога при дистанционном зондировании с БПЛА, является спектрометр (3). Диапазон измерения цветности древесного полога в зависимости от КСЯ иллюстрируется графиком фиг. 1, а объем продукционной фитомассы (Ф) в зависимости от значений нормализированного дифференцированного вегетационного индекса (NDVI) иллюстрируется графиком фиг. 2. Диапазон измерений реальных значений NDVI находится в интервале [0,15…0,5], а параметр объема продуцирующей фитомассы (Ф) в интервале [1,2…1,6]. Как отмечалось выше, измерения коэффициента поглощения светового потока побегами крон может быть реализовано только в наземных условиях на специализированной лабораторной установке по схеме фиг. 6.

Функциональная схема содержит зажимную светоизолирующую клипсу (1), внутрь которой помещают испытываемый образец побега (2), размещаемую на поверхности рабочего стола (3). Облучение образца осуществляют через отверстие в клипсе, диаметром 4 мм, импульсным световым потоком с регулируемой интенсивностью, посредством генератора оптического излучения (4), собранного на светодиодах (светодиодная матрица), обеспечивающих равномерность освещения поверхности образца посредством рассеивающих линз.

Спектры падающего и отраженного потоков на образцах побегов фиксируются спектрометром (5). Сигнал флуоресценции воспринимается фотоприемником (6), квантуется аналогово-цифровым преобразователем (7) с изменяемой дискретизацией отсчетов (в интервале от единиц μs до десятков секунд) и накапливается в буфер-накопителе отсчетов (8) в виде массивов информации.

Обработку массивов измерений осуществляют посредством микропроцессора (9) на основе программ, записанных на жестком диске (10) (формат pdf). Результаты обработки отображают на жидкостно-кристаллическом дисплее (11). Управление микропроцессором осуществляют посредством буквенно-цифровой клавиатуры (12). Перечисленный широкий функционал операций реализован на базе существующей технической разработки в виде флуориметра (Fluorimeter Handy PEA+ (фирма Hansatech Instruments). Способ реализован на существующих технических средствах.

Эффективность способа характеризуется высокой оперативной воспроизводимостью, статистической устойчивостью, поскольку в интегральных оценках учитывается каждое дерево, документальностью проведенных измерений в виде снимков с привязкой по координатам и времени, малой стоимостью и объемом работы.

Изобретение относится к лесному хозяйству и может быть использовано при мониторинге лесов аэрокосмическими средствами. Выполняют зондирование древесного полога с беспилотного летательного аппарата цифровой видеокамерой и спектрометром с привязкой измерений по координатам посредством глобальной позиционирующей системы «ГЛОНАСС», вычисление структурных характеристик древесного полога программной обработкой изображений: средней частоты F_ср пространственного спектра; диаметра кроны Д_ср=1/F_ср модельного дерева участка; площади рельефа S_р древесного полога; полноты древостоя через отношение геометрической площади участка S_{геометр} к площади рельефа S_р, измерение характеристик эффективности преобразования светового потока в биомассу: цветности древесного полога по спектрограммам коэффициента спектральной яркости (КСЯ) с расчетом нормализированного дифференциального вегетационного индекса NDVI; наземные измерения посредством флуориметра коэффициента (К) поглощения падающего светового потока заготовками побегов крон, определение продуктивности [P%] по измерениям на временном лаге в несколько лет (ΔТ=Т₂-Т₁) через отношение:. Повышается точность, оперативность и статистическая устойчивость оценки прироста запаса. 6 ил.

Способ определения продуктивности насаждений, включающий зондирование древесного полога с беспилотного летательного аппарата цифровой видеокамерой и спектрометром с привязкой измерений по координатам посредством глобальной позиционирующей системы «ГЛОНАСС», вычисление структурных характеристик древесного полога программной обработкой изображений: средней частоты F_ср пространственного спектра; диаметра кроны Д_ср = 1/F_ср модельного дерева участка; площади рельефа S_р древесного полога; полноты древостоя через отношение геометрической площади участка S_{геометр} к площади рельефа S_р, измерение характеристик эффективности преобразования светового потока в биомассу: цветности древесного полога по спектрограммам коэффициента спектральной яркости (КСЯ) с расчетом нормализированного дифференциального вегетационного индекса NDVI; наземные измерения посредством флуориметра коэффициента (К) поглощения падающего светового потока заготовками побегов крон, определение продуктивности [P%] по измерениям на временном лаге в несколько лет (∆Т=Т₂-Т₁) через отношение: