14-я Международная научно-техническая конференция «От снимка к карте: цифровые фотограмметрические технологии», октября 2014, о. Хайнань, Китай Директор Департамента науки и инноваций ФГУП «Рослесинфорг» Архипов В.И. Новая технология стереоскопической таксации лесов

Технология стереоскопической таксации лесов «От съемки - к проекту» 3. Формирование ГИС 2. Таксация (дешифрирование) 1. Аэросъемка Планирование, заказ, выполнение, получение материалов цифровой аэросъемки Создание ортофотопланов (средствами «VisionMap A3») Создание цифровой картографической основы Выполнение контурного, аналитического и измерительного дешифрирования Векторизация границ выделов (средствами специального модуля «Photomod StereoMeasure») Ввод карточек таксации Формирование геоинформационной базы данных Печать стандартных лесных карт, ведомостей, отчетов (средствами ПК «ЕСАУЛ», ArcGIS и др.) Основные этапы 2

Схема работ по технологии «От съемки - к проекту» Планирование, выполнение дистанционных съемок с применением комплекса «VisionMap A3» Обработка и подготовка данных ДЗЗ для дешифрирования и создания ГИС. Создание ортофотопланов, ЦМР, ориентированных снимков Изучение и анализ признаков дешифрирования Создание цифровой картографической основы объекта работ (ArcGIS) Выполнение контурного, аналитического и измерительного дешифрирования цифровых материалов ДЗЗ (Photomod, ПК «ЕСАУЛ»), контроль работ Формирование геоинформационной базы данных лесничества (ArcGIS, ПК «ЕСАУЛ») Создание и оформление на основе ГИС-баз данных стандартных лесных карт, ведомостей, отчетов (ArcGIS, ПК «ЕСАУЛ») Печать лесных карт, ведомостей, отчетов Сбор исходных материалов для объекта работ (ПК «ЕСАУЛ») 3

Этап I. Аэросъемка Показатели Содержание Программное обеспечение Результат 1.1. Сбор исходных материалов для объекта лесоустройства (лесничества, лесопарка) Сбор, оценка, корректировка (при необходимости), ввод в цифровые форматы нормативно-справочной информации на объект лесоустройства ПК «ЕСАУЛ»Таблицы нормативно- справочной информации для объекта лесоустройства 1.2. Выполнение аэросъемки Планирование, заказ, выполнение, получение материалов аэросъемки. Обработка и подготовка материалов аэросъемки к лесному дешифрированию. Создание ортофотопланов, формирование стереопар «VisionMap A3», ЦФС «Photomod» Ортофотоплан территории. Проект с ортофтопланом и наборами стереопар аэроизображений в ЦФС «Photomod» 4

Этап II. Таксация (дешифрирование) Показатели Содержание Программное обеспечение Результат 2.1. Создание цифровой картографической основы объекта работ Формирование набора слоев цифровой картографической основы с использованием ортофотоплана, лесных карт прежнего лесоустройства, материалов кадастра и землеустройства. Векторизация границ, дорог, квартальной сети, гидрографии «ArcGIS» Геоинформационный проект лесничества с набором слоев цифровой картографической основы 2.2. Изучение и анализ признаков дешифрирования. Тренировка исполнителей, контрольное дешифрирование Наземные работы по изучению признаков дешифрирования таксационных показателей с выборочной измерительно-перечислительной таксацией таксационнойй-дешифровочных выделов, таксационнойй-дешифровочных пробных площадей. Наземный анализ признаков дешифрирования. Разработка классификации признаков с их формализацией и ранжированием. Оценка вероятностей появления признаков с составлением таблиц пошагового процесса дешифрирования преобладающих и сопутствующих пород (элементов леса,групп пород). Установление взаимосвязей между таксационными и дешифровочными показателями. Выполнение контрольного дешифрирования «ForestDecrypt», ЦФС «Photomod», MS «Excel 2010», «Statgraphics» Классификации формализованных и ранжированных признаков дешифрирования, таблицы распределения вероятностей признаков дешифрирования, таблицы пошагового процесса дешифрирования (распознавания объектов дешифрирования). Оформление допуска к производственной таксации 2.3. Выполнение стереоскопического контурного, аналитического и измерительного дешифрирования материалов спектрозональной аэросъемки (повыдельная таксация дешифровочным способом) Стереодешифрирование материалов аэросъемки на экранах мониторов. Векторизация границ выделов с заполнением карточек таксации. Экспорт результатов дешифрирования в ГИС. Ввод карточек таксации. Контроль атрибутивной базы данных ЦФС «Photomod», ПК «ЕСАУЛ» с использованием стерео мониторов и стерео очков Векторный слой с границами лесотаксационных выделов. Атрибутивная база данных лесничества 2.4. Выборочные наземные проверки результатов аналитического и измерительного дешифрирования Выполнение выборочной измерительно - перечислительной таксации выделов контрольной выборки (контрольной таксации). Сравнение полученных результатов с данными таксации дешифровочным способом. MS «Excel» Сличительные ведомости результатов таксации дешифровочным способом и контрольной таксации. Оценка точности 5

Этап III. Формирование ГИС Показатели Содержание Программное обеспечение Результат Формирование геоинформационной базы данных по лесничеству Совмещение картографической и атрибутивной баз данных. Выполнение контроля, исправление ошибок, перенесение и увязка площадей ПК «ЕСАУЛ», «ArcGIS» Геоинформационная база данных лесничества 3.2 Создание и оформление стандартных лесных карт, ведомостей, отчетов Оформление, подготовка к печати лесных карт (в т.ч. окрашенных по тематическим показателям). Получение с помощью выборок и запросов ведомостей, отчетов, таксационных описаний. Печать и считка сигнальных экземпляров итоговых документов и лесных карт. Исправление выявленных ошибок в базах данных ПК «ЕСАУЛ», «ArcGIS» Сигнальные экземпляры лесных карт, таксационных описаний, ведомостей. Геоинформационная база данных 3.3. Печать лесных карт, ведомостей, отчетов Печать стандартных лесных карт, ведомостей, отчетов ПК «ЕСАУЛ», «ArcGIS» Комплект лесных карт, таксационных описаний, ведомостей 6

Процесс выбора программно-аппаратного обеспечения для лесного стерео дешифрирования Формулировка критериев отбора (набор функций) к программам Обзор, критика программных продуктов, представленных на рынке, выбор оптимальных по цене и возможностям Оценка возможностей, приобретение, адаптация программного продукта для лесного дешифрирования Критерии отбора: формирование стереопар цифровых изображений данных ДЗЗ; работа со стереоизображениями (просмотр материалов мультиспектральных съемок с помощью специального оборудования); возможность выполнения анализа признаков лесного дешифрирования, в том числе стереоизмерений высот, размеров крон деревьев, промежутков между ними и других геометрических и морфологических таксационных и дешифровочных показателей деревьев и полога насаждений); создание векторных слоев при работе в стерео режиме (с возможностью импорта- экспорта в форматы распространенных ГИС); возможность организации сетевой работы; русификация «PHOTOMOD StereoDraw» (модуль для стерео векторизации) компания «РАКУРС», РФ «PHOTOMOD StereoMeasure» (модуль для лесного стереоскопического дешифрирования) 7

Программа «ForestDecrypt» Цвет изображения древесной породы (элемента леса, группы пород) Форма проекции кроны в плане Собственная тень Падающая тень Выпуклость кроны Форма промежутков Просматриваемость полога в глубину Аналитическим путём определяются признаки: Измерительным путём определяются признаки: Размер проекции кроны Размер промежутков между кронами Программа «ForestDecrypt» обеспечивает камеральный автоматизированный (интерактивный) анализ признаков дешифрирования (ввод и обработку формализованных и ранжированных признаков дешифрирования). 8

Таблица признаков дешифрирования (фрагмент) Преобладающая порода, элемент леса, группа пород или категория земель Признаки дешифрирования и вероятности их значений Пошаговый процесс распознавания (дешифрирования)и его достоверность Сосна деревьев Цвет: Желтый-1 (71) - P = 0,37, Желто-зеленый 1-1 (57) - P = 0,34, Желто-зеленый 1-2 (58) - P = 0,27. Проекция крон в плане: Округлая - P = 0,41, Неправильно-округлая - P = 0,37, Однобоко-вытянутая - P = 0,07, Угловатая - P = 0,07, Эллипсовидная - P = 0,06. Падающая тень: Не заметна - P = 0,68, Форма не выражена - P = 0,19, Овальная - P = 0,06, Треугольная - P = 0,06. Выпуклость кроны: Ясно выражена - P = 0,66, Остроконечная - P = 0,26, Слабо заметна - P = 0,08. Размеры проекций кроны: 2,5-3,5 м - P = 0,32, 3,5-4,5 м - P = 0,27, 1,5-2,5 м - P = 0,21, 4,5-5,5 м - P = 0,13. Форма промежутков: Неправильно округлая - P = 0,48, Однобоко-вытянутая - P = 0,26, Угловатая - P = 0,10, Узорчатая - P = 0,07. Размер промежутков: 1,5-2,5 м - P = 0,46, 0-1,5 м - P = 0,20, 2,5-3,5 м - P = 0,19, 3,5-4,5 м - P = 0,09. Просматриваемость в глубину: Просматривается хорошо - P = 0,96. Цвет промежутков: Зеленый-1 (50) - P = 0,63, Серый-1 (106) - P = 0,20, Желто-зеленый 1-1 (57) - P = 0,09. Собственная тень: Треугольная - P = 0,57, Не выражена - P = 0,20, Серповидная - P = 0,12, Овальная - P = 0,07. Отличается от: Береза: Цвет - Q = 0,76, Собственная тень - Q = 0,87, Цвет промежутков - Q = 0,92, Форма промежутков - Q = 0,95, Выпуклость кроны - Q = 0,97, Проекция крон в плане - Q = 0,98, Размеры проекций кроны - Q = 0,98, Размер промежутков - Q = 0,99, Падающая тень - Q = 0,99, Просматриваемость в глубину - Q = 0,99. Ель: Выпуклость кроны - Q = 0,82, Форма промежутков - Q = 0,92, Цвет - Q = 0,96, Проекция крон в плане - Q = 0,98, Падающая тень - Q = 0,99, Собственная тень - Q = 0,99. Осина: Цвет - Q = 1,00. Результатом интерактивного анализа признаков дешифрирования с использованием программы «ForestDecrypt» является, полученная в автоматическом режиме, таблица признаков дешифрирования и пошаговый процесс распознавания древесных пород (элементов леса, групп пород). 9

АРМ таксатора-дешифровщика Состав и стоимость одного автоматизированного рабочего места: 1. Персональный компьютер Процессор – Intel Core 7, Оперативная память – 4 Гб, Видеокарта – Nvidia Quadro, Жесткий диск – 2 Тб, Оперативная система – Windows 7 Professional SP1 64-bit, Сеть – 1 Гбит/с (не менее 100 Мбит/с) 2. Стереомонитор (Stereo Pixel Lc Reflex), производство России 3. Программное обеспечение: Модуль для стерео дешифрирования данных ДЗЗ «Photomod StereoMeasure» (Разработка – ЗАО «Ракурс» и ФГУП «Рослесинфорг») Программа «ForestDecrypt» Программный комплекс для лесоустройства и лесного хозяйства: Единая система автоматизированного учёта лесов «ЕСАУЛ» Стоимость 50 тыс. руб. Стоимость 60 тыс. руб. Стоимость 30 тыс. руб. Разработка ФГУП «Рослесинфорг» 10 Разработка ФГУП «Рослесинфорг»

Опытно-производственная проверка технологии «От съемки - к проекту» в 2013 г. Расположение модельных участков (Джатиевское участковое лесничество Приозерского лесничества Ленинградской области) Основные параметры аэросъемки: Дата проведения съемки – 9 июля 2013 года Воздушное судно – АН-30 Высота фотографирования – 5500 м Пространственное разрешение – 20 см Используемые спектральные каналы – 4 (Red, Green, Blue, Nir) 11

Состав и порядок работ на модельных участках Этап работ Содержание Объем работ 1. Наземное устройство объектов обучающей выборки (тренировочного таксационнойй- дешифровочного полигона) Закладка тренировочных таксационнойй- дешифровочных пробных площадей (ТДПП), участков с выборочно-измерительной и выборочно-перечислительной таксацией (ВПТ), организация тренировочного таксационнойй- дешифровочного маршрутного хода. Выполнение анализа признаков дешифрирования. 13 ТДПП, 22 ВПТ, 3 км тренировочного таксационнойй-дешифровочного маршрутного хода 2. Тренировка таксаторов (способ таксации – глазомерный) Отработка приемов работ по таксации, глазомерно-измерительная таксация, контроль результатов Тренировка выполнялась на участках с выборочно- измерительной таксацией и маршрутном ходе (коллективную тренировку прошли 6 инженеров- таксаторов, выполняющих натурную таксацию) 3. Наземная таксация модельных участков Глазомерная таксация модельных участков 3 участка, 12 кварталов, 413 лесотаксационных выделов 4. Тренировка таксаторов (способ таксации – дешифровочный) Отработка приемов и методов лесного дешифрирования с изучением признаков дешифрирования и особенностей изображения лесов на материалах ДЗЗ Тренировка на всех объектах обучающей выборки пройдена 2 инженерами-таксаторами, выполняющими дешифрирование 5. Камеральное дешифрирование модельных участков Сплошное аналитическое и измерительное дешифрирование лесных участков с определением инструктивных таксационных показателей 3 участка, 12 кварталов, 413 лесотаксационных выделов 6. Контрольная таксация выборочной совокупности выделов. Уточненная (точность определения запаса не ниже 10%) выборочно-измерительная или выборочно-перечислительная таксация лесотаксационных участков наземным способом 31 лесотаксационный выдел (8 % от всего количества дешифрируемых лесотаксационных участков), отобранных случайным образом 7. Оценка точности Составление сличительных ведомостей 3 участка, 12 кварталов, 413 лесотаксационных выделов 12

Результаты контурного дешифрирования модельных участков Модельный участок 1 Площадь – 408 га Количество выделов -163 шт. Наземная таксация: Никифоров А.Б. Дешифрирование: Леонтьев М.А. Контрольная таксация: Галафеев С.В., Демидов В.Н. Модельный участок 2 Площадь – 314 га Количество выделов -111 шт. Наземная таксация: Лунегов М.Н. Дешифрирование: Леонтьев М.А. Контрольная таксация: Галафеев С.В., Демидов В.Н. Модельный участок 3 Площадь – 318 га Количество выделов -139 шт. Наземная таксация: Белов В.А. Дешифрирование: Устинова М.С. Контрольная таксация: Галафеев С.В., Демидов В.Н. 13

Фрагмент спектрозонального ортофотоплана Джатиевского лесничества, выполненного на основе материалов аэросъемки камерой VisionMap A3 - CIR Квартал 152, выдел 57, состав 6ОС3Е1С, класс бонитета 1, тип леса – осинник - кисличник, возраст 70 лет, средняя высота яруса 25 м, относительная полнота 0.7, запас 280 м 3 / га 14

Таксационные показатели и признаки их дешифрирования 15

( σ – случайные ошибки) Сравнение результатов дешифровочной и контрольной (измерительно-перечислительной) таксации Насаждения и исполнители Коли- чество выде- лов Ошибки дешифровочной таксации для основного элемента леса запас на 1 га, % возраст, лет состав, ед. сост. высота, % диаметр, % полнота, ед. полн. ±σ Сосновые насаждения 1-й исполнитель 16 7,61,06,89,80,0819,7 2-й исполнитель 16 9,80,85,88,30,0814,0 Еловые насаждения 1-й исполнитель 15 13,91,59,413,20,115,2 2-й исполнитель 15 14,01,011,518,00,118,6 Ошибки определения основных таксационных показателей древостоев дешифровочным способом не превышают значений допустимых ошибок, установленных Лесоустроительной инструкцией для наземного глазомерного способа таксации. 16

Получение выходных документов средствами «ArcGIS» и ПК «ЕСАУЛ» По результатам таксации лесов дешифровочным способом (технология «От съемки – к проекту») формируется: ПОЛНЫЙ КОМПЛЕКТ ВЫХОДНЫХ ДОКУМЕНТОВ (в соответствии с требованиями Лесоустроительной инструкции): 1. Таксационные описания 2.Карты-схемы лесничеств 3. Лесоустроительные планшеты 4. Планы лесонасаждений 5. Геоинформационная база лесоустройстроительных данных на повыдельном уровне 6. Фотоплашеты (на бумажных и электронных носителях)

Производственное внедрение технологии «От съемки – к проекту» 18 В 2014 году в филиале ФГУП «Рослесинфорг» «Севзаплеспроект» начались работы по производственному внедрению технологии «От съемки – к проекту». Объект работ КУ «Струго-Красненское лесничество» Псковской области, площадь - 94,2 тыс. га. Работа выполняется в рамках государственного контракта ГК По состоянию на г. выполнены следующие виды работ: - проведены двухнедельные курсы по лесному стереоскопическому дешифрированию; - заложены объекты обучающей выборки (10ТДПП, 25 выделов ВПТ, маршрутный таксационнойй- дешифровочный ход); - проведена коллективная тренировка 8 ИТР на объектах обучающей выборки; - развернуты камеральные работы по производственной таксации лесов дешифровочным способом

Результат: 1. Традиционные лесоустроительные материалы 2. Геоинформационная база данных о лесах Процесс проектирования мероприятий по охране, защите и воспроизводству лесов Выполнение сплошной стереоскопической таксации лесов («От съемки – к проекту» Результат: 1. Фотопланы участковых лесничеств с территориальным местоположением лесотаксационных выделов, включенных в фонд проектируемых мероприятий. 2. Ведомости лесотаксационных выделов, включенных в фонд проектируемых мероприятий. 3. Фотоальбомы лесотаксационных выделов, включенных в фонд проектируемых мероприятий (в масштабе 1:2000 – 1:5000). Результат: 1. Проект мероприятий по охране, защите и воспроизводству лесов 2. Выявление фонда проектируемых мероприятий по охране, защите и воспроизводству лесов 3. Адресная наземная таксация лесотаксационных выделов, включенных в фонд

Фонд проектируемых мероприятий Фотоплан Джатиевского участкового лесничества (фрагмент) - лесотаксационные выделы, включённые в фонд проектируемых мероприятий масштаб 1:

Участковое лесничест- во Таксационно - дешифровочная характеристика Вид проектиру- емого мероприятия Квар- тал Вы- дел Площадь, га Категория земель Состав Воз раст, лет Высота, м Диа- метр, см Группа типов леса Полно- та Сыро- расту- щий запас на 1 га кбм Захлам леннос ть на 1 га кбм Сухо- стой на 1 га кбм Джатиев- ское 56292,2 насажден ие 4Ос 2Б4Е кс 0, санитарная рубка 56301,8 ветровал 8 Ос 2Б кс санитарная рубка 56368,0 насажден ие 6Ос 4Е522 чс 0,710 уход в молодняках 56421,2 погибшее насажден ие 7Е3Б7524 чс 180 санитарная рубка 7814,7 вырубкабр 4010 лесовосста- новление ,0 вырубкачв 4020 лесовосста- новление 94140,4 насажден ие 6Б2С2Е1032 чс 0, уход в молодняках Итого по уч. лесничеству 325,4 в том числе: уход в молодняках 40,4 санитарные рубки 240,0 лесовосстановление 45,0 Таблица (фрагмент ) Приозерское лесничество Фонд проектируемых мероприятий по охране, защите и воспроизводству лесов 21

Фонд проектируемых мероприятий Фотоальбом лесотаксационных выделов Таксационно - дешифровочная характеристика. Квартал: 56. Выдел: 29. Площадь: 2,2 га. Категория земель: насаждение. Состав: 4Ос 2Б4Е. Возраст - 70 лет. Высота - 24 м. Сырорастущий запас кбм/га. Захламленность - 80 кбм/га. Сухостой - 40 кбм/га. Вид проектируемого мероприятия : санитарная рубка. масштаб 1:

Фонд проектируемых мероприятий Таксационно - дешифровочная характеристика. Квартал: 56. Выдел: 30. Площадь: 1,8 га. Категория земель: ветровая. Состав: 8Ос 2Б. Возраст - 70 лет. Высота - 23 м. Сырорастущий запас кбм/га. Захламленность кбм/га. Сухостой - 30 кбм/га. Вид проектируемого мероприятия : санитарная рубка. Фотоальбом лесотаксационных выделов масштаб 1:

Фонд проектируемых мероприятий Таксационно - дешифровочная характеристика. Квартал: 56. Выдел: 36. Площадь: 8,0 га. Категория земель: насаждение. Состав: 6Ос 4Е. Возраст - 5 лет. Высота - 2 м. Сырорастущий запас - 10 кбм/га. Вид проектируемого мероприятия : уход в молодняках. Фотоальбом лесотаксационных выделов масштаб 1:

Фонд проектируемых мероприятий Таксационно - дешифровочная характеристика. Квартал: 56. Выдел: 42. Площадь: 1,2 га. Категория земель: погибшие насаждения. Состав: 7Е3Б. Возраст - 75 лет. Высота - 24 м. Сухостой кбм/га Вид проектируемого мероприятия : санитарная рубка. Фотоальбом лесотаксационных выделов масштаб 1:

Фонд проектируемых мероприятий Таксационно - дешифровочная характеристика. Квартал: 78. Выдел: 1. Площадь: 4,7 га. Категория земель: вырубка. Захламленность - 40 кбм/га. Сухостой - 10 кбм/га Вид проектируемого мероприятия : лесовосстановление. Фотоальбом лесотаксационных выделов масштаб 1:

Таксационно - дешифровочная характеристика. Квартал: 94. Выдел: 14. Площадь: 0,4 га. Категория земель: насаждение. Состав: 6Б2С2Е. Возраст - 10 лет. Высота - 3 м. Сырорастущий запас - 15 кбм/га. Захламленность - 20 кбм/га. Сухостой - 50 кбм/га Вид проектируемого мероприятия : уход в молодняках. Фотоальбом лесотаксационных выделов масштаб 1: Фонд проектируемых мероприятий

Таксационно - дешифровочная характеристика. Квартал: 94. Выдел: 21. Площадь: 14,0 га. Категория земель: вырубка. Сырорастущий запас - 40 кбм/га. Захламленность - 20 кбм/га. Сухостой - 20 кбм/га Вид проектируемого мероприятия : лесовосстановление. Фотоальбом лесотаксационных выделов масштаб 1:

Ожидаемые преимущества: Точность определения основных лесотаксационных показателей насаждений (состав насаждений, средняя высота, запас и др.) соответствует нормативной точности наземного глазомерного способа таксации лесов, установленной Лесоустроительной инструкцией; Сезонная производительность в 2-3 раза выше в сравнении с наземным глазомерным способом таксации; Удельная стоимость работ в 2-3 раза меньше в сравнении с наземным глазомерным способом таксации Технология позволяет выявить фонд и повысить эффективность проектирования мероприятий по охране, защите, воспроизводству лесов Основные достоинства новой технологии таксации лесов дешифровочным способом 29

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТ ПО 1-му этапу (промежуточные): 1. Разработаны технические требования к материалам аэро- и космических цифровых стереоизображений для целей таксации лесов; 2. Выполнен анализ и обоснован выбор оптимального аппаратно-программного обеспечения для целей дешифрирования таксационных характеристик лесных насаждений; 3. Выполнен анализ информационных возможностей современных материалов космических изображений (цифровых, стереоскопических) для целей получения таксационных характеристик лесов (исследования продолжаются) ГЛАВНЫЙ ВЫВОД Новые возможности в развитии дистанционных цифровых съемок и программно- аппаратные средства нового поколения по их обработке позволяют разработать современную технологию таксации лесов дешифровочным способом, по точности определения основных таксационных показателей древостоев (состав, средняя высота, запас и др.) не уступающей нормативной точности наземного глазомерного способа таксации.