Лаборатория геоинформатики экосистем ЮГУ отработала методику дистанционной лесотаксации на международном стационаре «Мухрино». С помощью БПЛА учёные не только узнали количество деревьев на полигоне, но и смогли определить запасы углерода, который накопил лес.
Почему важно оценивать углерод в деревьях?
На территории Югры углерод накапливается в двух основных экосистемах – болотах и лесах. На юге России – ещё в почвах степей. Классически оценка запасов фитомассы леса и углерода в нём выполняется при помощи лесной таксации на земле - вручную. Существуют нормативы, по которым определено количество пробных площадей, которые лесотаксаторы должны посетить, чтобы на один гектар леса получить точную информацию.
«Часть работ по лесотаксации в рамках ВИП ГЗ, НИРов, договорённостей с компаниями мы с определённой точностью можем выполнять при помощи беспилотников», - отмечает руководитель лаборатории Данил Ильясов. В прошлом году сотрудники лаборатории смогли провести эту работу в границах карбонового полигона «Мухрино», который является единственным болотным полигоном интенсивного мониторинга 1 типа. Его размер составляет 1,5 на 4 км.
Как проводится лесотаксация?
Раньше экологи могли подсчитать количество деревьев только с помощью наземной таксации. Наземные данные всегда необходимы, потому что они намного более точные. Лесотаксаторы на земле учитывают валеж, подрост, могут крайне точно оценить запасы углерода с разделением на составные компоненты, например, запасы в стволах и кронах. Но наземную лесотаксацию очень трудно провести в масштабе страны, региона и даже отдельного большого леса.
«По мере развития технологий в руках лесных таксаторов и госслужб появлялись данные дистанционного зондирования – со спутников, данные, полученные с самолётов, а сейчас данные дистанционного зондирования, полученные при помощи БПЛА», - подчёркивает Данил Викторович. Например, в скандинавских странах лесные таксаторы уже используют дроны и данные с самолётов, чтоб инвентаризовать запасы древесины в масштабе страны. Они также успешно считают запасы углерода в лесах. Такая методика законодательно закреплена в Швеции. В ЮГУ сейчас разрабатывают методические рекомендации к учёту запасу углерода при помощи БПЛА. Этим занимается Центр коммерциализации разработок и трансфера технологий под руководством Александра Каверина.
Преимущества различных методов лесной таксации
Различные дистанционные данные обладают разными характеристиками. Например, спутниковая съёмка захватывает большую площадь, но с низким пространственным разрешением: со спутника довольно трудно распознать отдельные деревья, а с самолёта или дрона уже можно. Данные с беспилотников охватывают меньшую площадь, но БПЛА позволяет провести лидарную съёмку, позволяющую не только различить отдельные деревья, но их свойства: размер кроны, породу и высоту с точностью 10-30 см. Такие данные приближаются по своей подробности к тем, которые можно получить благодаря наземной лесотаксации: состав породы, высоту деревьев, размер кроны, сомкнутость полога. Однако наземная лесотаксация может быть выполнена только на маленькой территории и обычно подразумевает большие трудовые и финансовые затраты.
«Необходимость использования разных дистанционных данных состоит не только в том, чтобы распространить «наземные данные» на большую площадь, но и для того, чтобы оптимизировать затраты. Мы можем почти с такой же точностью, как на земле, посчитать количество деревьев, довольно точно измерить их высоту, что сокращает для больших территорий объём выполняемых работ. Если у есть лес 1,5 на 4 км, чтобы его на основе наземных данных оценить в отношении запасов углерода, нужно заложить десятки пробных площадей. А если мы подключаем дрон, то в два раза меньше. Это экономия времени, сил и средств», - отмечает Данил Ильясов.
Например, на Мухрино десятки тысяч деревьев, измерить их вручную невозможно. При помощи дрона это можно сделать с определённой погрешностью, но за один день. «С дрона очень хорошо видны деревья первого яруса – это самые высокие деревья. Деревья под ними мы плохо видим, они перекрыты листвой, их нам трудно посчитать. На этот случай есть наземная лесотаксация», - подчеркивает руководитель лаборатории.
Профессиональные лесотаксаторы на «Мухрино» заложили пять пробных площадей размером 50 на 50 м. На каждой из них они пересчитали все деревья, измерили их высоту, подсчитали запасы углерода в модельных деревьях для того, чтобы потом экологи могли перенести эту информацию на большую площадь.
«Мы эти же самые участки отсняли с дрона. Сделали математическую модель, которая позволяет наземные данные распространить на большую территорию. И не только на эту. Здесь мы научились снимать высоту деревьев, считать их количество при помощи лидара. Мы поняли, какое соответствие между наземными данными и дистанционными. Эту модель можно применять к другим похожим лесам», - рассказал руководитель лаборатории. Добавим, что такие исследования можно проводить в полётный период при плюсовых температурах - с конца апреля по октябрь.
Применение дистанционной лесотаксации
Польза дистанционной лесотаксации состоит в том, что с помощью современных методов оценки запасов углерода с использованием беспилотных летательных аппаратов можно оценивать точно и быстро объем углерода в деревьях, подсчитывать сами деревья, оценивать их высоту. Можно применять эти методики для того, чтобы отслеживать эффективность лесовосстановительных мероприятий. «Например, нефтяные компании выполняют обязательства по лесовосстановлению. И мы можем давать оценку этой работе на большой площади. Как деревья посажены, как они растут, какое их состояние. Выдать рекомендации, чтобы улучшить результаты», - отметил Данил Ильясов. Так, сейчас учёные ЮГУ получили разрешение на полёты для оценки лесовосстановительных работ в новом районе Ханты-Мансийка.
БПЛА можно использовать для кадастровой оценки состояния древостоя на определённом участке. Сейчас в России нет точных сведений (состояние, состав и количество деревьев) о 80% лесов, которые входят в кадастровую оценку. Эти сведения теряют свою актуальность раз в 10 лет. Наземная оценка проводится реже. У лесных таксаторов не хватает сил делать это вручную. «Для владельцев этих участков мы можем предоставлять оперативную информацию о том, что происходит с лесом. С помощью спутников это невозможно сделать точно, только приблизительно. Можно совмещать разные дистанционные данные. Часть отснять с дрона, потом эту информацию перенести на спутниковые данные. Сопоставить и получить более точную оценку для большой площади», - подчеркивает Данил Викторович.
Дистанционная оценка запасов и потоков углерода проводится в ЮГУ в рамках существующих научных проектов – ВИП ГЗ, «Карбоновые полигоны», молодёжная лаборатория. Это касается не только лесов. Сейчас учёные ЮГУ могут оценивать запасы углерода дистанционно и на болотах. «Это та же самая таксация, но применённая к болотным экосистемам. Ещё мы можем оценивать запасы углерода в недревесной растительности болот – кустарниках, травах», - рассказал Дани Ильясов. Сотрудники молодёжной лаборатории ЮГУ могут с помощью дронов оценить запасы углерода на определённой территории многократно, чтобы определить, как меняется экосистема в динамике, как прирастают деревья, дать оценку их состоянию. Это важно для осуществления экологического мониторинга.
Добавим, что лаборатория также использует лидарные данные, полученные с дронов, для математических моделей, которые разрабатываются в МГУ. Учёные ЮГУ предоставляют московским коллегам данные, которые потом используются как каркас растительного покрова для построения моделей потоков углерода в лесу.
«Любые математические модели требуют много данных и их легко получать с помощью лидарной съёмки с дрона. Мы можем для математической модели создать трёхмерную структуру леса. И сейчас это используется в расчётах на географическом факультете МГУ», - рассказал Данил Ильясов.
