способ вычисления запаса лесных массивов

Формула изобретения

Способ вычисления запаса лесных массивов, содержащих пробные площадки, при котором получают изображения лесов в виде цифровой матрицы зависимости яркости I(х, у) от пространственных координат, рассчитывают пространственный спектр Фурье матрицы, находят среднюю частоту F_ср, диаметр кроны среднего дерева Д_cр =I/F_cр, а по массовым таблицам - высоту и ступень толщины среднего дерева, отличающийся тем, что последовательно разбивают матрицу на фрагменты /2× 2/ смежных пикселей и делят четырехугольник по главной диагонали на два треугольника, представляют площадь рельефа лесного полога S_рп в виде мозаики аппроксимирующих треугольников, находят по формуле Герона площадь каждого треугольника и их сумму, вычисляют полноту насаждения Р через отношение площади рельефа пробной площадки S_прп к удельной площади рельефа лесного полога S _рп/S_о, домноженного на полноту насаждения пробной площадки Р_о, вычислением среднего количества деревьев на участке N_cр=4· S_о· Р/ Д²_ср определяют прикрепляющую точку огивы анализируемого насаждения, вычисляют запас по массовым таблицам как сумму 5 классов ступеней толщины Лорея

где S_о - площадь изображения обрабатываемого лесного массива, га;

N_i - количество деревьев i-го класса ступени толщины;

Н_i - высота среднего дерева i-го класса ступени толщины, м;

g_i - площадь сечения среднего дерева i-го класса ступени толщины, м;

f_i - видовое число среднего дерева i-го класса ступени толщины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к лесному хозяйству, в частности к дистанционным методам таксации лесов на обширных площадях на основе обработки снимков оптического диапазона с высоким пространственным разрешением.

За двести лет существования науки о лесах накоплены обширные статистические материалы о закономерностях соотношений между морфометрическими характеристиками как отдельных деревьев, так и их сообществ: высоты дерева, диаметре ствола, диаметре кроны, возрасте, полноте насаждения, бонитете, запасе и др. Выявленные статистические зависимости между характеристиками лесных ценозов зафиксированы в так называемых массовых таблицах (см., например, "Объемные таблицы Союзлеспрома" в учебнике Анучин Н.П. Лесная таксация, 5-е издание. - М.: Лесная промышленность, 1982 г., стр. 167, 207, 250, 273, 296).

Известен способ натурной таксации путем индивидуального пересчета деревьев на пробных площадках (см., например, Анучин Н.П. Лесная таксация, 5-е издание. - М.: Лесная промышленность, 1962 г., стр. 248-250 - аналог).

В способе-аналоге разбивают площадь лесного массива на мозаику участков, проводят измерения таксационных параметров на пробном (ключевом) участке: Н_i - высоты дерева, d_i - толщины ствола на высоте 1,3 м, N_i - числа деревьев данной высоты и толщины, полноты насаждения Р_o, f_i - видовых чисел, а запас насаждения участка рассчитывают как сумму произведений

распространяют результаты расчета на всю площадь лесного массива.

Недостатком известного аналога является большая трудоемкость, связанная с необходимостью учета и обмера каждого дерева, неоперативность работ, недоступность горных и отдаленных районов, погрешность ( 20%) при распространении результатов измерений отдельных участков на весь таксируемый массив. Существующие космические средства позволяют оперативно получать изображения ранее не учтенных лесных массивов. Имеется ряд запатентованных способов (патенты РФ №2080051, №2130707, №2133565 - аналоги), позволяющие проводить дистанционную оценку запаса насаждений по их изображениям.

Ближайшим аналогом к заявляемому решению является "Способ таксации насаждений", патент РФ №2183847, 2002 г.) В способе ближайшего аналога получают изображение лесного массива в виде цифровой матрицы |m× n| зависимости яркости I(х, у) от пространственных координат, вычисляют пространственный спектр матрицы и его математическое ожидание (F_cp), осуществляют высокочастотную фильтрацию пространственного спектра с частотой среза, равной F_cp , проводят обратное Фурье-преобразование отфильтрованного спектра, рассчитывают таксационные параметры: полноту Р как отношение количества светлых пикселей n_c к их общему количеству |m× n|, находят прикрепляющую точку огивы насаждения расчетом среднего количества деревьев в насаждении: где Д_ср=I/F_cp - средний диаметр крон древесного полога, S_o – площадь анализируемого участка, Н _cp=7Д^1,2_cp - высота среднего дерева, а запас вычисляют по массовым таблицам, связывающим видовые числа f_i, высоту Н_i, площадь сечения ствола g _i= d²_icp/4 и количество деревьев в насаждении N_i данной ступени толщины из соотношения:

Недостатками ближайшего аналога являются:

- статистическая неустойчивость результата, основанная на использовании одного независимого признака изображения - пространственного спектра или производных от него; F_cp, n_c;

- неточность расчета полноты Р насаждения через производные от пространственного спектра.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении точности и статистической устойчивости результата вычисления запаса насаждения путем использования дополнительно, другого, собственного признака изображения - площади поверхности рельефа лесного полога анализируемого массива.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе вычисления запаса лесных мостов, содержащих пробные площадки, получает изображение лесов в виде цифровой матрицы зависимости яркости I(х, у) от пространственных координат, рассчитывают пространственный спектр Фурье матрицы, находят среднюю частоту F_ср, диаметр кроны среднего дерева Д_ср=I/F_cp, а по массовым таблицам высоту и ступень толщины среднего дерева, последовательно разбивают матрицу на фрагменты |2× 2| смежных пикселей и делят четырехугольник по главной диагонали (слева сверху - направо вниз) на два треугольника, представляют площадь рельефа лесного полога S_рп в виде мозаики аппроксимирующих треугольников, находят по формуле Герона площади каждого треугольника и их сумму, вычисляют полноту насаждения Р через отношение площади рельефа пробной площадки S_прп к удельной площади рельефа лесного полога S_пр/S_o домноженного на полноту насаждения пробной площадки Р_о, вычислением среднего количества деревьев на участке N_сp=4· S_o· P/ Д²_cр определяет прикрепляющую точку огивы анализируемого насаждения, вычисляют запас по массовым таблицам как сумму 5 классов ступеней толщины Лорея

где S_o - площадь изображения обрабатываемого лесного массива, га;

N_i - количестве деревьев i-го класса ступени толщины;

Н_i - высота среднего дерева i-го класса ступени толщины, м;

g_i - площадь сечения среднего дерева i-го класса ступени толщины, м²;

f_i - видовое число среднего дерева i-го класса ступени толщины.

Изобретение поясняется чертежами, где

фиг.1 - исходное изображение анализируемого лесного массива;

фиг.2 - визуализированный пространственный спектр Фурье сигнала матрицы изображения;

фиг.3 - огибающая пространственного спектра Фурье и его средняя частота F_cp;

фиг.4 - последовательность разбиения матрицы на фрагменты |2× 2| из 4-х смежных пикселей и мозаику треугольников,

фиг.5 - зависимость между полнотой насаждения и рельефом (сечение древесного полога плоскостью X),

фиг.6 - огива насаждения для расчета запаса;

фиг.7 - функциональная схема устройства, реализующего способ.

Техническая сущность изобретения состоит в следующем. По определению, полнота насаждения характеризует совершенство использования растительным сообществом занимаемого пространства и оценивается сомкнутостью древесного полога, густотой. Даже в наземных условиях расчет полноты насаждения представляет определенные трудности (см., например, "Полнота насаждения" в учебнике Н.П.Анучин "Лесная таксация", 5-е издание. - М.: Лесная промышленность, 1982 г., стр. 234-241). Чаще всего расчет полноты проводят путем сравнения таксируемого участка с нормальным полным насаждением. Очевидно, что характеристикой полноты может быть объем пространства, занимаемый насаждением. На изображении вершина кроны дерева обладает большей яркостью, так как отражает падающий световой поток почти зеркально. Промежутки между деревьями из-за многократного диффузного отражения светового потока от соседних крон и лишь частичного отражения в сторону регистратора, имеют на изображении наименьшую яркость. Таким образом, на изображении древесный полог представляется в виде совокупности колоколообразных пиков разной высоты. Глубина перепада яркости отражает степень изрезанности рельефа древесного полога и связана с полнотой насаждения. Очевидно, что чем больше полнота, тем больше сомкнутость полога и тем меньше совокупная площадь "рельефа" функции яркости изображения I(х, у). Совокупную площадь рельефа вычисляют, аппроксимируя ее поверхность мозаикой треугольников. Чем выше разрешение снимка, тем точнее аппроксимирующая поверхность совпадает с истинной площадью рельефа древесного полога. На фиг.5 иллюстрируется зависимость полноты насаждения от площади рельефа его полога. Количественно полноту насаждения находят через отношение площади рельефа пробной площадки S_пpп к удельной площади рельефа лесного полога всего снимка, домноженного на полноту насаждения пробной площадки Р_о

Р=Р_о· S_прп /S_рп/S_о.

Площадь рельефа древесного полога исходной матрицы изображения лесного массива вычисляют программным методом на ПЭВМ. Последовательность разбиения матрицы на фрагменты из 4-х смежных пикселей и мозаику треугольников по главной диагонали (1-4) иллюстрируется фиг.4.

Для вычисления площади поверхности обрабатываемого участка необходимо указать масштаб по координатам dх, dу и масштаб глубины dI. Алгоритм вычисления элементарной площади четырехточечного шаблона основан на триангуляции элемента поверхности, т.е. разбиение его по главной диагонали (слева-сверху-направо-вниз) на два треугольника. Длину сторон каждого из треугольников при известных dх, dу, dI вычисляют по теореме Пифагора, а площадь треугольников по формуле Герона

где a, b, c - длины сторон треугольника, р - полупериметр треугольника.

Вычисление запаса лесного массива по операциям способа и количественным значениям расчетных параметров приводится в примере реализации.

Пример реализации способа

Заявляемый способ может быть реализован на базе устройства по схеме фиг.7. Функциональная схема устройства фиг.7 содержит орбитальный комплекс наблюдения 1 типа космического аппарата "Ресурс-Ф" с установленной на его борту фотокамерой 2 типа КФА-1000, осуществляющей съемку участков подстилающей поверхности 3 по командам из Центра управления полетом 4, передаваемым по радиолинии управления 5. Заполненные кассеты с фотоматериалами съемки отстреливаются с борта космического аппарата по командам из ЦУПа 4 и в виде капсул 6 доставляются в лабораторию обработки фотоматериалов 7. При обработке фотоматериалов осуществляют их геометрическую фотометрическую коррекцию. Материалы космической съемки в виде откорректированной серии снимков 8 поступают заказчику в Центр тематической обработки 9. Посредством сканера 10 высокого разрешения типа "Panasonic" аналоговые снимки преобразуют в цифровые матрицы дискретных отсчетов и вводят в ПЭВМ 11, включающую стандартный набор элементов: процессор 12, оперативное запоминающее устройство 13, винчестер 14, дисплей 15, принтер 16, клавиатуру 17. В качестве ПЭВМ 11 использовалась станция типа IBM со специальным программным обеспечением MATH САД.

Масштаб снимка (Лосиный Остров, г.Москва) составлял 1:50000, после сканирования с разрешением 2000 точек на дюйм, разрешение одного пиксела матрицы изображения соответствовало 0,65 м. Исходное изображение для обработки иллюстрируется фиг.1.

Вычисление пространственного спектра матрицы является стандартной процедурой специализированного программного обеспечения MATH САД. Визуализированное изображение пространственного спектра (распечатка с ПЭВМ) иллюстрируется фиг.2.

На фиг.3 представлена нормированная А/А_max функция огибающей пространственного спектра исходного изображения. Математическое ожидание пространственной частоты исходного спектра F_ср=0,33; средний диаметр кроны Д_cp=I/F_cp=3 м, а высота среднего дерева Н_cp=7Д^1,2_ср=24 м. Расчетный диаметр ствола среднего дерева d_1,3=42 см (см., например, Общесоюзные нормативы для таксации лесов. - М.: Колос, 1992 г., стр. 121). Таксационные параметры пробной площадки анализируемого лесного массива (по данным натурной таксации) составили d _1,3=44 см, Н=25 м, Р_о=0,6, V=260 м³ /га, видовые числа по классам f₁=0,575; f₂ =0,57; f₃=0,55; f₄=0,53; f₅=0,52. Вся площадь обрабатываемого лесного массива (стандартная матрица |512× 512| элементов, при разрешении на пиксел 0,65 м) составила S₀=11 га. Площадь рельефа лесного полога, вычисленная программным методом S_рп=158 га, удельная площадь рельефа 158/11=14,4 га. Площадь рельефа пробной площадки, вычисленная программным методом 7,9 га. Расчетная полнота насаждения лесного массива

Р=0,6× 7,9/14,4=0,32.

Ошибка расчета полноты насаждения аналога при распространении полноты пробной площадки на весь таксируемый массив достигает 40%. Лесной наукой выявлена закономерность, что в любом насаждении, независимо от возраста, состава пород, вида насаждения - однородное или смешанное, распределение количества деревьев по ступеням толщины подчиняется одному и тому же закону, носящему название огивы насаждения. График огивы насаждения представлен на фиг.6. При полученных расчетных параметрах определяют среднее число деревьев в анализируемой массиве

где Р - расчетная полнота насаждения лесного массива (Р=0,32);

Д²_ср/4 - проекция кроны среднего дерева на земную поверхности (Д_ср=3 м).

Разбивая все количество деревьев на 5 классов ступеней толщины Лорея, вычислено, что расчетный запас всего лесного массива равен 218 м³ /га.

Таким образом, использование дополнительного собственного признака матрицы изображения в виде площади рельефа древесного полога повышает статистическую устойчивость расчета параметра полноты насаждения и точность оценки запаса лесных массивов на обширных площадях. При использовании в производстве заявляемый способ вычисления запаса лесных массивов может рассматриваться как метрологический.