В ТУСУРе разрабатывают технологию таксации древостоев с применением БПЛА и аналитического ПО

Опытным полигоном стал участок лесного массива, выделенный с этой целью в декабре 2022 года департаментом лесного хозяйства Томской области. Технология разрабатывается в Центре компетенций НТИ по сквозной технологии «Геоданные и геоинформационные технологии» на базе Московского государственного университета геодезии и картографии.

Необходимость комплексных решений с применением БПЛА в лесном хозяйстве обсуждается не первый год. Задач для мониторинга лесных массивов много, они связаны не только с пожарной безопасностью в чрезвычайных случаях, но и с разумным лесопользованием, восстановлением и заготовкой, определением состояния леса (пожирание леса жуками и их личинками, обезвоживание или наоборот, заболачивание почв, и т.п.).

При наличии опыта и высокой квалификации дному специалисту для осмотра лесного массива площадью 1 км² требуется не менее 10 часов ходьбы, включая выполнение обмеров (если идти с расстоянием между проходами 50 метров, общее расстояние составит по участку 25 км, а скорость ходьбы по лесу не более 3 км/час). По словам учёных, беспилотник на скорости 30 км/ч облетит эту территорию за 2 часа, учитывая время разворотов, и получит при этом существенно более детальную картину, чем это сможет сделать человек. Особенно сложно выполнять мониторинг состояния лесов ввиду их огромной площади, например, в северной части России, где мало населённых пунктов и сложно выполнять технические работы для обеспечения полётов БПЛА (наличие электричества, дорог и т. п.).

На российском рынке есть несколько частных проектов по использованию беспилотных летательных аппаратов в целях лесного хозяйства, однако регулярного мониторинга лесных земель с помощью БПЛА до сих пор нет. Не хватает квалифицированных кадров, не хватает методических и технологических решений, основанных на последних достижениях современной науки и робототехники, не хватает, наконец, аппаратного комплекса, обладающего высокой надёжностью для практического использования в сложных условиях лесных массивов. Единый программно-аппаратный комплекс и технологии таксации древостоев дистанционным методом с применением беспилотных авиационных систем и аналитического ПО с элементами искусственного интеллекта разрабатывает Центр компетенций Национальной технологической инициативы по направлению сквозной технологии «Геоданные и геоинформационные технологии», открытый на базе Московского государственного университета геодезии и картографии.

«Центр компетенций НТИ на базе МИИГАиК решает фундаментальные и прикладные задачи в сфере геоинформатики. Проект по лесотаксации позволит существенно повысить эффективность использования лесных ресурсов нашей страны, — рассказывает руководитель Центра компетенций НТИ, ректор МИИГАиК Надежда Камынина. — Апробация технологий на базе Томской области позволяет масштабировать её применение на территории Сибирского федерального округа, где запасы древесины составляют около 11 % от мировых запасов. ТУСУР обладает большим опытом работы с беспилотными авиационными системами, поэтому коллаборация в рамках ЦК НТИ позволит консолидировать наработки наших университетов».

В ТУСУРе работы по БПЛА ведутся с 2005 года, когда беспилотники были ещё конструкцией ненадёжной, программного обеспечения не было вовсе, и многое приходилось придумывать и реализовывать собственными ресурсами. Со временем аппараты становились компактными, стали переносить небольшие цифровые камеры и были получены первые опыты по обработке изображений БПЛА. С ростом возможностей уровень научных и практических задач вырос до необходимости формирования единого методического обеспечения мониторинга лесных массивов с помощью БПЛА, получения объёмного и качественного набора данных для их обработки и анализа с применением искусственного интеллекта.

Учёные установили ряд требований к будущему методическому обеспечению — оно должно быть понятным и наглядным для применения в процессе обучения и повышения квалификации специалистов лесной отрасли. Оно должно содержать не только описание известных подходов обработки RGB и многоспектральных изображений, но и новые подходы, в основе которых лежит применение искусственного интеллекта, в большей части использующего алгоритмы нейронных сетей разных классов.

«Самая главная особенность алгоритмов нейронных сетей в том, что обработка изображений с их помощью проходит быстрее. Это немаловажный фактор, так как придётся обрабатывать большие по объёму изображения лесных массивов, — поясняет доктор технических наук, профессор кафедры РЭТЭМ, профессор кафедры АСУ ТУСУРа Михаил Катаев. — Точность алгоритмов определения характеристик лесного массива и каждого дерева по изображению связана со многими условиями, которые в проекте надо научиться учитывать, например, время суток получения изображений, направление движения БПЛА относительно плоскости движения Солнца (от этого зависит формирование теней), от состояния атмосферы (прозрачность), от времени после дождя (мокрый лес) и т. д. Необходимо разработать такие подходы, которые дадут возможность получать однотипную информацию при пролетах над одной территорией в разное время».

Использование лесного участка в рамках реализуемого проекта продлится до 31 декабря 2024 года, а результатом станет новая технология, инструменты и сервисы по мониторингу и оценке количественного и качественного состояния лесных древесных ресурсов дистанционными методами для решения лесотаксационных, лесоустроительных и иных задач, связанных с оценкой лесных ресурсов, качеством и контролем их использования.